王加政，張學飛，李曄，徐秋婷，鄧新

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復合板件內(nèi)損耗因子的聲激勵測量方法

王加政，張學飛，李曄，徐秋婷，鄧新

(常州大學城市軌道交通研究院，江蘇常州 213164)

以泡沫鋁夾芯板為研究對象，分別應用穩(wěn)態(tài)半功率點帶寬法與混響室聲激勵法測得其內(nèi)損耗因子。根據(jù)統(tǒng)計能量分析預測模型，將實驗室實測泡沫鋁夾芯板隔聲量代入其中，逆推出預測模型中內(nèi)損耗因子真值，并與以上兩種方法測得的內(nèi)損耗因子進行了對比分析，結果表明：半功率點帶寬法僅能測得泡沫鋁夾芯板的結構損耗因子，而混響室聲激勵法則能夠綜合考慮其結構阻尼和吸聲損耗，從而獲得更適用于隔聲預測的綜合內(nèi)損耗因子。研究內(nèi)容可為存在吸聲損耗的復雜板件內(nèi)損耗因子的獲取提供方法借鑒。

泡沫鋁夾芯板；半功率帶寬法；聲激勵法；內(nèi)損耗因子；隔聲

0 引言

發(fā)泡鋁夾芯板作為一種復合結構板件，已經(jīng)被廣泛應用于軌道交通、航空航天以及建筑等行業(yè)[1]，現(xiàn)階段對于其隔聲性能的優(yōu)化研究很多。張春巖等[2]探究了阻尼層厚度及材料密度對發(fā)泡鋁夾芯板的隔聲特性影響；丁曉等[3]測量了不同夾芯泡沫鋁厚度、孔隙率以及表層金屬對泡沫鋁夾芯板隔聲性能的影響。其中，內(nèi)損耗因子作為仿真模型的輸入之一，是研究其聲振問題必不可少的參數(shù)。內(nèi)損耗因子獲取的準確與否極大地影響著模型預測的結果。

獲得內(nèi)損耗因子的一般方法有半功率帶寬法、穩(wěn)態(tài)能量流法及瞬態(tài)衰減包絡線法等[4]。其中，半功率帶寬法在現(xiàn)階段的應用更為廣泛。李彤等[5]用Matlab軟件研究半功率帶寬法測定的阻尼比，分析半功率帶寬法的適用范圍及影響因素；秦世強等[6]指出了在橋梁工作模態(tài)分析中半功率帶寬法的誤差產(chǎn)生的原因。然而，另有研究指出該方法存在局限性，有時不能準確地辨識結構的內(nèi)損耗因子。應懷樵等[7]指出，半功率帶寬法由于受信號處理中的采樣頻率、頻率分辨率、阻尼大小、采樣頻率與信號之比以及阻尼比的影響，會使測得的阻尼比值波動很大，除少數(shù)狀態(tài)可信外，多數(shù)狀態(tài)下是不穩(wěn)定的。王英誠等[8]以鋁板為研究對象，提出一種聲激勵辨識鋁板內(nèi)損耗因子的方法，認為此方法不僅簡化了試驗過程，而且比脈沖激勵法有更高的精度。

本文以泡沫鋁夾芯板為研究對象，分別應用半功率帶寬法與混響室聲激勵法測得其內(nèi)損耗因子，再將測試結果輸入統(tǒng)計能量法隔聲預測模型中，計算泡沫鋁夾芯板的隔聲量，并與實測隔聲量進行對比，分析兩種內(nèi)損耗因子測試方法的適用性。

1 泡沫鋁夾芯板內(nèi)損耗因子的測量

1.1 穩(wěn)態(tài)半功率點帶寬法

半功率帶寬法認為，子系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率響應函數(shù)峰值的半功率點帶寬和峰值對應的模態(tài)頻率的比值就是該子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子[9]，即：

基于該理論，采取的試驗方法為：在半消聲室中，使用電磁激振器，激勵自由懸掛狀態(tài)下的泡沫鋁三明治板，板件上無規(guī)則地放置5個加速度傳感器，連接計算機采集板件上的信號，并在計算機上繪制頻響函數(shù)曲線，提取出所有峰值的共振模態(tài)并求出阻尼比，進而求得板件的內(nèi)損耗因子。圖1為半功率帶寬法測試現(xiàn)場的照片。

圖1 半功率帶寬法測試現(xiàn)場的照片

1.2 混響室聲激勵法

本文采用一種混響室聲激勵法求得內(nèi)損耗因子?；诜€(wěn)態(tài)能量流技術，使用連續(xù)的寬頻帶隨機噪聲激勵代替激振器點激勵。圖2為混響室聲激勵測試現(xiàn)場。根據(jù)參考文獻[9]，計算內(nèi)損耗因子的理論公式為

式中：為發(fā)泡鋁夾芯板的損耗功率；E為子系統(tǒng)的振動能量。將混響室與發(fā)泡鋁夾芯板視為擁有兩個子系統(tǒng)的統(tǒng)計能量分析模型，分別記作子系統(tǒng)m與子系統(tǒng)s。在穩(wěn)態(tài)激勵板件時，子系統(tǒng)s的損耗功率與其輸入功率相等，即有：

將式(4)與式(8)代入式(2)，計算得到內(nèi)損耗因子。

試驗方法為將發(fā)泡鋁夾芯板用彈性繩自由懸掛于混響室內(nèi)，放置5個加速度計于板的一側，混響室內(nèi)放置6個傳聲器，聲激勵源為12面無指向性聲源。

表1為兩種方法測得的內(nèi)損耗因子結果。

表1 兩種方法測得的內(nèi)損耗因子結果

2 發(fā)泡鋁夾芯板的隔聲量試驗

樣件隔聲測試在隔聲室(由聲源室和接收室組成) 進行。依據(jù)國標GB/T19889-2005《建筑和建筑構件隔聲測量第3部分：建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量》[10]在隔聲室內(nèi)進行，隔聲室分為發(fā)聲室和受聲室兩個混響室，聲源放置在發(fā)聲室，發(fā)出白噪聲，通過裝有發(fā)泡鋁夾芯板的窗口，傳到受聲室，將兩個房間聲壓級之差修正，即得到發(fā)泡鋁夾芯板的隔聲量。試驗現(xiàn)場布置如圖3、4所示，隔聲量測試結果如表2所示。

聲源分別置于聲源室和接收室進行聲壓級測量。樣件的隔聲量為

圖3 聲源室一側

圖4 接收室一側

表2 隔聲量實測結果

3 結果驗證與分析

3.1 仿真模型驗證

依據(jù)實驗室的實際尺寸，在模型中等比例建立聲源室及接收室，并加入樣件，形成聲源室-樣件-接收室的計算模型，如圖5所示。

圖5 統(tǒng)計能量隔聲預測計算模型

根據(jù)統(tǒng)計能量分析法隔聲預測模型，板件隔聲量TL的計算公式[9]為

則可逆推出：

將板件實測隔聲量代入式(10)，求出預測模型中內(nèi)損耗因子真值，如表3中所示。

表3 由預測模型逆推的內(nèi)損耗因子

將表3中的真值與表1用兩種方法測得的內(nèi)損耗因子值繪制成折線圖，如圖6所示。

由圖6可知：混響室噪聲激勵方法測得的內(nèi)損因子與預測模型逆推得到的真值吻合度更好，半功率帶寬法測得的內(nèi)損耗因子值與預測模型逆推得到的真值相差較大。由此可認為，混響室聲激勵法測量內(nèi)損耗因子的方法，在預測復合板件隔聲量時是可行的。

圖6 兩種方法測得的內(nèi)損耗因子與預測模型逆推值比較

推測產(chǎn)生該結果的原因在于：發(fā)泡鋁夾芯板是一種復合結構板件，其夾芯層為泡沫狀結構，對入射聲波有吸聲損耗。半功率帶寬法中，忽略了夾芯層對聲波的吸收損耗，因此僅能測得發(fā)泡鋁夾芯板的結構損耗因子；而混響室聲激勵法彌補了這一不足，綜合考慮其結構阻尼和吸聲損耗，從而獲得更適用于隔聲預測的綜合內(nèi)損耗因子。

4 結論

文中分別應用半功率帶寬法與混響室聲激勵法測得了泡沫鋁夾芯板的內(nèi)損耗因子，依據(jù)隔聲預測模型中的隔聲量計算公式，代入實驗室實測板件的隔聲量，逆推出內(nèi)損耗因子真值，并與兩種方法測得的內(nèi)損耗因子值比較，得到以下結論：

(1) 半功率帶寬法獲取發(fā)泡鋁夾芯板的內(nèi)損耗因子誤差比較大，可認為此方法不適用于統(tǒng)計能量分析法預測發(fā)泡鋁夾芯板的隔聲量。

(2) 混響室聲激勵法能夠綜合考慮其結構阻尼和吸聲損耗，由此測得的內(nèi)損耗因子代入隔聲模型后，其隔聲量預測值與實測值更加趨近。類似泡沫鋁夾芯板這種存在吸聲損耗的復雜板件的內(nèi)損耗因子的獲取，可采用混響室聲激勵法。

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Acoustic excitation method for measuring damping loss factor of composite structure plate

WANG Jia-zheng,ZHANG Xue-fei,LI Ye,XU Qiu-ting,DENG Xin

(Research Institute of Urban Rail Transit, Chang Zhou University, Changzhou 213164, Jiangsu, China)

Taking the aluminum foam sandwich panel as the object of study, its damping loss factor is measured by the half-power bandwidth method and the acoustic excitation method in reverberation chamber, and the statistical energy analysis model is used to predict the sound insulation coefficient of the aluminum foam sandwich panel. By substituting the lab-measured sound insulation coefficient of the aluminum foam sandwich panel into the statistical energy analysis and prediction model, the true value of the damping loss factor can be inversely deduced to compare with the damping loss factors measured by the above two methods. The results show that the half-power bandwidth method can only measure the structural loss factor of the foamed aluminum sandwich panel, while the acoustic excitation method in reverberation chamber can take both the structural damping and the sound absorption loss into account. Thus, a comprehensive damping loss factor, which is more suitable for sound insulation prediction, is obtained. The research can be used as a reference for obtaining the damping loss factor of complex plate with sound absorption loss.

aluminum foam sandwich panel; half-power bandwidth method; acoustic excitation method; damping loss factor; sound insulation

TB532

A

1000-3630(2019)-01-0067-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.011

2018-01-10;

2018-02-20

王加政(1995-), 男, 江蘇鹽城人, 碩士研究生, 研究方向為噪聲與振動控制技術。

王加政, E-mail: wangjz890@163.com