彭騫, 宋玉寶, 李桂兵, 蔡衛(wèi)東

(1.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 湘潭 411201;2.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心氣動(dòng)噪聲控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 綿陽 621000)

板結(jié)構(gòu)廣泛存在于汽車、高鐵、船舶、飛機(jī)等現(xiàn)代運(yùn)載工具中,其聲振特性會(huì)對(duì)運(yùn)載工具艙內(nèi)振動(dòng)與聲學(xué)環(huán)境產(chǎn)生重要影響,因此,開展板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與噪聲控制研究,對(duì)于改善裝備振動(dòng)與聲學(xué)環(huán)境具有重要意義[1]。常見的板結(jié)構(gòu)減振降噪方法主要分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制,以結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、動(dòng)力吸振器安裝、附加阻尼處理等為代表的被動(dòng)控制方法,具有易于實(shí)現(xiàn)、成本低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)階段仍是工程中重要的減振降噪措施。自由阻尼處理和約束阻尼處理是兩種主要的阻尼減振降噪結(jié)構(gòu)形式,其中前者由于成本低廉、易于制造和安裝等優(yōu)勢(shì),得到了廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)自由阻尼減振降噪方法主要是通過在基體結(jié)構(gòu)表面大面積或整體附加阻尼材料,來抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與聲輻射。雖然傳統(tǒng)自由阻尼處理多年來已經(jīng)取得了系列成果,并得到了普遍應(yīng)用,但是其低頻減振降噪效果較差、不利于結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)等問題依然存在[2-4],進(jìn)一步開展自由阻尼性能改善研究仍有必要,包括高性能阻尼材料、阻尼位置分布優(yōu)化、拓?fù)湓O(shè)計(jì)等,相關(guān)研究至今仍受到研究人員的廣泛關(guān)注。武迪等[5]研究了開槽的寬度對(duì)帶槽墊高阻尼結(jié)構(gòu)減振特性的影響。張超等[6]對(duì)穿孔板空氣薄膜阻尼結(jié)構(gòu)的隔聲特性進(jìn)行了研究。常見的阻尼分布位置設(shè)計(jì),與板結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分布密切相關(guān),即受到結(jié)構(gòu)邊界條件、模態(tài)振型分布等影響較大。即使對(duì)類似的板結(jié)構(gòu),當(dāng)其用于不同場合時(shí),其優(yōu)選位置也會(huì)發(fā)生變化。因此,開展對(duì)于板結(jié)構(gòu)具體應(yīng)用場景與振動(dòng)響應(yīng)等信息的先期了解依賴程度較低的阻尼分布設(shè)計(jì)研究,具有積極的意義。

近年來,有關(guān)聲子晶體、聲學(xué)超材料等人工周期結(jié)構(gòu)的研究不斷深入,發(fā)現(xiàn)該類結(jié)構(gòu)具有彈性波帶隙、波傳播調(diào)控、低頻吸收等特性,這些特性已被應(yīng)用于汽車[7-8]、高鐵[9]、飛機(jī)[10-11]等運(yùn)載裝備的減振降噪研究。阻尼處理作為板結(jié)構(gòu)常用的減振降噪方法,其作用效果的改善也可借鑒聲子晶體、聲學(xué)超材料等人工周期結(jié)構(gòu)的相關(guān)特性,并已引起了部分學(xué)者的關(guān)注[12-15]。胡溧等[12]首次將顆粒阻尼應(yīng)用到局域共振型周期結(jié)構(gòu)中,研究了周期顆粒阻尼結(jié)構(gòu)帶隙的影響因素。周敬東等[13]研究指出,采用周期開孔阻尼抑制板結(jié)構(gòu)的聲輻射存在最優(yōu)開孔率。郝偉等[14]研究了敷設(shè)一維周期阻尼對(duì)板結(jié)構(gòu)隔聲特性的影響。房占鵬等[15]對(duì)周期開孔阻尼板的阻尼特性進(jìn)行了研究。目前,中外已經(jīng)開展的部分利用周期性設(shè)計(jì)改善阻尼減振降噪性能的研究中,大多都只針對(duì)其單一特性進(jìn)行研究,如帶隙特性、振動(dòng)特性、聲輻射或隔聲特性等,而對(duì)周期阻尼結(jié)構(gòu)的綜合減振降噪性能關(guān)注較少。

鑒于此,以周期自由阻尼設(shè)計(jì)的板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,綜合探究周期自由阻尼板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與聲輻射特性,可以為自由阻尼減振降噪效果優(yōu)化和阻尼結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供新的借鑒。

1 仿真計(jì)算模型

圖1為基體板與兩種自由阻尼設(shè)計(jì)的板結(jié)構(gòu)示意圖。其中,基體板(basic plate, BASE)為單一組份結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)自由阻尼板(free layer damping, FLD)由基體板和整體敷設(shè)的阻尼層組成,周期自由阻尼板(periodic free layer damping, PFLD)由基體板和周期分布的阻尼單元構(gòu)成。為了消除質(zhì)量差異對(duì)阻尼減振降噪效果的影響,附加阻尼的質(zhì)量均保持一致?；w板尺寸為900 mm(長)×900 mm(寬)×2 mm(高),密度ρ1=3 000 kg/m3,彈性模量E1=70 GPa,泊松比ε1=0.3,不考慮基體板的阻尼。傳統(tǒng)阻尼層尺寸為900 mm(長)×900 mm(寬)×2 mm(高),周期阻尼層單元尺寸為50 mm(長)×50 mm(寬)×8 mm(高),周期阻尼單元數(shù)量為9×9個(gè),均勻分布在基體板上。阻尼層密度ρ2=1 300 kg/m3,彈性模量E2=12 MPa,泊松比ε2=0.45,損耗因子η=0.2。

圖1 不同阻尼設(shè)計(jì)的板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of plates with different damping designs

圖2 板結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射計(jì)算模型Fig.2 Vibration and acoustic radiation model of plate

(1)

(2)

2 仿真結(jié)果討論

2.1 周期自由阻尼設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)自由阻尼設(shè)計(jì)的振動(dòng)與聲輻射特性對(duì)比

圖3為未附加阻尼的基體板結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)自由阻尼板結(jié)構(gòu)和周期自由阻尼板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與聲輻射結(jié)果對(duì)比。可以看出,相比于傳統(tǒng)自由阻尼設(shè)計(jì),周期自由阻尼設(shè)計(jì)整體上可以進(jìn)一步抑制板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與聲輻射。具體來說,兩種阻尼設(shè)計(jì)方法在較低頻段的減振降噪效果相當(dāng),但是周期阻尼設(shè)計(jì)對(duì)于中高頻振動(dòng)與噪聲的抑制效果改善十分顯著,尤其是周期阻尼設(shè)計(jì)對(duì)板結(jié)構(gòu)峰值振動(dòng)和噪聲的抑制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)阻尼設(shè)計(jì)。

圖3 自由層阻尼板結(jié)構(gòu)的聲振響應(yīng)Fig.3 Acoustic and vibration responses of plates with free layer damping

然而,相比于減振效果的改善而言,周期自由阻尼設(shè)計(jì)對(duì)降噪效果的改善幅度相對(duì)較小。例如,在1 000～1 500 Hz范圍內(nèi),相比于傳統(tǒng)阻尼設(shè)計(jì),周期阻尼設(shè)計(jì)可以更加顯著地抑制板結(jié)構(gòu)的振動(dòng),但是對(duì)于輻射噪聲的進(jìn)一步抑制作用相對(duì)較小。這與板結(jié)構(gòu)的聲輻射效率變化有關(guān),周期阻尼設(shè)計(jì)及其更強(qiáng)的阻尼效果,會(huì)進(jìn)一步改變結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)與振動(dòng)分布,相應(yīng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)的輻射效率的變化。

可見,周期自由阻尼設(shè)計(jì)在不增大阻尼附加質(zhì)量的情況下,可以取得更好的減振降噪效果,同時(shí)也說明在相同的減振降噪水平下,周期自由阻尼設(shè)計(jì)更加有助于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。

2.2 參數(shù)影響分析

2.2.1 阻尼材料彈性模量的影響

針對(duì)阻尼材料彈性模量對(duì)周期自由阻尼作用效果的影響展開研究,其中,阻尼彈性模量分別取為12、120、1 200 MPa。圖4為不同阻尼單元彈性模量的周期自由阻尼板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與聲輻射響應(yīng)。

從圖4可以看出,在所考慮的參數(shù)變化范圍內(nèi),周期自由阻尼設(shè)計(jì)的減振降噪效果隨阻尼彈性模量增大而顯著增強(qiáng),并且相比于低頻段,在中高頻段阻尼彈性模量增大對(duì)振動(dòng)與噪聲的改善效果更明顯。此外,增大阻尼彈性模量對(duì)振動(dòng)的改善幅度比聲輻射更加顯著,這也與阻尼層彈性模量不同的板結(jié)構(gòu)的聲輻射效率不同有關(guān)?？梢?高彈性模量的阻尼材料將有助于獲得更好的減振降噪效果,合理利用這一特性有利于提升周期自由阻尼設(shè)計(jì)的減振降噪性能。

2.2.2 周期阻尼單元形狀的影響

針對(duì)阻尼單元形狀對(duì)周期自由阻尼作用效果的影響展開研究,如圖5所示,周期阻尼單元的截面形狀分別選用方形、圓形和環(huán)形,其中3種形狀的阻尼單元覆蓋面積和厚度均相同。圖6為不同阻尼單元形狀的周期自由阻尼板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與聲輻射響應(yīng)。

圖5 3種不同形狀的阻尼單元Fig.5 Damping units in three different shapes

可以看出,阻尼單元形狀變化對(duì)周期自由阻尼板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與噪聲響應(yīng)總體水平影響較小,但對(duì)特定頻段的板結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲的特性存在一定影響。具體來說,在3種形狀的阻尼單元中,環(huán)形阻尼單元對(duì)低頻振動(dòng)與噪聲的抑制效果相對(duì)較好;而在中高頻段,方形阻尼可以獲得較低的振動(dòng)與噪聲谷值。結(jié)果表明,周期阻尼單元的形狀對(duì)其總體減振降噪性能的影響較弱,但合理設(shè)計(jì)單元形狀有利于改善周期自由阻尼在特定頻段的減振降噪效果。

2.2.3 周期阻尼截面積的影響

針對(duì)阻尼單元覆蓋面積對(duì)周期自由阻尼作用效果的影響展開研究,其中阻尼截面形狀為方形,阻尼單元數(shù)量和體積不變,截面積分別取為30 mm×30 mm、50×50 mm和70 mm×70 mm,厚度相應(yīng)變化。圖7為不同阻尼單元截面積的周期自由阻尼板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與聲輻射響應(yīng)。

圖7 阻尼單元截面積的影響Fig.7 Effect of sectional area on the periodic damping design

可以看出,在所考慮的參數(shù)變化范圍內(nèi),當(dāng)阻尼單元截面積越小,即厚度越厚時(shí),周期自由阻尼設(shè)計(jì)展現(xiàn)出更好的寬頻減振和降噪性能。尤其是對(duì)振動(dòng)的抑制效果改善十分顯著。原因在于:當(dāng)周期自由阻尼單元的厚度變厚時(shí),阻尼單元將類似于懸臂梁結(jié)構(gòu),其作用在一定程度上接近于質(zhì)量-彈簧系統(tǒng),與動(dòng)力吸振器原理相似,進(jìn)而可以有效抑制基體結(jié)構(gòu)振動(dòng)。然而,截面積變小對(duì)噪聲的抑制作用改善幅度相對(duì)較小,這也在一定程度上歸結(jié)于截面積變化所造成的周期自由阻尼板結(jié)構(gòu)聲輻射效率的變化。

2.2.4 周期阻尼單元粘貼角度的影響

針對(duì)阻尼單元粘貼角度對(duì)周期自由阻尼作用效果的影響展開研究,以方形阻尼單元為例,粘貼角度α如圖8所示,分別取粘貼角度為0°、30°和45°的板結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。

圖8 粘貼角度示意圖Fig.8 Paste angle diagram

圖9為不同阻尼單元粘貼角度下的周期自由阻尼板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與聲輻射響應(yīng)。可以看出,阻尼單元粘貼角度對(duì)周期自由阻尼板的總體振動(dòng)與聲輻射特性產(chǎn)生的影響較小。具體而言,在較低頻段,粘貼角度的變化對(duì)周期自由阻尼設(shè)計(jì)的減振降噪效果影響較小,但是隨著頻率的增大,不同阻尼單元粘貼角度的板結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射特性會(huì)發(fā)生相對(duì)明顯的變化,主要集中在共振頻率和幅值的變化;另外,當(dāng)粘貼角度變化較小時(shí),基本可以認(rèn)為不會(huì)對(duì)板結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)與噪聲水平產(chǎn)生太大影響。例如,α由30°變化到45°時(shí),板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與噪聲曲線僅有峰值大小的細(xì)微差異。這說明在實(shí)際應(yīng)用過程中,周期阻尼單元的粘貼角度存在細(xì)微偏差不會(huì)明顯改變周期自由阻尼板預(yù)設(shè)的減振降噪效果。

圖9 周期單元粘貼角度對(duì)周期阻尼設(shè)計(jì)的影響Fig.9 Effect of paste angle on the periodic damping design

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

采用的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由支撐系統(tǒng)、傳感器、控制與采集系統(tǒng)、激振系統(tǒng)等部分構(gòu)成,相關(guān)實(shí)驗(yàn)在消聲室內(nèi)完成。板結(jié)構(gòu)通過細(xì)鐵絲懸掛在鋁型材橫梁上,模擬自由邊界條件,通過1個(gè)力傳感器、2個(gè)加速度傳感器和2個(gè)傳聲器,分別測(cè)量激勵(lì)大小和不同位置處的振動(dòng)加速度與輻射聲壓,各傳感器位置如圖10所示。兩個(gè)傳聲器其中一個(gè)正對(duì)板結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)正上方50 mm處,另一個(gè)與該點(diǎn)垂直于板面的法線成45°夾角,二者與該點(diǎn)距離均為1 m。兩個(gè)加速度傳感器中的一個(gè)靠近激勵(lì)位置,另一個(gè)遠(yuǎn)離激勵(lì)位置,激勵(lì)點(diǎn)位于板結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)偏上的位置?？刂婆c數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由控制分析計(jì)算機(jī)和集成數(shù)據(jù)采集器組成;激勵(lì)系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和激振器,激勵(lì)信號(hào)選用白噪聲,帶寬5 kHz、信號(hào)幅值為1 Vpp。實(shí)驗(yàn)樣件的尺寸與仿真模型相同,基體板材料選用鋁合金,阻尼材料選用丁腈橡膠。為了消除激勵(lì)力大小差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)均進(jìn)行了激勵(lì)力的歸一化處理。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

圖11為不同阻尼設(shè)計(jì)板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度級(jí)和輻射聲壓級(jí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,且二者均為加速度傳感器2和傳聲器2的測(cè)試數(shù)據(jù)。首先,由圖11(a)可知,與仿真研究結(jié)果相似,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明周期自由阻尼設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步提升板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)抑制效果(特別是中高頻段),但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示的周期自由阻尼設(shè)計(jì)對(duì)減振效果的改善頻段比仿真結(jié)果更寬,抑制幅度也更大。其次,如圖11(b)所示,周期自由阻尼設(shè)計(jì)對(duì)板結(jié)構(gòu)聲輻射抑制效果的改善幅度并不像對(duì)振動(dòng)那般顯著,這也與仿真研究結(jié)果吻合,說明了周期自由阻尼設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)聲輻射效率發(fā)生了變化。此外,在部分頻段也出現(xiàn)了降噪效果變差的現(xiàn)象(如1 300 Hz附近)。

圖11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of experimental results

實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本驗(yàn)證了仿真研究總體規(guī)律的正確性,但是二者也存在部分差異,其原因是多方面的。首先,與實(shí)驗(yàn)板結(jié)構(gòu)約束方式、阻尼單元的粘貼質(zhì)量、測(cè)點(diǎn)及激勵(lì)位置偏差等因素有關(guān);其次,實(shí)驗(yàn)測(cè)試的特定位置結(jié)果,在某種程度上僅能反映板結(jié)構(gòu)局部的振動(dòng)與聲輻射特性,而仿真結(jié)果給出的是整體的特性;此外,實(shí)際阻尼材料的損耗因子和彈性模量通常具有頻變特性,且二者都有隨頻率增大的趨勢(shì)(如文獻(xiàn)[13]中所示),而仿真中為了模型的簡化均采用常數(shù)損耗因子和彈性模量進(jìn)行的計(jì)算。

4 結(jié)論

針對(duì)周期自由阻尼設(shè)計(jì)的板結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射特性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)比了周期自由阻尼設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)自由阻尼設(shè)計(jì)的減振降噪特性,并分析了不同參數(shù)對(duì)周期自由阻尼板結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射特性的影響。得出如下結(jié)論。

(1)周期自由阻尼設(shè)計(jì)在不增大阻尼附加質(zhì)量的情況下可以取得更好的減振降噪效果(尤其是在中高頻段),這也表明在相同的減振降噪水平情況下,周期自由阻尼設(shè)計(jì)更加有助于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化;但周期自由阻尼設(shè)計(jì)也會(huì)改變板結(jié)構(gòu)的聲輻射效率,使其對(duì)噪聲抑制效果的改善幅度相對(duì)降低。

(2)適當(dāng)選用彈性模量較大的阻尼材料、合理設(shè)計(jì)阻尼單元形狀以及適當(dāng)減小阻尼單元截面積都有利于提高周期自由阻尼設(shè)計(jì)的減振降噪效果;而阻尼單元粘貼角度的細(xì)微差異對(duì)其作用效果影響較小,在實(shí)際工程應(yīng)用中粘貼角度的小范圍偏差并不會(huì)影響周期自由阻尼設(shè)計(jì)的整體性能。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有相似的特性規(guī)律,在一定程度上驗(yàn)證了仿真規(guī)律的正確性。