机械激励下的板件声学包装中频段插入损失研究

 
 
摘要:提出了一种混合FE-SEA模型用于预测机械激励下声学包装的中频段插人损失,与验证试验进行对比, 其准确性得到了验证。基于此模型,通过改变两种典型的声学包装的设计参数,得到了其插人损失随设计参数变化的规 律,即决定插人损失峰谷值频率特性的敏感要素是对整体模态特性影响最大的参数;最后给出结论,当机械激励下的结构 声传播为主要传播路径时,板件应选择覆盖层为均勻质量层的声学包装。
 
关键词:混合FE - SEA ;结构声传播;中频;声学包装;插人损失 中图分类号:TB532 文献标识码:A
 
汽车、飞机以及船舶的板件声学包装对产品的内 部噪声控制起着至关重要的作用,现代设计方法需要 在概念设计阶段对产品的声学性能进行了解和掌握, 就需要对其声学性能进行准确而迅速地预测。板件声 学性能主要由吸收系数和声传递损失(Sound transmission loss)等参数进行评价。对于板件声学包装性能的 研究多集中在空气传播声的传递损失研究。但当传播 路径上机械传播声为主要控制对象时,对这种情况下 的声学包装性涵的研究则鲜见报道。
 
对机械传播声下的声学包装性能可以使用插入损 失来进行评估⑴。获取声学包装插入损失的方法主要 有测试手段和预测方法。测试手段可以根据已有的测 试标准进行测试,而预测的常用方法有统计能量分析 
基金项目:高速铁路重大关键技术及装备研制(863项目资助);国际科 技合作项目(2007DFB50150)
 
SEA方法在高频段具有较高的精度,但由于需要 较高的模态密度来作为统计样本,不适用于中低频段。 Robert与Gmikw利用修正的SEA方法对复合板质量 控制区的声传递损失进行了预测和分析,并与试验结 果进行了分析和对比,发现该修正的SEA方法预测复 合板件在质量控制区的传递损失性能相符。Liu和 Taom利用SEA方法对汽车仪表板的声传递损失进行 了预测和仿真,并与试验结果进行对比,在中高频段定 性趋势与试验结果符合较好,但是在模态控制区的传 递损失与试验结果相比误差较大。
 
FEM方法在低频段应用广泛,预测精确,尤其是对 于各种复杂的结构、不同边界条件及载荷下的传递损 失更加有效。但是由于在模态密集的中高频段需要较 为致密的单元,且声学包装的单元处理较为复杂,导致 计算成本过高,并没有得到广泛的应用。Lee与Ng[4] 研究了加筋板在密闭声学空间内的声学插入损失,对 板件部分采用有限元模型,而对于声学空间部分则采 用文献[5]中提到的解决方案,研究了边界条件、加强 筋、声学空间模态以及结构模态对插入损失的影响。 其分析频段主要局限于板件的模态控制区,对于模态 密集处的声插入损失预测会出现较大误差。Hong与
 
Raveendra[6]和陈馨蕊、郝志勇[7]利用有限元方法对汽 车前围板的声学传递损失进行了预测和分析。在他们 的研究中,半球形的声场部分采用了有限单元进行建 模,在模态控制区其预测结果与试验结果比较相符,但 是对于模态密集的中高频处,其预测精度同样会下降。 同时,该方法对于仪表板的声学包装的处理存在相当 的困难,为后续的声学包装设计带来困难。
 
TMM方法对受到声学激励的传递损失的预测较为 准确,得到了广泛的应用。但对于机械激励下的传递 损失计算很少见诸于文献。Attala™利用TMM方法对 在声学及机械激励下加筋板传递损失进行了预测,并 与传统的FEM方法、Wave - based方法进行了对比,同 时也与试验结果进行了分析对比,得出该方法的计算 速度比传统的FEM方法要迅速,预测结果也是可以接 受的。但这种方法对施加在其上的声学包装的计算及 设计面临着困难。
 
本文利用混合FE - SEA方法建立了板件声学包 装中频段插入损失预测模型,计算速度快,计算精度与 试验符合较好,对声学包装等参数的处理也比较方便。 利用该模型改变声学包装的设计要素,并对不同要素 变化时的插人损失进行了预测,得出具有一般意义的 结论。
 
本文分为三个部分:首先建立插入损失的理论模 型、试验模型、混合FE - SEA预测模型和计算及数据 后处理流程;其次,利用混合FE - SEA模型对两种特 殊的声学包装进行了预测,并与试验结果进行比较;最 后,基于建立的混合FE - SEA模型对各设计要素的变 化时,对声学包装在机械激励下的插人损失变化规律 进行了研究,得出了一般性的结论,为机械激励下的声 学包装设计提供了指导性的建议。
 
1插入损失模型
 
1.1理论模型
 
声学包装的插人损失定义为施加了声学包装板件 的传递损失减去无任何声学包装的板件的传递损 失[8]。如
 
其中:P。为流体密度,cQ为声波在流体中的传播速度,4 为模型辐射面积,〃2为模型响应速度的均方根值为 模型的辐射效率。p0c0为流体的特性阻抗。
 
1.2试验模型
 
根据1990年修订的SAE J 400汽车材料及总成的 隔音性能试验室测量标准,测试装置由一块1 mm厚钢 板(0.9x0. 6 m2)及分别施加其上的两种典型声学包 装和激振器组成。钢板镶嵌在混响室和半消声室中间 的隔墙上,在激励点布置一个加速度传感器和力传感 器,以得到激励点的输人功率。辐射声功率由声强探 头测得,声强探头置于半消声室内。为防止激振器产 生辐射声场而影响测试精度,采用一定的封装隔声措 施密封,试验场地和测试结果由项目合作伙伴提供。
 
1.3 混合FE-SEA模型
 
在商业软件VA One中建立混合FE-SEA模型。 对板件部分采用FEM建模,简支边界条件,分析带宽 为100~630 Hz,每个波长下至少划分6个网格,生成 1 275个四边形壳单元。外部直达声场采用软件中的 SIF(Semi infinite fluid,半无限大流体)模块建立,SIF 与有限元子结构外部的FE Faces建立连接,表示该有 限元子系统向SIF辐射声能。激励力在与试验激励相 同部位施加单位力激励。激励力幅值与试验中的并不 相同,原因是插人损失理论上与激励力的幅值并无 关系。
 
测试和仿真对象为两种典型的声学包:轻质的泡 沫层覆盖声学包(Foam-backed)和重质的质量层声学 包装(Septum-backed,图3)。夹心层、泡沫覆盖层以及 质量层的材料参数如表1所示。为了方便起见,本文 余下部分分别用FB和SB来代表泡沫层覆盖声学包和 质量层覆盖声学包。建模时,在声学包装和基板板件 之间需要添加1 mm的空气层,以防止预测结果出现较 大的误差[9]。
 
1.4计算流程和数据处理 1.4.1 FE 子系统和 FEFace
 
在VA One中首先建立平板SEA系统,利用自带 网格剖分工具对SEA系统进行剖分并建立平板的FE 子系统,同时删除原SEA子系统,在生成FE子系统的 同时会在FE的表面生成FE Face子系统。在VA One 中,FE Face的作用是与其他相邻子系统进行连接,如 SEA子系统、BEM子系统及FE声学空腔子系统,同时 也是各种均布声学激励和声学包装的施加部位。
 
1.4.2激励和消声室
 
在FE子系统上,与验证试验中激励力施加的相同 部位处施加点力激励。消声室采用SIF来进行模拟, FE子系统与SIF建立连接,表示该子系统向此半无限 大声场辐射能量,并且无反射,流场介质默认为空气, SIF的人射声功率就是透射侧的声功率。
 
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