機(jī)械激勵(lì)下的板件聲學(xué)包裝中頻段插入損失研究

盧兆剛，郝志勇，鄭 旭，楊 驥

(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)系，杭州 310027)

汽車(chē)、飛機(jī)以及船舶的板件聲學(xué)包裝對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)部噪聲控制起著至關(guān)重要的作用，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法需要在概念設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品的聲學(xué)性能進(jìn)行了解和掌握，就需要對(duì)其聲學(xué)性能進(jìn)行準(zhǔn)確而迅速地預(yù)測(cè)。板件聲學(xué)性能主要由吸收系數(shù)和聲傳遞損失(Sound transmission loss)等參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于板件聲學(xué)包裝性能的研究多集中在空氣傳播聲的傳遞損失研究。但當(dāng)傳播路徑上機(jī)械傳播聲為主要控制對(duì)象時(shí)，對(duì)這種情況下的聲學(xué)包裝性能的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。

對(duì)機(jī)械傳播聲下的聲學(xué)包裝性能可以使用插入損失來(lái)進(jìn)行評(píng)估［1］。獲取聲學(xué)包裝插入損失的方法主要有測(cè)試手段和預(yù)測(cè)方法。測(cè)試手段可以根據(jù)已有的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，而預(yù)測(cè)的常用方法有統(tǒng)計(jì)能量分析(SEA，Statistical Energy Analysis)方法、有限元方法(FEM Finite Element Method)和傳遞矩陣法(TMM，Transfer Matrix Method)。

SEA方法在高頻段具有較高的精度，但由于需要較高的模態(tài)密度來(lái)作為統(tǒng)計(jì)樣本，不適用于中低頻段。Robert與Graik［2］利用修正的SEA方法對(duì)復(fù)合板質(zhì)量控制區(qū)的聲傳遞損失進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該修正的SEA方法預(yù)測(cè)復(fù)合板件在質(zhì)量控制區(qū)的傳遞損失性能相符。Liu和Tao［3］利用SEA方法對(duì)汽車(chē)儀表板的聲傳遞損失進(jìn)行了預(yù)測(cè)和仿真，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在中高頻段定性趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果符合較好，但是在模態(tài)控制區(qū)的傳遞損失與試驗(yàn)結(jié)果相比誤差較大。

FEM方法在低頻段應(yīng)用廣泛，預(yù)測(cè)精確，尤其是對(duì)于各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、不同邊界條件及載荷下的傳遞損失更加有效。但是由于在模態(tài)密集的中高頻段需要較為致密的單元，且聲學(xué)包裝的單元處理較為復(fù)雜，導(dǎo)致計(jì)算成本過(guò)高，并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。Lee與Ng［4］研究了加筋板在密閉聲學(xué)空間內(nèi)的聲學(xué)插入損失，對(duì)板件部分采用有限元模型，而對(duì)于聲學(xué)空間部分則采用文獻(xiàn)［5］中提到的解決方案，研究了邊界條件、加強(qiáng)筋、聲學(xué)空間模態(tài)以及結(jié)構(gòu)模態(tài)對(duì)插入損失的影響。其分析頻段主要局限于板件的模態(tài)控制區(qū)，對(duì)于模態(tài)密集處的聲插入損失預(yù)測(cè)會(huì)出現(xiàn)較大誤差。Hong與Raveendra［6］和陳馨蕊、郝志勇［7］利用有限元方法對(duì)汽車(chē)前圍板的聲學(xué)傳遞損失進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析。在他們的研究中，半球形的聲場(chǎng)部分采用了有限單元進(jìn)行建模，在模態(tài)控制區(qū)其預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較相符，但是對(duì)于模態(tài)密集的中高頻處，其預(yù)測(cè)精度同樣會(huì)下降。同時(shí)，該方法對(duì)于儀表板的聲學(xué)包裝的處理存在相當(dāng)?shù)睦щy，為后續(xù)的聲學(xué)包裝設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

TMM方法對(duì)受到聲學(xué)激勵(lì)的傳遞損失的預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，得到了廣泛的應(yīng)用。但對(duì)于機(jī)械激勵(lì)下的傳遞損失計(jì)算很少見(jiàn)諸于文獻(xiàn)。Attala［8］利用TMM方法對(duì)在聲學(xué)及機(jī)械激勵(lì)下加筋板傳遞損失進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與傳統(tǒng)的FEM方法、Wave－based方法進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)也與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比，得出該方法的計(jì)算速度比傳統(tǒng)的FEM方法要迅速，預(yù)測(cè)結(jié)果也是可以接受的。但這種方法對(duì)施加在其上的聲學(xué)包裝的計(jì)算及設(shè)計(jì)面臨著困難。

本文利用混合FE－SEA方法建立了板件聲學(xué)包裝中頻段插入損失預(yù)測(cè)模型，計(jì)算速度快，計(jì)算精度與試驗(yàn)符合較好，對(duì)聲學(xué)包裝等參數(shù)的處理也比較方便。利用該模型改變聲學(xué)包裝的設(shè)計(jì)要素，并對(duì)不同要素變化時(shí)的插入損失進(jìn)行了預(yù)測(cè)，得出具有一般意義的結(jié)論。

本文分為三個(gè)部分:首先建立插入損失的理論模型、試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒒旌螰E－SEA預(yù)測(cè)模型和計(jì)算及數(shù)據(jù)后處理流程;其次，利用混合FE－SEA模型對(duì)兩種特殊的聲學(xué)包裝進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較;最后，基于建立的混合FE－SEA模型對(duì)各設(shè)計(jì)要素的變化時(shí)，對(duì)聲學(xué)包裝在機(jī)械激勵(lì)下的插入損失變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了一般性的結(jié)論，為機(jī)械激勵(lì)下的聲學(xué)包裝設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)性的建議。

1 插入損失模型

1.1 理論模型

聲學(xué)包裝的插入損失定義為施加了聲學(xué)包裝板件的傳遞損失減去無(wú)任何聲學(xué)包裝的板件的傳遞損失［8］。如式(1)所示:其中的∏是指輸入功率或輻射功率，輸入功率式(2)定義:

輻射功率由式(3)定義:其中:ρ0為流體密度，c0為聲波在流體中的傳播速度，A為模型輻射面積，v2為模型響應(yīng)速度的均方根值，σ為模型的輻射效率。ρ0c0為流體的特性阻抗。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)1990年修訂的SAE J 400汽車(chē)材料及總成的隔音性能試驗(yàn)室測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試裝置由一塊1 mm厚鋼板(0.9×0.6 m2)及分別施加其上的兩種典型聲學(xué)包裝和激振器組成。鋼板鑲嵌在混響室和半消聲室中間的隔墻上，在激勵(lì)點(diǎn)布置一個(gè)加速度傳感器和力傳感器，以得到激勵(lì)點(diǎn)的輸入功率。輻射聲功率由聲強(qiáng)探頭測(cè)得，聲強(qiáng)探頭置于半消聲室內(nèi)。為防止激振器產(chǎn)生輻射聲場(chǎng)而影響測(cè)試精度，采用一定的封裝隔聲措施密封，試驗(yàn)場(chǎng)地和測(cè)試結(jié)果由項(xiàng)目合作伙伴提供。

1.3 混合FE-SEA模型

在商業(yè)軟件VA One中建立混合FE-SEA模型。對(duì)板件部分采用FEM建模，簡(jiǎn)支邊界條件，分析帶寬為100～630 Hz，每個(gè)波長(zhǎng)下至少劃分6個(gè)網(wǎng)格，生成1 275個(gè)四邊形殼單元。外部直達(dá)聲場(chǎng)采用軟件中的SIF(Semi infinite fluid，半無(wú)限大流體)模塊建立，SIF與有限元子結(jié)構(gòu)外部的FE Faces建立連接，表示該有限元子系統(tǒng)向SIF輻射聲能。激勵(lì)力在與試驗(yàn)激勵(lì)相同部位施加單位力激勵(lì)。激勵(lì)力幅值與試驗(yàn)中的并不相同，原因是插入損失理論上與激勵(lì)力的幅值并無(wú)關(guān)系。

測(cè)試和仿真對(duì)象為兩種典型的聲學(xué)包:輕質(zhì)的泡沫層覆蓋聲學(xué)包(Foam-backed)和重質(zhì)的質(zhì)量層聲學(xué)包裝(Septum-backed，圖3)。夾心層、泡沫覆蓋層以及質(zhì)量層的材料參數(shù)如表1所示。為了方便起見(jiàn)，本文余下部分分別用FB和SB來(lái)代表泡沫層覆蓋聲學(xué)包和質(zhì)量層覆蓋聲學(xué)包。建模時(shí)，在聲學(xué)包裝和基板板件之間需要添加1 mm的空氣層，以防止預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差［9］。

1.4 計(jì)算流程和數(shù)據(jù)處理

1.4.1 FE 子系統(tǒng)和 FE Face

在VA One中首先建立平板SEA系統(tǒng)，利用自帶網(wǎng)格剖分工具對(duì)SEA系統(tǒng)進(jìn)行剖分并建立平板的FE子系統(tǒng)，同時(shí)刪除原SEA子系統(tǒng)，在生成FE子系統(tǒng)的同時(shí)會(huì)在FE的表面生成FE Face子系統(tǒng)。在VA One中，F(xiàn)E Face的作用是與其他相鄰子系統(tǒng)進(jìn)行連接，如SEA子系統(tǒng)、BEM子系統(tǒng)及FE聲學(xué)空腔子系統(tǒng)，同時(shí)也是各種均布聲學(xué)激勵(lì)和聲學(xué)包裝的施加部位。

1.4.2 激勵(lì)和消聲室

在FE子系統(tǒng)上，與驗(yàn)證試驗(yàn)中激勵(lì)力施加的相同部位處施加點(diǎn)力激勵(lì)。消聲室采用SIF來(lái)進(jìn)行模擬，F(xiàn)E子系統(tǒng)與SIF建立連接，表示該子系統(tǒng)向此半無(wú)限大聲場(chǎng)輻射能量，并且無(wú)反射，流場(chǎng)介質(zhì)默認(rèn)為空氣，SIF的入射聲功率就是透射側(cè)的聲功率。

圖1 試驗(yàn)組成Fig.1 Test setup

圖2 混合FE-SEA模型Fig.2 Hybrid FE-SEA model

1.4.3 計(jì)算有限元模態(tài)特性及參數(shù)

對(duì)有限元子系統(tǒng)的邊界處所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行3個(gè)平動(dòng)自由度的約束，建立簡(jiǎn)支邊界條件。在板件的透射側(cè)的FE Face上分別施加FB和SB聲學(xué)包后，利用有限元自帶的計(jì)算程序得到該約束板件的模態(tài)參數(shù)，包括模態(tài)振型矩陣、模態(tài)頻率、質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、模態(tài)密度等。

1.4.4 最終計(jì)算

在得到有限元板件系統(tǒng)的模態(tài)信息后，提交最終計(jì)算，得到了施加了聲學(xué)包裝后的板件輸入功率和SIF的入射功率等參數(shù)。

圖3 聲學(xué)包裝結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the sound-package

表1 纖維夾心層、泡沫層以及質(zhì)量層參數(shù)特性Tab.1 Characteristic of fibrous，foam and septum

1.4.5 數(shù)據(jù)后處理

首先利用軟件計(jì)算到光板的FE子系統(tǒng)的輸入功率和SIF的入射功率，然后再計(jì)算施加了兩種聲學(xué)包裝的輸入功率和入射功率，利用式(1)進(jìn)行計(jì)算，得到了各頻段下的兩種聲學(xué)包裝的插入損失。

2 混合FE-SEA計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

汽車(chē)的中低頻計(jì)算與仿真一直是業(yè)界的難題之一［10］。車(chē)用板件中低頻帶分布在 0 ～500 Hz［10］。0 ～100 Hz的低頻段使用FEM方法可以比較準(zhǔn)確的計(jì)算，本文主要分析在100～630 Hz的中頻帶，1/3倍頻程。兩種聲學(xué)包裝的測(cè)試結(jié)果和混合FE-SEA方法預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比如下:

圖4 FB與SB插入損失的計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of IL between predicted and the test results

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械激勵(lì)下，兩種聲學(xué)包裝的中頻段插入損失，模型預(yù)測(cè)結(jié)果和測(cè)試結(jié)果在趨勢(shì)上較為相符。誤差基本在3 dB以?xún)?nèi)，是工程可以接受的誤差范圍，F(xiàn)B聲學(xué)包的預(yù)測(cè)精度比SB的預(yù)測(cè)精度要差，并且FB聲學(xué)包誤差在500 Hz以后有增大的趨勢(shì)。在仿真模型中，聲學(xué)包裝的插入損失低谷在315 Hz，而測(cè)試的結(jié)果在分別在200 Hz和250 Hz。原因可能是安裝誤差使測(cè)試的模型邊界條件并不是準(zhǔn)確的簡(jiǎn)支邊界條件，造成了測(cè)試和仿真構(gòu)件動(dòng)態(tài)特性的差別。

FB聲學(xué)包與SB聲學(xué)包的插入損失在100～315 Hz頻段上有明顯差別，后者比前者要高;在200 Hz時(shí)SB的插入損失達(dá)到最大值，而FB則基本上在125～160處有著最大的插入損失。兩者的插入損失低谷也不同，對(duì)于FB而言，插入損失的低谷值依然為正值，而SB在250～315 Hz頻段上的插入損失為負(fù)值。究其原因，SB聲學(xué)包的外層質(zhì)量覆蓋層－夾心層－基板板件組成了雙層隔聲結(jié)構(gòu)，第一個(gè)隔聲低谷出現(xiàn)在“雙層板共振頻率”處，頻率一般在 300 ～500 Hz［10］，當(dāng)夾心層由空氣變成柔性介質(zhì)時(shí)，頻率點(diǎn)還要降低15%。而FB的聲學(xué)包都是細(xì)聲性能較好的輕質(zhì)材料，不符合雙層隔聲結(jié)構(gòu)的特征。

上述結(jié)果表明，利用混合 FE－SEA模型預(yù)測(cè)聲學(xué)包裝在中頻段的插入損失的精度是滿(mǎn)足工程要求的。利用該模型，對(duì)聲學(xué)包裝的夾心層厚度、夾心層流阻率、背后空氣層厚度及板件材料屬性等參數(shù)對(duì)插入損失的影響進(jìn)行研究，得出有意義的結(jié)論，為聲學(xué)包裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有指導(dǎo)性的意見(jiàn)。

3 參數(shù)改變對(duì)插入損失的影響

3.1 夾心層厚度的影響

為了研究夾心層厚度對(duì)兩種聲學(xué)包裝插入損失的影響，將夾心層的厚度從5～30 mm范圍內(nèi)改變，改變步長(zhǎng)為5 mm，計(jì)算結(jié)果如圖5所示:

圖5 厚度變化時(shí)的插入損失計(jì)算結(jié)果Fig.5 IL results from variant core thickness

由圖5(a)可以看出，夾心層厚度對(duì)FB聲學(xué)包的插入損失在100～250 Hz頻帶上有顯著影響。隨著厚度的增加，插入損失隨之增加，當(dāng)由5 mm至10 mm時(shí)，增加幅度最大，但隨著厚度的繼續(xù)增加，帶來(lái)的益處也在減小?？紤]到成本的限制，10～15 mm的夾心層厚度比較合適。

由圖5(b)可以看出，夾心層厚度對(duì)SB聲學(xué)包的插入損失在100～400 Hz頻帶上有顯著影響，且變化規(guī)律較為復(fù)雜。當(dāng)從5 mm變化至20 mm時(shí)，100～200 Hz頻段的插入損失還是隨著厚度的增加而增加的，但當(dāng)厚度變?yōu)?5～30 mm時(shí)，插入損失在125 Hz處迅速下降。且隨著厚度的增加，聲學(xué)包裝的隔聲峰值頻率點(diǎn)也有后移的趨勢(shì)。從圖上還可以看出，夾心層厚度對(duì)聲學(xué)包裝的插入損失低谷卻沒(méi)有影響，但是低谷處插入損失的幅值卻隨著厚度的增加而下降。

不同的夾心層厚度帶給兩種聲學(xué)包裝不同的插入損失變化規(guī)律，這主要還是由于兩種聲學(xué)包裝覆蓋層的不同所造成。由于所關(guān)注的是機(jī)械激勵(lì)下的插入損失，決定這種插入損失的是包括了基板板件和聲學(xué)包裝在內(nèi)的結(jié)構(gòu)整體模態(tài)特性。夾心層厚度的變化使整體厚度發(fā)生改變。對(duì)于FB聲學(xué)包，由于泡沫材料是輕質(zhì)材料，聲學(xué)包對(duì)系統(tǒng)的模態(tài)特性影響較小，夾心層厚度變化不會(huì)對(duì)整體模態(tài)特性帶來(lái)顯著影響，只是增加夾心層的總聲流阻，所以插入損失的變化只是幅值的改變，而不牽涉到峰谷值頻率特性的改變。SB聲學(xué)包就截然不同，由于覆蓋層對(duì)聲學(xué)包裝而言是均勻質(zhì)量層，面密度達(dá)到4 kg·m－2，對(duì)板件系統(tǒng)的模態(tài)特性有著關(guān)鍵性的影響。當(dāng)夾心層厚度變化時(shí)，系統(tǒng)的整體厚度發(fā)生改變，不僅夾心層的總流阻發(fā)生改變，模態(tài)特性也發(fā)生了變化。同時(shí)，SB聲學(xué)包的質(zhì)量覆蓋層與板件及夾心層組成了雙層隔聲結(jié)構(gòu)，夾心層厚度的變化造成了構(gòu)件“雙層板共振”頻率的改變，所以此時(shí)插入損失的改變不僅僅是幅值的變化，還牽涉到隔聲低谷和峰值頻率點(diǎn)的移動(dòng)。

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，夾心層厚度變化可以具有輕質(zhì)覆蓋層的FB聲學(xué)包的插入損失帶來(lái)影響，但只是在100～250 Hz的頻段內(nèi)帶來(lái)幅值上的變化，且變化量在1～3 dB之間，插入損失的峰谷值頻率特性卻變化不大。而對(duì)于面密度較大質(zhì)量覆蓋層的SB聲學(xué)包裝而言，夾心層厚度的變化對(duì)插入損失的影響不僅僅是數(shù)值上的改變，峰谷值頻率特性也得到了很大的改變。究其原因，對(duì)機(jī)械激勵(lì)下對(duì)聲學(xué)包裝插入損失峰谷值頻率特性影響最大的，是包括基板板件和聲學(xué)包裝在內(nèi)的構(gòu)件整體模態(tài)特性，哪個(gè)參數(shù)對(duì)整體模態(tài)特性影響最大，插入損失的峰谷值頻率特性對(duì)哪個(gè)參數(shù)就最敏感。

3.2 夾心層流阻率的影響

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，再改變一個(gè)對(duì)整體模態(tài)特性影響不大的參數(shù):夾心層流阻率。令其從10 000～60 000(N·s·m－4)之間變化，步長(zhǎng)為10 000，研究?jī)煞N聲學(xué)包插入損失的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果如圖6所示:

圖6表明，當(dāng)夾心層的流阻率由10 000～60 000(N·s·m－4)變化時(shí)，兩種聲學(xué)包裝的插入損失只是在幅值發(fā)生變化，峰谷值頻率特性卻不會(huì)發(fā)生改變。

雖然幅值上會(huì)發(fā)生改變，但SB聲學(xué)包的插入損失所受到的影響要小于FB聲學(xué)包，其原因依然在于夾心層的外部覆蓋層。有研究表明，當(dāng)聲學(xué)包裝的流阻為空氣特性阻抗的 2～4倍，即流阻在800～1 600(N·s·m－3)時(shí)，該聲學(xué)包裝有著最好的吸聲效果［1］。因?yàn)閵A心層的流阻率為33 000(N·s·m－4)，厚度為12.5 mm，所以其流阻為 412.5(N·s·m－3)，泡沫覆蓋層的流阻為 87 000 ×0.005=435(N·s·m－3)，所以FB聲學(xué)包的總流阻為847.5(N·s·m－3)，理論上有較好的吸聲效果，而SB聲學(xué)包的覆蓋層為質(zhì)量層，流阻率可以認(rèn)為無(wú)限大，夾心層流阻率的變化與其插入損失關(guān)系不大。

圖6 流阻率變化時(shí)的插入損失計(jì)算結(jié)果Fig.6 IL results from variant core flow-resistivity

3.3 聲學(xué)包裝背后空氣層厚度的影響

圖7 空氣層厚度變化時(shí)的插入損失計(jì)算結(jié)果Fig.7 IL results from variant air-gaps thickness

有峰值大小的改變。對(duì)于SB，在160～315 Hz的頻帶內(nèi)插入損失的幅值和峰谷值頻率特性改變都很大。尤其是在200 Hz處，當(dāng)空氣層厚度為1 mm和2 mm時(shí)為插入損失的極大值點(diǎn)。與FB不同的改變趨勢(shì)的原因，與夾心層厚度變化帶來(lái)的影響是一樣的:空氣層厚度的變化造成了構(gòu)件的模態(tài)特性的變化。但需要注意的是，并不是空氣層厚度越大插入損失的效果越好，在空氣層厚度為5 mm時(shí)，F(xiàn)B與SB聲學(xué)包的插入損失全面下降。因此，設(shè)置空氣層厚度為1～2 mm最佳。

通過(guò)上述分析，發(fā)現(xiàn)聲學(xué)包裝與基板板件之間的附著安裝條件可以通過(guò)設(shè)置一定厚度的空氣層來(lái)近似代替，厚度設(shè)置為1～2 mm最佳。

3.4 基板板件材料的影響

原基板板件為鋼板，將其換作高阻尼復(fù)合板材(MPS)，研究板件材料屬性的變化對(duì)聲學(xué)包裝插入損失影響的規(guī)律。復(fù)合板件的總厚度與原板件相同，都為1 mm，由兩塊薄鋼板及位于其中的粘彈性薄板組成。其各層屬性如表2所示，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

表2 MPS各層材料屬性Tab.2 characteristic of the MPS panel

圖8表明，當(dāng)構(gòu)件的基板是具有高損耗因子的復(fù)合阻尼板時(shí)，F(xiàn)B聲學(xué)包在機(jī)械激勵(lì)下的插入損失可以

下面考慮夾心層背后空氣層厚度的影響。汽車(chē)的聲學(xué)處理中，聲學(xué)包裝中的夾心層一般和板件有一定的空氣層間隔，如頂棚的聲學(xué)包裝［10］。目的是為了形成空氣聲腔，和兩側(cè)結(jié)構(gòu)組成雙層隔聲結(jié)構(gòu)，有效阻隔外部空氣聲的傳遞。在本文的驗(yàn)證試驗(yàn)中，夾心層與板件之間不是直接黏結(jié)，而是附著其上，由于夾心層材質(zhì)較軟，剛度較小，和板件貼附并不緊密，在對(duì)聲學(xué)包裝建模時(shí)需要考慮這種安裝條件。為了分析這種附著安裝條件下設(shè)置空氣層與否和設(shè)置的厚度為多少，將空氣層厚度由0～5 mm范圍內(nèi)變化，步長(zhǎng)為1 mm，計(jì)算結(jié)果如圖7所示:

圖7表明，建模時(shí)如果不考慮空氣層的影響，預(yù)測(cè)的插入損失誤差將會(huì)非常大。對(duì)FB聲學(xué)包的影響有100～160 Hz，315～630 Hz頻帶;對(duì) SB聲學(xué)包的影響主要集中在200～630 Hz的頻帶內(nèi)。分析其原因，如果不考慮空氣層，軟件將會(huì)把夾心層和基板板件直接耦合，直接耦合表示夾心層與基板緊密黏合，這與實(shí)際安裝情況并不相符。在軟件中，夾心層和板件的的直接耦合與通過(guò)空氣層與基板板件進(jìn)行耦合下的剛度特性是截然不同的。因此在夾心層與基板之間設(shè)置一定的空氣層厚度是必要的，厚度的大小通過(guò)以下分析得到。

圖8 板件材料屬性變化時(shí)的插入損失計(jì)算結(jié)果Fig.8 IL results from the MPS panel

當(dāng)空氣層厚度由1～5 mm變化時(shí)，對(duì)于FB，在100～315 Hz的頻帶內(nèi)，插入損失隨著空氣層厚度的增加而減小，峰谷值頻率特性沒(méi)有發(fā)生改變，這主要是空氣層厚度的變化帶來(lái)空氣層的阻尼總量的改變，造成只忽略不計(jì)。而SB聲學(xué)包在100～250 Hz的頻帶內(nèi)卻依然具有較好的插入損失。其原因是兩種構(gòu)件的模態(tài)特性由不同的子部件決定所造成。對(duì)于FB，整體模態(tài)特性主要由基板板件貢獻(xiàn);對(duì)于SB，質(zhì)量層和基板板件同時(shí)對(duì)整體模態(tài)特性有著關(guān)鍵的影響。

值得注意的是，雖然FB在復(fù)合阻尼板中的插入損失較小，并不代表此種情況下就應(yīng)該使用SB聲學(xué)包裝。相反，在中低頻段，基板板材本身的模態(tài)特性由于高阻尼的影響而受到較大的抑制，機(jī)械激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)聲傳播不會(huì)成為主要傳播路徑。聲學(xué)包裝只需要考慮高頻段的空氣聲傳播，在高頻下，F(xiàn)B相較于SB具有較好的聲吸收性能，所以復(fù)合阻尼板的聲學(xué)包裝還是應(yīng)以FB為主。

4 結(jié)論

本文建立了一種簡(jiǎn)單、迅速和有效的模型對(duì)機(jī)械激勵(lì)下聲學(xué)包裝的中頻插入損失進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，模型的正確性得到了試驗(yàn)測(cè)試的驗(yàn)證?；诖四Ｐ?，對(duì)兩種典型的聲學(xué)包裝的設(shè)計(jì)要素進(jìn)行了改變，預(yù)測(cè)了夾心層厚度、夾心層流阻率、聲學(xué)包裝背后空氣層的變化給插入損失計(jì)算帶來(lái)的影響，還考慮了基板板材的阻尼特性變化時(shí)，對(duì)聲學(xué)包裝的插入損失的影響。得出一個(gè)具有指導(dǎo)意義的結(jié)論:在機(jī)械激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)聲傳播為主要傳播路徑時(shí)，整體構(gòu)件的模態(tài)特性決定了聲學(xué)包裝的插入損失的峰谷值頻率特性。在聲學(xué)包裝的設(shè)計(jì)要素里，哪些參數(shù)對(duì)包括基板板件在內(nèi)的整體模態(tài)特性影響最大，插入損失的峰谷值頻率特性對(duì)哪個(gè)參數(shù)就最敏感。所以當(dāng)機(jī)械激勵(lì)下結(jié)構(gòu)聲傳播的聲學(xué)包裝的插入損失需要改變峰谷值頻率特性而適應(yīng)聲學(xué)治理的需要時(shí)，應(yīng)該設(shè)計(jì)合理的夾心層厚度和質(zhì)量覆蓋層的面密度，從而改變整體構(gòu)建的模態(tài)特性，使聲學(xué)包裝能夠有針對(duì)性地對(duì)某些頻段下結(jié)構(gòu)聲傳播進(jìn)行有效地抑制。

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