王加政，張學(xué)飛，李曄，徐秋婷，鄧新

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復(fù)合板件內(nèi)損耗因子的聲激勵(lì)測量方法

王加政，張學(xué)飛，李曄，徐秋婷，鄧新

(常州大學(xué)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(yīng)用穩(wěn)態(tài)半功率點(diǎn)帶寬法與混響室聲激勵(lì)法測得其內(nèi)損耗因子。根據(jù)統(tǒng)計(jì)能量分析預(yù)測模型，將實(shí)驗(yàn)室實(shí)測泡沫鋁夾芯板隔聲量代入其中，逆推出預(yù)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(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明：半功率點(diǎn)帶寬法僅能測得泡沫鋁夾芯板的結(jié)構(gòu)損耗因子，而混響室聲激勵(lì)法則能夠綜合考慮其結(jié)構(gòu)阻尼和吸聲損耗，從而獲得更適用于隔聲預(yù)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(fù)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(lì)法；內(nèi)損耗因子；隔聲

0 引言

發(fā)泡鋁夾芯板作為一種復(fù)合結(jié)構(gòu)板件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)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(zhǔn)確與否極大地影響著模型預(yù)測的結(jié)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(luò)線法等[4]。其中，半功率帶寬法在現(xiàn)階段的應(yīng)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(qiáng)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(shí)不能準(zhǔn)確地辨識(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)損耗因子。應(yīng)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(huì)使測得的阻尼比值波動(dòng)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(lì)辨識(shí)鋁板內(nèi)損耗因子的方法，認(rèn)為此方法不僅簡化了試驗(yàn)過程，而且比脈沖激勵(lì)法有更高的精度。

本文以泡沫鋁夾芯板為研究對象，分別應(yīng)用半功率帶寬法與混響室聲激勵(lì)法測得其內(nèi)損耗因子，再將測試結(jié)果輸入統(tǒng)計(jì)能量法隔聲預(yù)測模型中，計(jì)算泡沫鋁夾芯板的隔聲量，并與實(shí)測隔聲量進(jìn)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(diǎn)帶寬法

半功率帶寬法認(rèn)為，子系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)函數(shù)峰值的半功率點(diǎn)帶寬和峰值對應(yīng)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(yàn)方法為：在半消聲室中，使用電磁激振器，激勵(lì)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(gè)加速度傳感器，連接計(jì)算機(jī)采集板件上的信號，并在計(jì)算機(jī)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(jìn)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(lì)法

本文采用一種混響室聲激勵(lì)法求得內(nèi)損耗因子?；诜€(wěn)態(tài)能量流技術(shù)，使用連續(xù)的寬頻帶隨機(jī)噪聲激勵(lì)代替激振器點(diǎn)激勵(lì)。圖2為混響室聲激勵(lì)測試現(xiàn)場。根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]，計(jì)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(dòng)能量。將混響室與發(fā)泡鋁夾芯板視為擁有兩個(gè)子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)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(lì)板件時(shí)，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(jì)算得到內(nèi)損耗因子。

試驗(yàn)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(gè)加速度計(jì)于板的一側(cè)，混響室內(nèi)放置6個(gè)傳聲器，聲激勵(lì)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(jié)果。

表1 兩種方法測得的內(nèi)損耗因子結(jié)果

2 發(fā)泡鋁夾芯板的隔聲量試驗(yàn)

樣件隔聲測試在隔聲室(由聲源室和接收室組成) 進(jìn)行。依據(jù)國標(biāo)GB/T19889-2005《建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量第3部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實(shí)驗(yàn)室測量》[10]在隔聲室內(nèi)進(jìn)行，隔聲室分為發(fā)聲室和受聲室兩個(gè)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(gè)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(yàn)現(xiàn)場布置如圖3、4所示，隔聲量測試結(jié)果如表2所示。

聲源分別置于聲源室和接收室進(jìn)行聲壓級測量。樣件的隔聲量為

圖3 聲源室一側(cè)

圖4 接收室一側(cè)

表2 隔聲量實(shí)測結(jié)果

3 結(jié)果驗(yàn)證與分析

3.1 仿真模型驗(yàn)證

依據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)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(jì)算模型，如圖5所示。

圖5 統(tǒng)計(jì)能量隔聲預(yù)測計(jì)算模型

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

則可逆推出：

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

表3 由預(yù)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(lì)方法測得的內(nèi)損因子與預(yù)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(yù)測模型逆推得到的真值相差較大。由此可認(rèn)為，混響室聲激勵(lì)法測量內(nèi)損耗因子的方法，在預(yù)測復(fù)合板件隔聲量時(shí)是可行的。

圖6 兩種方法測得的內(nèi)損耗因子與預(yù)測模型逆推值比較

推測產(chǎn)生該結(jié)果的原因在于：發(fā)泡鋁夾芯板是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)板件，其夾芯層為泡沫狀結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)損耗因子；而混響室聲激勵(lì)法彌補(bǔ)了這一不足，綜合考慮其結(jié)構(gòu)阻尼和吸聲損耗，從而獲得更適用于隔聲預(yù)測的綜合內(nèi)損耗因子。

4 結(jié)論

文中分別應(yīng)用半功率帶寬法與混響室聲激勵(lì)法測得了泡沫鋁夾芯板的內(nèi)損耗因子，依據(jù)隔聲預(yù)測模型中的隔聲量計(jì)算公式，代入實(shí)驗(yàn)室實(shí)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(jié)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(rèn)為此方法不適用于統(tǒng)計(jì)能量分析法預(yù)測發(fā)泡鋁夾芯板的隔聲量。

(2) 混響室聲激勵(lì)法能夠綜合考慮其結(jié)構(gòu)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(yù)測值與實(shí)測值更加趨近。類似泡沫鋁夾芯板這種存在吸聲損耗的復(fù)雜板件的內(nèi)損耗因子的獲取，可采用混響室聲激勵(lì)法。

[1] SEELIGER H W. Aluminium foam sandwich(AFS) ready for market introduction[J]. Advanced Engineering Materials, 2004, 6(6): 448-451.

[2] 張春巖, 沈火明, 王瑞乾, 等. 阻尼層對泡沫鋁芯三明治板隔聲特性的影響分析[J]. 應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué), 2014, 35(s1): 191-194.

ZHANG Chunyan, SHEN Huoming, WANG Ruiqian, et al.Damping layer on sandwich plate of aluminum foam core analysis of sound insulation characteristics[J]. Applied Mathematics and Mechanics, 2014, 35(s1): 191-194.

[3] 丁曉, 王昌田, 韓寶坤, 等. 泡沫鋁三明治板隔聲性能實(shí)驗(yàn)分析與研究[C]//浙蘇黑魯津四省一市聲學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議, 2009.

[4] 程廣利, 朱石堅(jiān), 伍先俊. 統(tǒng)計(jì)能量分析法及其損耗因子確定方法綜述[J]. 船舶工程, 2004, 26(4): 10-15.

CHENG Guangli, ZHU Shijian, WU Xianjun. A review of statistical energy analysis and its determination methods for loss factors[J]. Ship Engineering, 2004, 26(4):10-15.

[5] 李彤, 宋冬冬. 用Matlab研究半功率帶寬法[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2009, 26(1): 92-94.

LI Tong, SONG Dongdong. Research on the half-power bandwidth method based on Matlab[J]. Experimental Technology and Management. 2009, 26(1):92-94.

[6] 秦世強(qiáng), 康俊濤, 孔凡. 橋梁工作模態(tài)分析中阻尼比識(shí)別的離散性研究[J]. 振動(dòng)、測試與診斷, 2016, 36(1): 42-48.

QIN Shiiqnag, KANG Juntao, KONG Fan. Study on discreteness of damping ratio identification in bridge modal analysis[J]. Journal of Virbration, Measurement & Diagnosis, 2016, 36(1): 42-48.

[7] 應(yīng)懷樵, 劉進(jìn)明, 沈松. 半功率帶寬法與INV阻尼計(jì)法求阻尼比的研究[J]. 噪聲與振動(dòng)控制, 2006, 26(2): 4-6.

YING Huaiqiao, LIU Jinming, SHEN Song. Half-power bandwidth method and INV damping ration solver study[J]. Noise and Vibration Control, 2006, 26(2): 4-6.

[8] 王英誠, 張衛(wèi)紅, 秦朝紅, 等. 基于噪聲激勵(lì)的板殼結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子辨識(shí)方法[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2017, 44(1): 56-64.

WANG Yingcheng, ZHANG Weihong, QIN Zhaohong, et al. Method for estimating internal loss factor of plate & shell structure based on acoustic excitation[J]. Structure & Environment Engineering, 2017, 44(1): 56-64.

[9] 姚德源, 王其政. 統(tǒng)計(jì)能量分析原理及其應(yīng)用[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1995.

YAO Deyuan, WANG Qizheng. Principle and application of statistical energy analysis[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1995.

[10] 全國聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T19889-2005建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量第3部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實(shí)驗(yàn)室測量[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007.

The National Committee for Standardization Technical Committee. GB/T 19889-2005 Building and building components sound insulation measurement third parts：Laboratory measurements of airborne sound insulation for building components[S]. Beijing: Standards Press of China, 2007.

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?yàn)樵肼暸c振動(dòng)控制技術(shù)。

王加政, E-mail: wangjz890@163.com