蜂窝结构与降噪的研究.doc

_蜂窝结构与降噪的研究航空航天 083614 孙诚骁引言：随着时代的进步，我们越来越注重生活质量和环境保护。在工程技术已经成熟的今日，噪音控：制在整个工程设计中所占的比重也是越来越大。而我们对于隔音技术的认识又有多少呢？蜂窝结构在我们的脑海中总是和数学、拓扑学、力学结合紧密，那它对隔音技术的贡献我们又了解多少呢？它们的结合能否带给我们可喜的效果，笔者将会在后面的文章中一一道来。摘要：简要介绍蜂窝夹层结构和噪音，阐述蜂窝降噪的机理，简述蜂窝降噪的研究历史和现状并引入例子分析蜂窝降噪的影响因素。使读者对此有更为理性的了解。最后举了两例蜂窝结构隔音功能在建筑和汽车领域的应用。关键字：蜂窝结构 降噪 隔声量问题的提出笔者一直对于内地几家ktv的隔音效果有所诟病，经过几次在ktv包厢内对于墙体，天花板和门的观察和分析，推断出了问题的症结。首先，如果ktv是多层结构的话，下层的天花板和上层的地板是声波传递的主要路径，因为往往ktv包厢内墙体是使用了隔音结构的，但是对于天花板和地板，考虑到需要挂一些灯饰，音响，或者是做嵌入式的点歌系统，往往就不会使用隔音墙。这使得同意位置上下两层之间的隔音效果受到了影响。其次是包厢房门的使用，如果你仔细在ktv走廊中走过，你会感觉到，一般包厢内的噪音都是你经过房门的时候达到最大值，这就意味着包厢房门的隔音效果并不理想，甚至有时你在自己包厢里仍然能听见对面包厢的噪音。以上两点就是我推断总结的结果，那为什么会造成这种现象呢，我认为在天花板和地板的问题上制造商只考虑了结构刚度强度，并没有考虑噪声传播的因素，或者是因为结构刚度的问题成为了矛盾的主题，必须优先考虑。而在房门设计上，由于隔音门较少，而且需要考虑房门的美观和价格，往往就会选择那些看起来厚实，玻璃花纹美观而价格也适中的房门。所以哪里没有考虑隔音效果，噪音就会在哪里传出来。那这样一个困扰笔者的问题当如何解决呢？正巧笔者在学习飞机装配时发现了蜂窝结构的介绍，蜂窝结构的减震效果，结构刚度和环保节能引起了笔者的兴趣。其中减震效果换句话说就是减少震动的传递能量，而震动往往是因为波的传递，声波也是一种波，那蜂窝结构能不能减少声波的传递呢？在查阅了大量资料以后，笔者准备对于蜂窝降噪作一个详细的介绍。蜂窝夹层结构简介蜂窝夹层结构是夹层结构的一种，有面板和处于面板中间的蜂窝夹芯组成。夹芯使结构据有刚性、较高的稳定性和绝热、隔音及电绝缘性能。蜂窝结构的总稳定性比其面板本身的稳定性高出许多倍。蜂窝结构在压缩和剪切条件下具有较高稳定性。而中空的结构也对减轻重量起到了很大的作用。轻质高强的特性使它在航空、航海、汽车、建筑、包装等领域得到广泛的运用。蜂窝夹芯结构形式有圆形、正六边形、正方形等；材质可以使铝合金、芳纶纸、陶瓷、玻璃布等；蒙皮可采用纤维板、铝合金板、玻璃板等。噪音简介物理学定义：发生体做无规则振动时发出的声音。噪音的产生大致可分为：机械冲击、共振、磨擦产生的噪音，流场所产生的噪音，环境噪音。噪音的单位为分贝（dB）当超过80分贝时，声音就变成了令人不舒服的噪音，而超过105分贝时，听力将受到永久性损害。噪音对人体的伤害不仅仅局限于听力，由于它也是一种振动频率，他能影响人的心血管功能和激素分泌功能，甚至对于心理也有很大的消极作用。更恐怖的是当噪音达到190（dB）以上时，就能致人于死地。隔声的定义用材料、构件或结构来隔绝空气传播的噪声，从而获得较安静的环境称谓隔声。上述材料称谓隔声材料，上述结构、构件称谓隔声结构、隔声构件。材料一侧的入射声能与另一侧的投射声能相差的分贝就是该材料的隔声量，通常用符号R（dB）表示。R=10lgE入-10lgE透=10lg1E透E入=10lg1式中 R：隔声量；E入：入射声能；E透：透射声能；：透射声能/入射声能蜂窝降噪机理蜂窝降噪原理是其能有效地吸收外界震动并转化成芯材的变形能，然后缓慢释放。另外当声波进入蜂窝体后，会引起空气和材料的振动，由于摩擦阻力和粘滞阻力，使一部分声能转化为热能而散失掉，因而起到了消声作用。在研究多孔性吸声材料时，瑞利（Rayl）曾给出了一种理想化模型，称为Rayl吸声结构模型，它包含了许多等间隔的相同的平行通道，由完全刚性的骨架材料隔开。蜂窝体结构与上述的瑞利吸声结构模型基本一致。Tongan Wang，Vlardimir S.Sokolinsky，Shankar Rajaram，Steven R.Nutt在他们的论文中进一步研究了夹层板内部结构对于降低噪音的影响，他们运用了MAPLE和MATLAB等软件经过实验和计算后得出夹层板的内部排列规则影响了穿透损耗量（transmission loss穿透损耗量指入射声能和透射声能之差，是反映材料隔声效果的重要参数）。均匀排列的蜂窝结构和各向同性的芯子作为夹层板的内部结构能有效地隔音。由此他们也证明了高规整度理论在夹层板结构中运用的实用性。蜂窝夹层结构的声学研究现状从1959年Krutze和Watters第一次对蜂窝的研究开始以后，不多有关于蜂窝结构声学性能的研究。JohnP.Cushman从工艺的角度研究了蜂窝夹层结构的连接问题，通过与实验数据的对比给出了较好的模型，并给出了连接件的强度计算公式。M.J.Jacobson研究了考虑声疲劳时蜂窝夹层板的设计。Ferdinand.W.Grosveld对蜂窝夹层板在应用于飞机机身侧壁壁板时的降噪作用作了实验研究，实验结果表明蜂窝的刚度使得安装盘的响应频率提高，但是安装蜂窝以后的平均隔声量与质量定律的平均隔声量接近。E.Nillsson对蜂窝夹层结构的隔声性能作了理论研究，同时还给出了动力学计算公式，利用A.C.Nilsson给出的单层板隔声量计算公式，推导出蜂窝结构的隔声量计算公式。Evan.B.Davis用能量统计法研究蜂窝的隔声性能，并提出了亚音速和超音速时的不同的设计方法。蜂窝降噪的影响因素Portia Peters和Steven Nutt两人在2010年对于声速和蜂窝结构运用模态分析（Modal Analysis）进行了实验，并在应用声学（Applied Acoustic）上发表了文章。实验对于多个变量进行了控制包括表面材料，芯子材料，胞元大小，芯子密度，芯子厚度，表面材质密度，表面材质厚度，芯子剪切模量，表面材质弹性模量。文中指出蜂窝结构的波速特性和声能穿透损耗量有密切的关系。他们的实验现象是：1 芯子密度越大，穿透损耗量（transmission loss）越小；芯子密度越小，穿透损耗量越大。2 Kevlar芯（高剪切模量）的穿透损耗量比Nomex芯的要多3 表面材料对于穿透损耗量的影响并不明显4 蜂窝胞元的数量对于穿透损耗量影响也不明显5 SSS-2型号在实验中声波穿透损耗量最大他们得出的实验结论是：芯子的剪切模量（shear modulus）对于波速的影响最大，而胞元的大小对波速和穿透损耗量没有明显影响。对于蜂窝结构，在同样的芯子和表面厚度情况下，表面的模量对于波速在低频时的影响不可忽略。Rajaram在他的文章measurement of sound transmission losses of honeycomb partitions with added gas layers曾指出了蜂窝结构芯子所传出的横波波速对于穿透损耗量的影响极大。同样，Portia和Steven的实验也证明了这一点。实验还证明了低剪切模量蜂窝结构意味着低的波速和更好的隔音表现。而南京航空航天大学的顾志武在他的硕士论文中也对于蜂窝结构进行了深入的研究。他运用了ANSYS软件建立了蜂窝夹层结构的基本声学研究模型，根据蜂窝夹层结构的几何特征参数变化研究了各个参数对于整个结构声学性能的影响。顾志武分析了四种不同的的因素对于蜂窝结构隔声量的影响。即面板厚度，芯材厚度，蜂窝结构高度以及蜂窝六边形边长。所得出的实验结果数据如下：由这些结果我们可以看出四个变量对于隔声量的影响效果。（1）比如芯彩材料厚度对蜂窝结构隔声量的影响并不很大。（2）当芯材结构的高度增加，两面板的距离增加，隔声量也增加，符合双墙隔声理论。但在低频段，隔声量却和双墙理论不相符合，得出的分析是：在低频段，隔声量受到结构的劲度影响。由于蜂窝夹层板结构能很高的提高结构的抗剪和抗弯力，很明显在低频率的时候，结构隔声量的提高，是受到结构本身特性的影响。这和Portia Peters与Steven Nutt所得出的实验结论不谋而合。（3）蜂窝芯材的面密度随着六边形边长的减小而增加，因此蜂窝夹层板隔声量的上升与板的面密度增加有关，六边形边长的减小还会提高结构的劲度，这也是有利于结构隔声性能的提高的。自主研究蜂窝结构的方法设定由于笔者能力有限，不可能在本学期就做成实验成果记录实验数据，所以只有借鉴前人方法在此基础上制定我的研究方法和过程。通过对于隔音和蜂窝降噪机理的介绍，我们已经知道要研究一种结构的隔音效果就是要研究它的TL也就是穿透损耗量。对隔声结构TL的研究，先后共出现过4种主要方法，即波传递法（Wave Analysis Approach）、模态分析法（Modal analysis approach）、统计能量法（Statistical energy analysis）、和数值分析法（Numerical method）。而从当前现状看来最适合笔者使用的方法就是数值分析法，数值分析法也可以叫做有限元法和边界元法，已成功地应用于流固耦合振动问题的求解，理论上对于隔声构建传声损失问题也是适用的，用数值分析法求TL问题最突出的优点是不受隔声结构的几何形状和材料性质限制，并且还可以求解非线性问题。然而，如果求解精度所要求的有限元单元划分过于精密，那么计算机的计算能力将受到cpu的处理速度的限制。有限元软件的入门使用在结构力学课程中已经有所涉及，所用的是COMSOL公司的COMSOL Multiphysics，在预设置界面中我们可以看到有声学模块，在网上搜索了该模块所能求解的问题范围，其中就包括了“降噪措施声障，结构材料，隔音板的设计”。证明了该软件可以解决蜂窝隔声问题之后，笔者参看了一些案例教学，总结了以下实验计算步骤。1. 设定蜂窝夹层结构的几何特征参数，材料属性2. 运用COMSOL软件建立蜂窝夹层结构的基本声学研究模型3. 划分单元4. 建立谐波声场模型5. 划分声场单元6. 施加边界条件和载荷7. 计算结果这样的设计过程存在着几个要点和难点，首先是单元划分，如何划分将影响到结果的准确性，不同的人不同的划分方法就存在着优劣高下之分，其次是声场模型的建立，由于笔者没有对COMSOL软件声学部分进行研究，只是在流体力学课上看见过老师运用fluent软件进行过流场建模，认为两种软件的建模方法可能有相同之处，对于声场的建模如果有具体算例的参考，应该也不难完成。而最难的难点是施加边界条件和载荷。需要有相当的理论基础作为支撑，才能正确的设定边界条件。这样，根据以上步骤基本能够完成蜂窝隔声的计算。不过上述设计仅限于理论，在实际操作过程中定会遇到各种各样的问题，那只有待笔者具有更高学术水平之后才能具体实施这个设计计划。蜂窝隔声的前沿应用纸蜂窝墙板与绿色建筑：和谐社会讲求的是可持续发展与节能环保，在建筑领域，纸蜂窝墙板可谓占尽了先机。首先由于它重量轻，工程造价低而又不失强度；其次就是有图他的隔音效果好。通过实验证明了，厚度90mm的纸蜂窝轻质墙板墙体使用的隔音性能指标与砖墙相当，而由于蜂窝轻质枪版的厚度逼传统砖墙的厚度薄，在同等建筑面积条件下，可增加有效使用面积3%5%，增大建筑物内部空间，提高得房率；同时纸蜂窝轻质复合板材特有的蜂窝气囊结构能在不增加基建投资前提下具有良好的隔声性能、保温隔热性能，可用于装修天花和地板。蜂窝陶与发动机:用蜂窝陶作为新型热动力的排气消声结构，其不仅具有阻性与抗性的综合功能，且结构工艺简单，因此具有很好的应用前景。实验结果表明，单段蜂窝陶对高频区的降噪效果为5%13%，随着摩托车，汽车等机动车辆的迅速增加，排气污染与排气噪声必将使环境恶化。而将蜂窝陶安装在发动机排气管道内，能起到降低排气噪声的目的。蜂窝结构解决ktv噪声问题的设想笔者认为运用蜂窝结构正是解决ktv噪声问题的有效方法，且不论蜂窝结构在天花板和地板之间的运用优势，毕竟内地ktv中多层设计并不多见。而蜂窝结构门应当是一个非常先进和优秀的设计，如果一个房门才用铝蜂窝结构，那么他将会拥有轻质高强环保节约等优势。另外通过前面的研究发现蜂窝结构门的隔音效果想相比普通的门也要高不少。普通人发声的频率范围在100到1000赫兹左右，而在这一范围内，蜂窝结构的隔声量始终保持在20db以上，对于ktv行业50分贝的标准来说，是一个相当可观的隔音效果。那么它的价格是否可以接受呢？笔者在网上进行了查询发现网上专门供应ktv包房门的商家给出的价格从500到2000不等，找到其中与内地ktv相似的房门售价在1400左右，而铝蜂窝门售价大约也在1200元，所以可以尝试使用铝蜂窝门来代替原有的包厢门。但是具体应用结果需要实践测试才能看出。蜂窝隔音领域的未来展望对于蜂窝结构的展望可以分为两个部分，第一是对于蜂窝结构的改进，另一个就是应用领域的拓展。基于对蜂窝结构隔音机理的理解，我们可以认为多孔是隔音的关键，那么如果一个结构中充满了孔洞那么它对于声波的吸收能力也就更加出色，声波在孔洞中折射，摩擦，传播路径大大增加，也就更多地转化成了热能和结构的变形能，有效阻止了声波的传递。那么什么结构可以充满孔洞呢？笔者想到了泡沫塑料，如果在蜂窝结构中填入泡沫塑料，既不会明显增加结构重量，又能使得结构充满了孔洞。其实这种结构已经有前辈进行了研究。Ran Zhou和 Malcolm J.Crocker两位学者就在他们的论文中研究了泡沫填充蜂窝结构的隔声量，研究结果令人喜悦。那么这样的结果是否会在今后广泛运用呢？可以肯定的是它的前景是相当美好的。因为噪音已被越来越多的人认识和了解，并且随着生活质量的提高，人们对于噪声的忍耐程度也在下降，很多产品就在广告标语中提到“静音”这个词。那么未来有哪些地方可以运用到蜂窝结构呢？笔者有以下想法：1可以运用在洗衣机，空调等家用电器的外壳制作上，可有效减少震动和降低噪音2高架桥的隔音，现在高架运输量越来越大，过去的隔音带显得也没有那么神奇了，是否可以使用新结构隔音板来提高隔音效果是值得研究的3 蜂窝玻璃的新型玻璃，这个问题是接着上面问题的深入讨论，如果能把蜂窝结构运用在玻璃制造上，那么除了隔音板之外，住户的玻璃窗也能起到很好的隔音效果的话，就能更多地减少噪音，拥有更好的生活环境。总结通过对蜂窝结构的认识，明白了蜂窝降噪的机理，了解了其发展现状和影响因素，就能更全面的看待蜂窝结构，并不只从它的轻质高强等方面去分析它的性能，而是能更完善地利用它各方面的优势。这也是对于一个事物全局性的把握，是符合科学探索精神的。参考文献1) Tongan Wang, Vlardimir S.Sokolinsky, Shankar Rajaram, Steven R.Nutt . Assessment of sandwich models for the prediction of sound transmission loss in unidirectional sandwich panels. Applied Acoustics 66(2005) 245-2622) Ran Zhou, Malcolm J.Crocker. Sound transmission loss of foam-filled honeycomb sandwich panels using statistical energy analyses and theoretical and measured dynamic properties. Journal of Sound and Vibration 329(2010) 673-6883) Peters, Steven Nutt. Wave speeds of honeycomb sandwich structures: An experimental approach. Applied Acoustics 71(2010) 115-1194) C.F.Ng, C.K.hui. Low frequency sound insulation using stiffness control with honeycomb panels Applied Acoustic