基于SEA分析验证的混响箱-消声室实验方法设计及隔声性能研究_张磊.pdf

振 动 与 冲 击 第 39 卷第 8 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol.39 No. 8 2020 基金项目 国家自然科学基金51705454;国家重点研发计划项目 2016YFB0101604 收稿日期 2018 -09 -13 修改稿收到日期2019 -01 -07 第一作者 张磊 男,博士后,1986 年生 通信作者 郑旭 男,博士,讲师,1983 年生 基于 SEA 分析验证的混响箱 -消声室实验方法设计及隔声性能研究 张 磊1,2, 郑 旭1, 陈 军2, 郝志勇1 1. 浙江大学 能源工程学院,杭州 310027; 2. 万向集团,杭州 311215 摘 要不同于以往的理论、经验设计,采用低频段的声固耦合法、中高频段的统计能量法SEA对设计的混响声 场进行声学分析,提高混响水平。 根据虚拟结果建立混响箱实物,置于半消声室内进行测试,混响箱结构本体的噪声衰减 量超过 50 dB,混响时间达到混响要求,混响场内不同位置声压值差距均小于 2 dB,该混响箱设计满足混响声场的要求; 将 SEA 法隔声计算结果与应用混响箱 - 消声室法对板件的隔声测试结果进行对比,两者吻合良好;因此该实验方法能实 现很好的隔声效果。 通过该方法可快速对单层板及夹层板件进行隔声测试,发现吻合频率效应对隔声性能影响较大;以 上研究对工程应用有较大的参考意义。 关键词 统计能量法SEA;声固耦合;混响声场;混响箱 - 消声室;隔声STL;夹层板 中图分类号 TB5;TP391. 9;O422 文献标志码 A DOI10. 13465/ j. cnki. jvs. 2020. 08. 037 A reverberation chamber-anechoic room experimental design based on SEA analysis and STL research ZHANG Lei1,2, ZHENG Xu1, CHEN Jun2, HAO Zhiyong1 1. College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. Wanxiang Group, Hangzhou 311215, China Abstract Different from the theoretical and empirical design, a structure sound coupling of low frequency and a SEA of mid-high frequency were used to analyze the reverberant sound field to increase the reverberation level. The reverberant chamber was designed and made based on virtual result. The entity was placed into the anechoic room to be tested, which shows that the reverberation time meets the request and the SPL in different positions of the sound field only has gap within 2 dB between each other. The STL result of the SEA for panel was compared with the test result by using the reverberation chamber-anechoic room , which shows good agreement. The experiment thus can realize great STL effect. By using this to test sound insulation of single layer panel and sandwich panel rapidly, it was found that coincidence frequency effect has a significant impact on STL perance. The above findings offer meaningful reference to the engineering application. Key wordsstatistical energy analysis SEA; structural-acoustic coupling; reverberant field; reverberation chamber-anechoic room; sound transmission lossSTL; sandwich panel 在声学工程中,混响条件在分析和测试中是十分 重要的。 通常混响声场用于对结构件、声学材料等的 吸声、隔声性能[1 -2]进行分析。 由于在建筑构件、航 空航天装备、高铁、汽车、船舶等结构内极易产生混响 声场[3 -7],因此混响声场的设计对于结构的降噪研究 过程具有十分重要的意义。 以往的声学测试均在混 响室内进行,且构件测试窗口的面积很大[8],不适合 用于小型板件测试。 而混响箱[9]替代混响室来测试 尺寸较小试件正被广泛采用。 目前混响箱较多用于 测定声学材料的吸声系数[10 -11]。 张婕等用混响箱 - 混响 箱 法 进 行 高 铁 构 件 的 隔 声 性 能 测 试。 Mu 等[12 -13]对多层穿孔板和双层结构插入损失的研究也 采用了混响箱的设计。 这些实验设计中混响声场的 设计[14]是基于以往的经验,没有通过前期的分析和 后期的验证,因此可能会造成效果不佳、设计准确度 不高。 本文采用数值计算方法对混响箱 - 消声室实 验进行虚拟仿真设计,通过分析和优化,提高混响箱 设计的质量和效率。 ChaoXing 对混响箱建立三维模型,采用 SEA 对箱体壁结构 进行分析,确定复合箱壁的厚度。 通过建立声固耦 合[15]的有限元模型和 SEA 模型分别分析单位声压激 励下低频段和中高频段的箱内混响声场。 根据全频段 内的声学分析优化并确定混响箱结构。 对混响箱进行 混响特性测试、根据混响箱 - 消声室法进行隔声测试, 并与 SEA 隔声模型仿真结果进行对比。 综合以上试验 与分析结果,表明采用此法进行隔声测试的可行性。 采用该实验法对单层、空气夹层组合板结构进行隔声 性能实验,表现出两类结构特有的隔声特性,给工程设 计提供指导信息。 1 理论基础 1. 1 隔声理论 隔声性能采用传递损失 STL 表示,具体是指入射 声能与透射声能的比值 STL 101g Wincident Wtransmissive 1 式 中WincidentS p2 incident/4ρc 为 入 射 声 功 率; Wtransmissive SItransmissive为透射声功率。pincident为入射侧 声压;ρ 为空气密度;c 为空气中的声速;S 为结构的面 积;Itransmissive为透射侧声强。 在用声强法测量时,声传递损失 STL SPLincident- SILtransimissive- 6 101g S Sm 2 通常为了方便获取结果,采用噪声衰减量 NR 表示 声传递损失。其为入射侧与透射侧声压级差 NR SPLincident- SPLtransmissive3 式中SPLincident,SPLtransmissive分别为声源室和接收室的 平均声压级;Sm为各测量子面积之和,SILtransmissive为透 射侧平均声强级,在空气中传播与透射侧声压级近似 相等。由以上公式可得出 NR TL 6 - 101g S Sm 4 1. 2 SEA 分析理论 传统的声振分析采用有限元和边界元的方法,主 要适用于低频段,受整体模态控制。 高频段模态密度 大,造成无法精确分析。 而混响声场的设计主要考察 的是 10 000 Hz 以内主要声学关注频段,涉及大量高频 声学响应分析,SEA 很好的适用于高频分析,此时系统 受局部模态控制并呈现弱耦合状态。 SEA 是运用能量流作为载体,采用统计学的方式 对系统进行动力学特性及声振响应预测。 对一个结构 划分成 N 个弱耦合下的保守子系统,在稳态下得到功 率流平衡方程 ω η1∑ N i≠1 n1in1 - η1Nn1 - η21nN- η2Nn2 - ηN1nN ηN∑ N i≠N ηNiηN Φ1 ︙ ΦN Pin1 ︙ PinN 5 其中, Φiω Eiω niω 6 式中ω 为分析频带的中心频率;ηij为子系统 i j 的耦 合损耗因子;ni,ηi,Φi,Pini和 Ei分别为子系统 i 的模态 密度、内损耗因子、模态功率、输入功率和能量。将各参 数代入方程,对子系统进行能量求解。 根据能量表达式可以得出 〈v2 i〉 Ei/ Mi 7 〈p2 i〉 ρc 2E i/ Vi 8 式中〈v2 i〉 为速度均方响应;Vi为封闭空间声场子系统 体积;〈p2 i〉 为声压均方响应;ρ 为声场介质密度;c 为声 速。通过以上方程可以求出所需要的振动级、声压级、 应力等动力学参数。 2 混响场的设计 2. 1 混响声场结构的隔声性能 SEA 分析 采用混响箱 - 消声室法进行声学实验,需要混响 箱具有较强的隔声能力。 如图 1 所示为箱壁复合板的 结构。 其中由内侧到外侧依次为 4 mm 内层钢板、 7 mm玻璃棉、1 cm 空气夹层和 3 mm 外层钢板。 玻璃 棉具有吸声的作用;空气夹层增加隔声能力。 图 1 混响声场边界复合结构组成 Fig. 1 Composition of composite structure for the bound of reverberant field 采用 SEA 法进行分析,建立隔声分析模型,如图 2 所示。 其中复合板结构尺度为 1 m 1 m。 分别在两侧 建立较大的声腔子系统 该模型中空腔体积大于 150 m3,其中入射侧声腔 cavity 1 具有声能损耗微小 的混响空间属性,透射侧声腔 cavity 3 则声能损耗因子 较大,防止声反射,模拟自由声场。 cavity 2 则接受透射 952第 8 期 张磊等 基于 SEA 分析验证的混响箱 - 消声室实验方法设计及隔声性能研究 ChaoXing 声能,将复合结构的吸声材料性能作为声能损耗计算 特性,并将声能传导给自由声场。 图 2 复合板隔声分析 SEA 模型 Fig. 2 SEA model for STL of composite panel 复合板各层结构需要赋予相应的材料参数,其中 钢的密度为 7. 8 103kg/ m3, 杨氏模量为 2. 1 1011 Pa,泊松比为 0. 3。 玻璃棉的密度为 16 kg/ m3, 声学参 数包括孔隙率为 0. 99,流阻为 9 000 Ns/ m4, 结构因 子为 1,黏弹性特征长度为 1. 92 10 -5 m,热力学特征 长度为 3. 84 10 -4。 空气的密度为 1. 21 kg/ m3,声速 为343 m/ s,运动黏度为 1. 5 10 -5 m2/ s。 通过定义各 子系统的属性,建立连接。 根据 SEA 公式和经验,由分 析软件计算得到子系统的模态密度、内损耗因子及子 系统间的耦合损耗因子。 如图3 所示为100 1 000 Hz 的 1/3 倍频程内 cavity 1、复合板 plate 及 cavity 2 之间 的耦合损耗因子。 图 4 所示为不同频段内各声腔的模 态数量。 由此可确定相应的模态密度。 图 3 耦合损耗因子 Fig. 3 Coupling loss factor 图 4 声腔模态数量 Fig. 4 Mode number of cavities 在 cavity1 中施加单位声功率1 W的入射声激 励,通过计算得到两侧的声压结果,并根据噪声衰减量 公式进行计算处理,得到该结构的噪声衰减量。 如图 5 中的 1/3 倍频程结果所示,隔声量均大于 80 dB,足以 保证混响声场与外界的阻隔能力。 图 5 混响场结构的隔声量 Fig. 5 Sound transmission loss of reverberant field structure 2. 2 混响性能的虚拟分析 根据混响声场设计准则进行几何结构的虚拟设 计,确定混响箱为不规则的六面体,即相对两面之间互 相不平行使声波扩散更均匀。 需要通过安装扩散体进 行声波扩散优化,如图 6 所示。 图 6 为混响箱体装置 的透视图。 图 6 混响箱透视图 Fig. 6 Reverberant box perspective drawing 对混响箱的尺寸进行设计,其中箱内最长空间长 度 lmax与体积 V 要求[16]如式9 lmax≤ 1. 9 V 1 3 9 最终确定体积为1. 51 m3空间大小的混响声场,垂 直相交一侧三边长分别为 1. 4 m,1. 2 m,0. 9 m。 混响 箱内需要合理布置扩散体,通过虚拟方法对该箱体内 声场进行全频段模拟。 为混响声场的虚拟分析模型, 如图 7 所示。 将声场分析分别进行高频段和低频段的仿真分 析。 其中对于低频段的声场,采用基于有限元的声固 耦合法分析。 由于有限元的分析是基于确定的模态进 行响应分析,因此适用于模态密度较低的频率区间。 在低频段,频率越低模态数量越少。 如箱体声腔模态 小于1 000 Hz,模态产生在几十个的数量范围内。 而在 高频段,如 5 000 Hz 以上的 1/3 倍频程段内,模态数量 可以增加到上万个。 根据该方法的适用范围及分析软 件计算能力,确定为 100 2 000 Hz。 对于高频段,SEA 比较适用,在常规关注的频段小于 8 000 Hz 分析 2 000 8 000 Hz 的声压级。 有限元模型如图 7a所示,其中内部为声腔体单 元,材料介质为空气,密度 ρ 1. 206 kg/ m3,声速 c 062振 动 与 冲 击 2020 年第 39 卷 ChaoXing 343. 6 m/ s。 在模型的空间对角位置中施加单位点声 源激励,进行仿真分析,获得混响箱内 3 个不同位置处 100 2 000 Hz 的声压级。 对于高频段声场,由于有限元无法适用,采用更加 快速准确的 SEA 法,模型如图 7b所示。 将箱内声腔 按照体积大小相近的方式分割成 7 个空气声腔子系 统。 为了能获取箱体内不同位置的声场结果,沿着箱 体每个面建立一个声腔,并在箱体正中间建立一个立 方体声腔与周围 6 个声腔连接。 这 7 个声腔的模态密 度由图 8 可以体现,图中显示为相应倍频程频段内的 模态数量。 在该模型中施加 1 N/ m 单位混响声场,通 过计算获得2 000 8 000 Hz 内不同声腔的声压级。 选 取与 x,y,z 各方向箱壁连接的其中一声腔以及中间声 腔的声压进行分析。 图 7 混响声场的数值模型 Fig. 7 Simulation model of reverberant field 图 8 声腔模态数量 Fig. 8 Mode numbers of cavities 图 9 a所示为低频段分析,可以发现在 640 Hz 以后各个测点声压基本一致,表明通过仿真,虚拟分析 的声场分布是均匀的。 在 100 640 Hz 处的声压差别 较大,这是由于混响箱体积限制。 产生混响的下限频 率与体积关系如式10所示 f 125 200 V 1 3 10 经计算,该箱体的混响下限频率为 637 Hz,造成该 频段声压不均匀。 在高频段分析的图 9 b中, center 为箱体内的中 间声腔声压值,其余为贴近箱壁声腔的声压值。 由计 算结果可以发现不同位置的声压结果基本一致,说明 在设计阶段预测的声场表现较好。 通过以上分析证明了虚拟设计阶段,该结构具有 良好的混响水平。 需要在实际情况中,结合实物进行 测试来验证最终是否满足混响要求。 图 9 混响场内声压结果 Fig. 9 Sound pressure result inside the reverberant field 3 混响箱 -消声室法的验证性测试 将基于虚拟设计的混响箱放置在半消声室内,进 行隔声实验,则需要证明该实验方法的准确性,以及实 验设备的精准程度。 通过对半消声室进行背景噪声实 测,总声压级为 35 dB,达到了自由声场的要求。 混响声场的效果需要通过对混响箱进行评价。 图 10 为混响箱的实物图,从图 10 可知,箱内表面为烤漆 层,增强声音反射效果,同时有扩散体辅助,增加声扩散 效果。 在空间对角位置安装两个扬声器,作为声激励源。 图 10 混响箱实物 Fig. 10 Reverberant box entity 3. 1 混响箱混响特性验证 为了验证箱内混响声场的均匀程度,对比声场内 五个测点的声压结果,测试示意图如图 11 所示。 经过 三次测量,取平均值。 图 11 混响箱 - 消声室法实验 Fig. 11 Reverberant box-anechoic room experiment 162第 8 期 张磊等 基于 SEA 分析验证的混响箱 - 消声室实验方法设计及隔声性能研究 ChaoXing 通过进行实验测试,箱内声场结果如图 12 所示。 从图12 可知,在混响下限频率630 Hz 以后各测点的声 压值变化趋势一致,最大差距均小于 3 dB,表明在混响 频率范围内箱内声场分布均匀。 图 12 混响箱内声压级测试结果 Fig. 12 Sound pressure test result inside the reverberant box 同时混响声场对声场能量维持水平需要一定的要 求,因此需要测试混响时间。 通过停止声场激励,使声 压级下降 60 dB,对倍频程的频率点进行声压衰减时间 的测试。 图 13 所示,在 500 Hz 以上的频率点中,混响 时间均超过了 2 s,达到混响声场的标准。 图 13 混响时间衰减图 Fig. 13 Reverberant time lasting graph 3. 2 箱体在消声室内的隔声试验验证分析 通过测试箱体外不同位置传声器传声器 6、传声 器 7的声压,经过平均运算处理,与箱内声压平均结果 进行差值计算,得到混响箱箱壁结构在消声室内的隔 声结果。 在关注频段内均达到50 dB 的噪声衰减量,如 图 14 所示。 考虑到箱体孔洞的声泄露影响,同时消声 室内的背景噪声为 35 dB,因此去除这些因素实际的隔 声性能更好,验证了最初壁面隔声设计的 SEA 分析结 果。 箱壁结构对混响声场有效的隔声,保证了试验时 准确获取透射声能结果。 图 14 混响箱箱体隔声量 Fig. 14 Sound transmission loss of reverberant box 3. 3 隔声测试结果与仿真对比 采用该实验设计方法对 4 mm 镁合金金属板件进 行隔声性能测试,并根据该方法建立 SEA 隔声模型。 其中入射侧为混响箱大小的微混响空间,透射侧为无 限大的自由声场空间,通过施加 1 Pa 的混响声激励进 行声学计算。 按照实验方法的测量,通过计算板件两 端均值声压获得板件的噪声衰减量,该分析模型模拟 为无任何干扰因素的理想情况。 如图 15 所示,对比结果为 200 10 000 Hz 内的 1/3倍频程噪声衰减量,其中在混响下限频率637 Hz 以 上的频段内两者吻合良好,表明该实验设备具有较好 的隔声特性,该实验方法可产生良好的结果。 在混响 下限频率范围,即 200 630 Hz 的 1/3 倍频程结果中, 出现了较大的差别,具体在 200 400 Hz 中较明显,这 是由于以下两个原因①此频段为设计混响频率范围 之外,声场无法达到混响水平;混响箱实物具有的安装 孔洞、缝隙等引起的声泄露;②关注分析频率段不在 此,因此不影响混响箱的隔声测试准确性。 图 15 隔声仿真与实验对比 Fig. 15 Noise reduction comparison of simulation and experiment 4 板件的隔声实验研究 利用混响箱 - 消声室的隔声测试方法对镁合金板 件进行噪声衰减量的实验分析。 由于微混响场的设 计,使得试验过程变得简化和方便,可以快速有效地进 行各类板件实验。 4. 1 单层板的实验 图 16 为单层板厚度为 2 mm 和 4 mm 板件的隔声 实验结果对比,单层板的 NR 随着结构厚度的增加而提 高. 从 1/3 倍频程图中可知, 在2 000 5 000 Hz,由于 板件受吻合频率的影响,4 mm 板隔声低谷迁移,隔声 性能较 2 mm 板有所下降。 在5 000 Hz 以上,由于质量 定律的作用,隔声性能又高于 2 mm 板。 图 16 单层板隔声测试结果 Fig. 16 Single layer panel NR results 4. 2 等面密度组合板件试验研究 分别对金属层厚度不变、中间空气夹层变化的组 262振 动 与 冲 击 2020 年第 39 卷 ChaoXing 合板件进行隔声测试。 将相同面密度的单层板与组合 板进行对比,在 1 600 Hz 以内单层板的隔声性能优于 空气夹层板,这是由于空气层引起的结构共振耦合导 致了隔声性能恶化,如图 17 所示。 从不同空气层厚度的结果对比可以发现,相同面 密度下空气层越大整体隔声效果更佳。 但在局部频率 点具体为 6 300 Hz 和 3 150 Hz 都出现隔声低谷的现 象。 这是由于组合板件的两层金属层具有相同厚度, 结构吻合频率的重叠产生了隔声低谷,减弱了组合板 空气层厚度逐渐增加产生的隔声提升的效果。 图 17 等面密度组合板隔声试验结果对比 Fig. 17 Test result comparison of composite plates with uni density 由以上一系列组合实验对比发现,不论是单层板 还是空气夹层组合板,对于金属层的吻合频率效应需 要关注。 5 结 论 1混响箱 - 消声室实验法具有方便、简易、灵活 的特点,十分适合于对板件进行快速隔声性能测试。 通过采用数值方法对该实验进行设计,确定较合理的 小型混响声场结构,具有很强的隔声能力,达到混响室 的隔声要求。 2对混响声场进行虚拟仿真建模,分析并优化声 场,设计覆盖全频域的声场均匀箱体模型。 通过在消 声室内实验测试,混响箱隔声量均大于 50 dB,箱内不 同位置声压级差小于 2 dB,满足混响声场的使用要求。 由此表明虚拟设计过程合理。 根据混响箱 - 消声室法 进行 SEA 法建模分析,通过与实验测试吻合良好,说明 测试方法具有良好的隔声结果。 3采用该实验设计方法快速对单层和组合板件 进行噪声衰减量测试,根据质量定律,发现板件总体隔 声量随厚度变化而增大。 吻合频率效应对各类板件隔 声性能变化影响较大,对工程设计具有重要的指导 意义。 参 考 文 献 [ 1 ] GARG N, SHARMA O,MAJI S. 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