毕设封面-田丹

图 2-16
100Hz 时整个模型声压变化图
图 2-17
100Hz 时钢板结构声压变化图
为了进一步获得钢板隔声量随频率变化的关系，需先将 ANSYS 计算中所需 节点的声压数据导出，再根据 2.3.1 中隔声量公式，利用 MATLAB[31]软件编程计 算。在计算空气中钢板隔声量之后，继续计算水中钢板的隔声量，材料参数与 2.3.3 中相同， 钢板在空气中与水中的隔声量如图 2-18 所示。 从图 2-18 可以看出， 由于结构与流体的耦合，在某些频率处会出现峰值与谷值。整体来看，钢板在空 气中的透射损失远远大于其在水中的透射损失，可见相较于空气，水对于钢板声 学性能的影响是不可忽略的。
2
10
3
图 3-12 泊松比对复合结构隔声量的影响
如图 3-11、图 3-12 表明：泊松比为 0.4 的低频吸声特性优于泊松比为 0.49 的低频吸声特性；假定泊松比分别选取 0.4、0.45 及 0.49 时，随着频率的逐渐升 高，泊松比为 0.49 时，高频吸声特性逐渐改善；对于泊松比对结构隔声性能的 影响，也是在低频时比较突出，高频不明显。所以在改善该结构低频的吸声特性
a b11 b12 / zw zwb12 b22
（4-11）
4.2 均匀圆柱型空腔吸声覆盖层的声学特性数值分析
早在 20 世纪 50 年代，德国就进行了橡胶板打圆柱孔的水下结构研究，60 年代以后，发展了过渡层吸声结构，在钢板上粘贴一层吸声材料，材料中打孔， 孔径随深度逐渐变化，使层的阻抗逐渐过渡以减小结构表面声反射。何祚镛、王 曼等人则根据传递矩阵法研究了水下均匀与非均匀层结构吸声理论。 背衬、 空腔结构与排列方式、材料参数等对水声吸声材料吸声特性均有较大 影响。本章分析了背衬、空腔结构参数等对声性能的影响。如无特殊说明，本章 所用的材料参数为：吸声材料：密度 1100kg/m3 ，纵波速度 1476m/s，横波速度 207m/s， 损耗因子 0.23； 水： 密度 1000kg/m3 ， 声速 1500m/s； 钢： 密度 7840kg/m3 ， 杨氏模量 2.16 1011 N/m2 ，泊松比 0.28。 模型为中间带有圆柱型空腔的非均匀复合结构。钢板 1.1m*0.8m*0.006m， 橡胶板与钢板厚度比分别为 5:1，3:1，2:1；圆柱型空腔为半径 r=0.25m，0.3m， 0.35m，厚度 h=0.012m。在建立模型中，仍然采取了流固耦合计算方法，分别建 立橡胶-钢板结构、圆柱型空腔结构、接触流体结构、非接触流体结构，在流体 两端面分别设置吸声边界。 在将橡胶与其接触的流体耦合的同时，将圆柱型空腔 单元与其相接触的橡胶单元耦合。 如图 4-2 所示，结构表明：带空腔的复合结构在水介质中或空气介质中对低 频声音的隔声性能比均匀层结构均有明显提高， 高频隔声性能相对低频而言增大 得不明显。
80 70 60
钢 板 透 射 损 失 /dB
水 空气
50 40 30 20 10 0 200
400
600
800
1000 1200 频 率 /Hz
1400
1600
1800
2000
图 2-18 ANSYS 软件计算钢板空气中与水中透射损失比较图
2.4.2 平板结构隔声性能理论与数值仿真对比 本章介绍了平板结构隔声原理以及 ANSYS 有限元软件，建立了理论和数值 仿真模型，并得到了钢板结构在空气中和水中隔声量随频率变化响应。 在本节中， 将对平板结构隔声理论和有限元软件仿真两者进行一些关于隔声 量方面的定性比较。
1 水介质 0.95
透声系数
0.9
0.85
0.8 0 10
10
1
10 频 率 /Hz
2
10
3
10
4
图 2-12 钢板在水中的透声系数随频率变化图
1 水介质 0.8
隔 声 量 TL/dB
0.6
0.4
0.2
0 0 10
10
1
10 频 率 /Hz
2
10
3
10
4
图 2-13
钢板在水中的隔声量随频率变化图
2.4 平板结构隔声性能仿真分析 2.4.1 平板结构隔声性能数值分析模型 在 ANSYS 有限元软件中建立几何模型如图 2-15 所示，平板尺寸：长 1.1m， 宽 0.8m，厚度为 6mm。仿真计算时，采用了有限元仿真中的流固耦合计算方法， 因此，除了建立钢板模型外，还必须建立流体模型，包括与结构接触的流体和与 结构不接触的流体，并将钢板结构与它相接触的流体耦合。除此以外，将流体两 端界面设为完全吸声边界， 并将平面声源添加到与结构有一定距离的平面节点上 本模型中声源添加在 Y 正方向位置，如图 2-14 所示。
由上表可以看出，ANSYS 中前九阶模态所对应的频率和理论值相差很小，则在后面的 研究中可以用 ANSYS 仿真代替理论计算。
2.2.3 材料属性对薄板的振动响应的影响
本小节主要研究不同材料对简支平板在力的激励下的振动响应特性， 本次研究中选用钢 板、铝板、橡胶板进行研究对比，它们的参数如表 2-2 所示。 板的尺寸均为 1.1m*0.8m*0.006m。下图表示板在 1N 的简谐力（频率范围：0-500Hz） 的激励下所获得的加速度级。
4.1 带空腔橡胶复合结构声学性能影响分析数学模型
在研究橡胶中圆柱型空腔对于整体橡胶结构声学性能的影响时， 为了能更好 的表现出其影响，先研究纯橡胶材料的透声性能。橡胶的材料参数为
1.13 g cm3 ， cd 1.4 105 cm s 和 cs 0.094 105 cm s ， 而 在 有 限 元 软 件
0.8 0.6
泊 松 比 0.4 泊 松 比 0.45 泊 松 比 0.49
吸声系数
0.4 0.2
0 10
0
10
1
10 频 率 /Hz
2
10
3
图 3-11 泊松比对复合结构吸声系数的影响
10 8
泊 松 比 0.40 泊 松 比 0.45 泊 松 比 0.49
பைடு நூலகம்
隔 声 量 /dB
6 4 2
10
0
10
1
10 频 率 /Hz
2 p 1 p 2 x 2 c 2 t 2
（4-2）
a
1 a z0
b12
（4-8）
w
1 w zw
zwb11 +b12
（4-9） （4-10）
1 a ( w ) a ( w )
上式中 z0 为空气介质的特性阻抗， zw 为水介质的特性阻抗，参数 a 为：
本小节主要研究了含圆柱空腔的水下非均匀吸声结构的声学特性。首先，对 双层水下非均匀吸声结构的后边界为水、 空气等条件下的声吸收与声反射特性进 行了研究； 其次对上述结构中含不同空腔体积对吸声特性的影响进行了研究；最 后， 本节研究了多层复合水下非均匀吸声结构的吸声特性并比较了不同背衬厚度 对吸声特性的影响。 图 4-1 是含圆柱空腔的水下非均匀吸声结构的平面结构示意图。 声波垂直入 射到上述结构时， 假设波阵面的形状在传播过程中保持一定，并且波阵面的面积 保持不变。那么，此时声的传播规律也遵循常规形式的波动方程：
本科毕业设计论文
题目
橡胶周期结构声特性研究
专业名称 班 级
环境工程 03061101 田丹 刘志宏
学生姓名 指导教师
图 2-5
ANSYS 对前九阶模态频率对应下的平板声压云图
表 2-1 ANSYS 前九阶模态频率 (m,n) ANSYS 理论值 误差 （1,1） （2,1） （1,2） （3,1） （2,2） （3,2） （4,1） （1,3） （2,3） 74.3 70.7 3.61 151.4 141.4 10.03 220.4 209.4 11.02 279.5 266.3 13.19 298 282.7 15.26 425.1 405 20.09 460.3 437．5 22.82 465.3 440.5 24.76 540.8 513.9 26.90
第四章 带空腔橡胶结构声特性研究
由上一章的分析中可见， 在低频段要使复合均匀吸声覆盖层得到理想的吸声 性能，橡胶层的厚度较大，花费材料甚多，在实际应用当中是不可取的。目前为 大多数研究者所认可的是在材料中掺杂其它介质组成复合材料以改变其声学性 能，从而改善其吸声性能，这一方法被视为是解决低频吸声的途径之一。所掺杂 的材料可能是固体、流体或空腔。实际上，本文所研究的带空腔非均匀复合结构 通常由三部分组成： 表面层、 中间穿孔层(圆柱形空腔或变截面结构空腔)和基层。 本章分析了中间穿孔层为圆柱形空腔的水下吸声结构的声学特性。
图 2-19 两种方法计算钢板隔声量比较
如图 3-9、 3-10 所示， 表示泊松比对复合结构吸声隔声性能的影响， 由图 3-9 可以看出泊松比越小，吸声效果越好；图 3-10 表明泊松比对隔声的影响在低频 并不明显。 3.2.2 橡胶泊松比对钢板-橡胶复合结构隔声性能应的影响 在给定橡胶厚度与钢板厚度的比值为 3:1 时，研究了不同泊松比对双层复合 结构吸声性能的影响结果如图 3-11、3-12 所示。
ANSYS 中，所需定义的参数为杨氏模量 E 和泊松比 ，已知的材料参数与所需 定义的参数关系为：
c 2 2c 2 3c 2 4cs2 d 2 s2 E cs2 d ， （4-1） 2 2 2 cd cs cd cs 7 根据（4-1）式计算得到的杨氏模量 E 2.9909 10 ，泊松比 0.4977 。