孙少龙，王文杰，王笃勇，沈建平

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海201108）

结构轻量化是现代设计的趋势之一。轻量化设计主要通过以下2种方式实现：

（1）采用轻质材料：不改变结构尺寸，采用如铝合金、镁合金、钛合金、陶瓷、玻璃纤维或碳纤维复合材料等轻质材料来实现结构的轻量化。

（2）结构优化[1]：利用现代分析方法，对结构进行优化，在保证强度、刚度等基本要求的前提下，通过降低板厚、采用空腔结构、设置减轻孔等实现结构轻量化。

对于尺寸较小、强度要求较低的结构，采用轻质材料，可以直接、大幅度实现结构的轻量化。但是在大型结构件中，由于成本较高，轻量化材料不易被大规模采用，所以利用结构优化是实现其轻量化的主要途径。

在大型钢结构件中，为保证强度，降低重量，通常将钢材通过折弯、焊接等工艺加工成空腔结构。这种结构抗弯、抗扭惯性矩大，可以通过使用薄板实现较高的结构强度。但是随着板厚的降低和空腔的增大，高频的结构振动和空腔共鸣噪声很容易在密封的空腔结构中传播甚至放大，使结构件振动及声辐射增大。

为降低薄壁空腔结构中振动和声的传播，可以在空腔外部贴覆黏弹性阻尼材料[2]。但阻尼材料比重大，贴覆工艺复杂，所以本文通过采用低密度的发泡材料对空腔进行填充的方案降低振动及声的传播。通过计算及试验数据对比，此方法对大型空腔结构的振动噪声有明显的抑制作用。

2 研究方法

空腔填充材料选用新型聚氨酯发泡材料。配方采用了开孔、半硬泡及延迟发泡设计，具有开孔率高，密度低、阻燃、吸声效果好、施工简单迅速的特点。根据施工环境温度及施工条件，可以调整延迟发泡时间，便于施工。发泡后材料密度30 kg/m3。

通过仿真分析的方法来验证发泡材料填充的有效性。建立了354 mm×434 mm×1 000 mm 的壁厚8 mm的空腔架构，两端简支，1 000 mm长度方向中部加载80 N（100 Hz～1 500 Hz）的激励，计算对比了聚氨酯填充前后壁面10 mm位置的声压级。

通过对某大型轻量化空腔结构填充前后的振动激励的加速度和声压级响应对比，验证了填充材料的实际效果。

3 仿真分析对比

空腔结构在激励作用下向外部空间的辐射噪声问题，可以借助商用声学软件进行仿真计算分析。结构辐射噪声的仿真计算方法主要包括声学边界元法和声学有限元法。

在声学仿真技术发展的最初阶段，边界元法是计算结构辐射声场问题常用的方法，但该方法在定义聚氨酯泡沫等多孔吸声材料方面存在较大的困难[3]。

随着声学仿真计算的发展，商用声学软件LMS Virtual Lab Acoustics 提 出 了AML（Automatic Matched Layer）边界条件。借助AML 边界条件，有限元法也可以很好地完成结构辐射噪声问题的仿真计算。

由于本文是研究空腔结构内部填充新型聚氨酯发泡材料对其向外辐射噪声的影响，而利用边界元法很难对聚氨酯泡沫进行准确定义，故采用声学有限元法计算空腔结构在激励力作用下向外部空间的辐射噪声问题。

空腔结构辐射噪声计算模型如图1所示，从内到外依次为新型聚氨酯泡沫（或空气）、空腔结构、外部无限大空间。

新型聚氨酯泡沫采用LMS Virtual Lab Acoustics软件中的多孔材料中的Johnson-Champoux-Allard模型，利用流阻仪测量得到多孔材料的流阻率为87 000 Pa×s/m2，然后根据利用B＆K 4204 阻抗管测量得到该材料的吸声系数。基于以上新型聚氨酯泡沫的试验测量数据，利用多孔材料物性分析软件Foam-X，反推得到新型聚氨酯泡沫毕奥模型参数如下：

图1 空腔结构辐射噪声有限元计算模型

孔隙率：0.97

扭曲率：2.52

黏特征长度：0.037 mm

热特征长度：0.119 mm

根据上述参数，建立新型聚氨酯泡沫的声学计算模型。

空气密度1.2 kg/m3，空气中声速340 m/s。空腔结构材质为钢，密度7 850 kg/m3，弹性模型2.1×1011，泊松比0.3，厚度为8 mm。空腔结构前后两端采用简支边界条件。

振动激励为点力，作用在空腔结构上表面的中间位置，幅值为80 N。在空腔结构外表面建立100 mm 厚的空气层，在空气层的外表面定义AML 表面，模拟无反射表面。计算频率范围100 Hz～1 500 Hz，计算步长10 Hz。

在距离AML 表面外10 mm 处，建立场点，用来读取空腔结构的向外辐射声压级。由于空腔结构为对称结构，故只在其下表面和左侧面均匀间隔250 mm 分别取3 个测点（见图1），用来对比空腔结构内部填充新型聚氨酯泡沫前后，空腔结构向外的辐射声压级。测点声压级如图2所示。

图2 测点2声压级

从图2中可以看到，在空腔结构内部填充新型聚氨酯材料，可以明显降低空腔结构向外部的辐射噪声。6 个测点声压级降低约3 dB～5 dB，详见表1。

表1 填充新型聚氨酯泡沫后测点声压级对比 单位：dB(A)

空腔结构在外部激励作用下，其向外的辐射噪声主要来自2 个方面，一是空腔结构振动产生向外的辐射噪声，二是空腔结构振动在其内部形成混响声场，该混响声场透过空腔结构向外辐射噪声。而在空腔结构内部填充新型聚氨酯材料后，其良好的吸声性能可以降低空腔内部的混响噪声，从而降低了空腔结构的向外的辐射噪声。

4 试验对比

为验证穿孔发泡材料填充前后对振动噪声的影响，对某大型轻量化空腔结构件进行了聚氨酯发泡材料材料填充。采用激振器激励的方法，对加速度和声压响应进行填充前后的实测对比。

4.1 试验对象

结构件尺寸为1 700 mm×380 mm（宽×高），见图3。

图3 测试对象及测试现场

为实现轻量化指标，主结构横、纵梁均为空腔结构，主纵梁的空腔尺寸为434 mm×354 mm，空腔通过8 mm板材折弯焊接形成。对主结构横、纵梁空腔进行了聚氨酯发泡材料材料填充。

4.2 试验方法及测点布置

4.2.1 试验方法

在结构件聚氨酯发泡材料填充前后，对中间筏架施加激励，测试结构件的振动响应及近场辐射噪声。

试验激励源为激振器，激励点为上强结构，共6处，分别为A1、A2、A3，B1、B2、B3。（见图4）。通过控制信号输出设备（白噪声）参数及信号放大器参数保证聚氨酯发泡材料填充前后输入能量不变。加速度和近场噪声同时测量。

4.2.2 测点布置

近场噪声测点分别为M-1－M-6，测点布置图见图4。传声器距离结构表面10 mm，激振器分别在A1、A2、A3处进行激励，测得M-1、M-2、M-3三处的结构表面聚氨酯发泡材料填充前后的声压级。激振器分别在B1、B2、B3处进行激励，测得M-4、M-5、M-6三处的结构表面聚氨酯发泡材料填充前后的声压级。

图4 激振器激励点及近场噪声测点布置图

振动加速度响应测点为下强结构及安装板之间的8 mm 板材，共22 个测点，分别为A-1－A-11、B-1－B-11，见图5。

图5 振动加速度响应点布置图

激振器分别在A1、A2、A3 处进行激励时，分别测得A-1－A-11共11个测点的聚氨酯发泡材料填充前后的加速度响应。激振器分别在B1、B2、B3处进行激励时，分别测得B-1－B-11 共11 个测点的聚氨酯发泡材料填充前后的加速度响应。振动加速度响应点见图5。

4.3 结果对比分析

4.3.1 加速度测点平均值对比

各加速度测点发泡材料填充前后加速度对比数据见表2。

由表2数据可以看出，填充前后在同样的输入能量下，各测点加速度平均降幅在2.61 dB～5.78 dB之间。可以看出，填充物对结构振动有明显抑制作用。

表2 填充前后各加速度测点平均值差对比 单位：dB(A)

4.3.2 加速度频谱对比

图6给出了A1 点激励，A-1 测点填充前后的加速度频谱数据，图7给出了A1 点激励，A-11 测点填充前后的加速度频谱数据。

图6 A-1测点填充前后数据对比

图7 A-11测点填充前后数据对比

由图6、图7可以看出，在800 Hz～5 000 Hz 之间，填充前后加速度幅值有明显降低。并且远离激励点的A-11测点较靠近激励点的A-1测点填充前后加速度幅值降幅更大。表明加速度测点远离激励点位置时，由于振动能量在填充物内的消耗距离增大，使得远离激励点的测点的振动衰减增大。

4.3.3 平均声压级对比

各测点发泡材料填充前后平均声压级对比数据见表3。

由表中数据可以看出，聚氨酯发泡材料填充前后在同样的输入能量下，各响应点近场噪声平均值降幅在3.74 dB～10.14 dB 之间。可以看出，填充物对空腔近场辐射噪声有显著抑制作用。

表3 填充前后各测点平均声压级对比/dB(A)

4.3.4 声压级频谱对比

由图8、图9、图10给出了A1 点激励，M-1、M-2和M-3位置处声压级在填充前后的声压级频谱数据对比。

图8 M-1测点填充前后声压级频谱

图9 M-2测点填充前后声压级频谱

由图8、图9、图10可以看出，在全频段内近场噪声在填充前后均降低。并且随着测点离激振点距离的增大，其声压级总值差值亦增大。表明近场噪声测点远离激励点位置时，由于声能量在填充物内的消耗距离增大，使得远离激励点的测点的声压级衰减增大。

图10 M-3测点填充前后声压级频谱

5 结语

通过对某大型空腔结构聚氨酯泡材料填充前后的振动噪声测试数据对比，表明在轻量化大型空腔结构中，穿孔发泡材料可以显著降低空腔薄壁的振动及辐射噪声。

该型聚氨酯发泡材料具有一定的吸声减振效果，密度低，施工简单。可以应用到各种场合。在车辆工程中，车身侧围总成是影响整车NVH重要的部件之一，为空腔薄壁结构，可以通过此新型聚氨酯发泡材料填充达到提高整车NVH的目的[4]。在城市高架桥及铁路的混凝土箱梁内，空腔共鸣噪声会影响桥梁的声学特性，根据以上试验研究，可以通过空腔内填充此新型聚氨酯发泡材料降低空腔共鸣噪声[5]。