戴震坤

摘要：本文基于COMSOL软件建立了三种厚度相同的板结构的声学仿真模型，分别是云杉板、铝板、以及芯层为云杉面层为铝板的夹层板，并开展了其声学性能的仿真研究。研究表明，铝板在低频区域具有最好的隔声性能，夹层板次之，但夹层板在整个研究频带的隔声性能都比较稳定。

关键词：声学生能;传声损失;板结构;COMSOL软件

0  引言

随着人们环保意识的增强，以及国家发展绿色复合材料的需求，植物纤维复合材料的研究受到了越来越多的关注。植物纤维具有天然的空腔结构，声波在空腔中传播时更容易发生能量耗散而被吸收掉，因此植物纤维具有优良的吸声性能[1-3]。本论文基于COMSOL软件开展了云杉板、铝板、以及芯层为云杉面层为铝板的夹层板的声学性能仿真研究。

1  声学模型构建

首先在COMSOL软件中建立三种板结构的声学仿真模型。以夹层板的建模为例，陈述如下：在“模型导向”建模模式中选择三维空间维度并添加“声-固相互作用，频域”物理场接口与“频域”研究。板的面板，芯层和研究域均采用“长方体”，夹层板的两个面板均采用铝面板，选择“Aluminum3003 [solid，-F]”，芯层材料选择“Pine[solid， tangential]”，声压级参考压力设置为环境空气的参考压力。选择自由四面体网格用于划分网格单元，将最大单元尺寸设置为343[m/s]/1500[Hz]/5=0.045mm，至此即可完成夹层板的声学仿真模型构建。

2  声学性能仿真研究

模型建完后，设置相应的分析频率范围，此处为50-1500Hz，计算频率间隔为25Hz，然后点击“计算”进行运算，在“模型开发器”的“结果”展开列里可以看到结果列表。单击“结果”节点下的声压、声压级、声压等值面、传声损失以及1/3倍频带图等按钮便可查看相应的分析结果。图1-圖4所示为芯层为云杉、面层为铝板的夹层板的声学仿真结果图。

由图4和图5可以看出，夹层板在整个分析频带上都具有比较高的传声损失值。为进一步考察同等厚度的纯铝板与纯云杉板的隔声性能，将芯层与面板材料进行替换，分别测得云杉板与铝板的声学性能，将仿真结果导入表格，并在matlab中编程读取仿真数据绘图，可得到三种板结构的传声损失对比图，如图6所示。

从传声损失比对图可知，铝板在低频区域具有最好的隔声性能，夹层板次之，但夹层板在整个研究频带的隔声性能都比较稳定。在传声损失曲线上，某些频率传声损失会突然下降，这些频率与板的固有模态频率相接近，引起了板的共振，从而使传声损失下降。

在低频区域，芯层为云杉、面层为铝板的夹层板的传声损失与同厚度的铝板相当，但在高频区域，夹层板的传声损失量却明显高于铝板，这意味着用云杉作芯层的夹层板的高频隔声性能优于同厚度的铝板。这是由于当入射声波接触植物多孔材料时，材料表面及材料内部孔洞中的空气分子将被迫发生振动，从而消耗掉入射声能。在这个过程中，声波所携带的能量，将在材料内部孔隙壁、通道与空气之间的热交换以及粘性阻力作用下，被逐渐转化为热能。此外，对于纤维状多孔材料面而言，纤维之间的摩擦，以及单根纤维的振动也将消耗掉部分声能。

3  结语

本文基于COMSOL软件研究了三种厚度相同的板结构的隔声性能。研究表明，芯层为云杉、面层为铝板的夹层板在整个隔声频带上都具有较好的隔声性能，其在高频段的隔声性能明显优于同厚度的铝板。

参考文献：

[1]李岩，李倩.植物纤维增强复合材料力学高性能化与多功能化研究[J].固体力学学报，2017，38（03）：215-243.

[2]倪丽.多物理场作用下的多孔金属材料声学性能研究[D].银川：宁夏大学，2016.

[3]刘国强，楼京俊，何世平等.基于COMSOL多层材料吸声覆盖层的吸声特性分析[J].舰船科学技术，2016，38（07）：33-37.

[4]李娟.组合微穿孔吸声体声学特性研究[D].银川：宁夏大学，2015.