赵少东 吉日格勒 曾玉梅 肖望强 赵文华

(1.国家能源集团准能集团有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000;2.厦门大学航空航天学院,福建 厦门 361000;3.国能郎新明环保科技有限公司,北京 100039)

矿用管状带式输送机作为采矿过程中的长距离运输皮带,启动后托辊不断运转,当轴承高速转动时,输送带和托辊辊筒摩擦产生噪声,传播出的噪声对当地的村民生活带来了非常大的影响。为了减少噪声污染,设备只能在平日6～22时之间运行,这很大程度地降低了管带机的工作效率。因此,研究出能对管带机噪声实现有效吸隔声的方案至关重要。

对于传统材料,根据质量定律可知,如果要实现吸隔声的目标,可以采用厚度很大或者密度非常大的材料,因此研发出具有良好低频吸隔声性能且重量轻的复合结构和材料便成为当今研究的热点[1]。对亚波长复合微结构的声学超材料,通过巧妙地设计可表现出独特的声学性能,例如负等效模量、负折射等,即使得隔声峰频率与目标噪源最大峰值频率达成一致来实现吸隔声的目标[2-3]。Liu等[4]提出的局域共振型板结构概念是指通过将弹性材料周期性地涂覆在刚性球体上,在特定的频率能表现出特殊的声学特性,如负等效弹性常数、声波全反射等。Yang等[5]设计的声学超材料是通过将具有质量的物块固定在薄膜中心的结构,借助有限元软件探究该超材料的低频特性,并设计驻波管实验验证仿真的结论。肖望强等[6]基于离散元仿真的方法,在齿轮传动过程中通过改变阻尼器的个数和安装位置以及不同颗粒材料填充率,研究其对整体系统的耗能影响,设计的方案能有效地解决齿轮啮合过程中产生噪声和振动的问题。贺子厚等[7]设计的基于薄膜型的声学超材料具有可调节性,对于压电材料通过改变其结构参数,在低频段能得到较好的吸隔声性能。许多研究人员通过利用有限元仿真、模型建立、设计驻波管实验等过程,探究了改变声学超材料结构参数的隔声机理[8-9]。

针对管带机运行过程中产生噪声的问题,本研究首先介绍了声学超材料的基本理论,并设计了蜂窝夹层结构的声学超材料板。其次,通过现场采集的管带机噪声数据和主振频率范围确定隔声的主要频段,以此作为COMSOL仿真和后续实验输入噪声激励的依据,并且创新性地改变结构内蜂窝芯子的边长及高度,根据仿真的结果比较不同参数下的吸隔声性能,由最佳设计参数设计了声学超材料板。最后,设计实验将管带机的噪声数据作为实验的输入噪声激励,利用声压传感器采集噪声激励通过超材料板后的噪声数据,计算出隔声量并绘制隔声曲线,观察设计参数下的超材料板的吸隔声特性,通过对比仿真结果和实验结果得出相关结论。

1 声学超材料理论分析

1.1 声学超材料原理介绍

物体振动过程中,某块区域的振动会引起该区域中的媒质质点离开平衡点,即推动了相近媒质质点,这个过程为压缩相邻媒质[10]。假设p为声压,p0为没有声波扰动时的大气静压强,p1为体积元受到扰动后转变的压强,声压原理图如图1所示。

图1 声压原理Fig.1 Principle of sound pressure

1.2 声学超材料结构设计

矿用管状带式输送机的噪声大多由托辊运转时造成,当轴承高速运转时,输送带与托辊的辊筒发生剧烈摩擦从而产生噪声,通过托辊的基础结构作为介质传出外界,托辊径向跳动导致皮带与托辊拍打产生噪声,噪声传递路径如图2所示。利用声压传感器采集噪声数据,测点位置设置在管带机外侧距离地面上高度为1.5 m处,如图3所示。采集0～1 000 Hz中1/3倍频程频率上的噪声数据,测量3次数据并取平均值绘制声压级柱状图,如图4所示。同时根据振动测试可知管带机的主振频率为270～450 Hz,噪声范围在58.61～64.49 dB,这些也是作为COMSOL仿真和后续实验输入噪声激励的依据,并为研究不同参数下最佳吸隔声性能方案及对声学超材料板进行吸隔声实验提供了设计基础。

图2 管带机噪声传递路径Fig.2 Noise transmission path of the tubular belt conveyor

图3 噪声测点位置Fig.3 Location of noise measuring points

图4 管带机声压级柱状图Fig.4 Sound pressure level bar chart of the tubular belt conveyor

此次设计的声学超材料板为蜂窝夹层结构,首先建立结构的三维模型,该结构包括上下面板和中间一系列紧密排列的正六边形组成的蜂窝芯层,蜂窝芯子高度为H=20 mm,长度为L=9 mm,整体板材质为铝,壁厚为D=1 mm,超材料板剖视图如图5所示。通过中空的蜂窝芯层结构能够减小整体的质量,同时还能起到支撑作用,提高夹层板刚度,从而获得良好的隔声性能[15-16]。

图5 蜂窝芯板剖视图Fig.5 Cross-sectional view of honeycomb core board

2 声学超材料板的仿真分析

本项目将研究声学超材料板的吸隔声作用以及在改变蜂窝芯子长度和高度情况下超材料板最佳的吸隔声结构参数。利用现场采集的管带机噪声数据和主振频率范围确定隔声的主要频段,以此作为COMSOL仿真和后续实验输入噪声激励的依据。

借助COMSOL有限元软件对声学超材料板进行仿真分析,由于超材料板具有明显的周期性特征,通过模拟板中含有足够多个单元体,仿真模型如图6所示。此外,入射声压场设置为背景压力场,设置平面波声压幅值为1 Pa的声源,通过在单元体的两端分别设置完美匹配层来吸收声波,防止出现声波反射影响仿真结果的正确性,对声学超材料板进行0～1 000 Hz的扫频。整体板材质为铝,材料参数见表1。

图6 单元体仿真模型Fig.6 Simulation model of unit body

表1 吸隔声单元体材料参数Table 1 Material parameters of sound absorption and insulation unit

2.1 蜂窝芯子边长对材料板隔声量的影响

基于蜂窝夹层的结构,此次采用COMSOL进行仿真,研究声学超材料板内不同蜂窝芯子的边长对吸隔声性能的影响。图7为蜂窝芯子边长L分别为3、6、9 mm的三维模型图。

图7 3种边长蜂窝芯子Fig.7 Three lengths honeycomb cores

本项目主要研究改变蜂窝芯子长度和高度对声学超材料板低频隔声性能的影响。首先研究蜂窝芯子长度的影响,为了控制单一变量,统一设置高度为H=10 mm,3种边长的隔声曲线如图8所示。

图8 不同边长的蜂窝芯子隔声曲线Fig.8 Sound insulation curves of honeycomb cores with different side lengths

从图8可以看出,在所求频段范围内,随着频率的升高,蜂窝芯子边长增加时隔声曲线总体呈逐渐上升的趋势,且在低频时波动较大。对于不同的蜂窝芯子边长隔声曲线出现的隔声峰和隔声谷所在的频率基本相同。随着蜂窝板边长的增大,隔声量有所增加,主要是因为蜂窝芯作为上下面板的连接部分,在隔声过程中会出现声桥的现象,当蜂窝芯子边长较大时,单位面积内的芯子个数减少,形成的声桥较少,声波在蜂窝芯中传递被减弱,隔声量就有所增加。若蜂窝芯子边长较小时,声学超材料板的单元体增多,声桥增多,声波传递增多,隔声效果下降,同时蜂窝芯子边长较小时会使得加工工艺变得复杂,成本升高,对设备也有更高的要求。此外,边长从6 mm增加到9 mm相比于边长从3 mm增加到6 mm总体的隔声量增加幅度有所下降,主要是因为蜂窝芯子边长较大时,会使得蜂窝芯层与上下面板的粘接强度和剪切刚度降低,使得隔声量增加的幅度减小。所以综合考虑其性能及加工要求,此次设计采用边长为9 mm的蜂窝芯子,由仿真可知在管带机的主振频率内,频率为315 Hz处,隔声量最高达到了27.3 dB,这为确定声学超材料板的最佳结构参数提供了方向。

2.2 蜂窝芯高度对材料板隔声量的影响

保证蜂窝芯子的边长和上下板的厚度不变,仅改变蜂窝芯子的高度,探究其对声学超材料板吸隔声性能的影响。此时统一设置蜂窝芯子边长为L=9 mm,建模出3种高度分别为10、20、30 mm的蜂窝芯层,如图9所示。将3种尺寸下的声学超材料板模型导入COMSOL中仿真,图10为仿真结果。

图9 3种高度蜂窝芯子Fig.9 Three heights honeycomb cores

图10 不同高度的蜂窝芯子隔声曲线Fig.10 Sound insulation curves of honeycomb cores with different side heights

从图10可知,对于不同高度的蜂窝芯子,声学超材料板的隔声曲线趋势总体一致。在低频阶段,曲线波动比较明显,蜂窝板的隔声量随着高度的增大而增大,在管带机主振频率范围内的隔声量也较高。当蜂窝芯子高度增大时,整体刚度和质量提高,由隔声特性曲线规律可知,这会使得传播到声学超材料板内部的声能被有效地反射消耗,因此隔声量也逐渐增多。但是随着高度的增加,面板的重量和成本也会提高。此外,随着蜂窝芯子高度的增加,隔声峰的频率逐渐向低频移动,主要原因是当芯子高度增加时,蜂窝腔的体积增大,腔内填充的空气增多,导致外界的声波与空腔达到共振的频率降低,所以隔声峰逐渐前移。从图10中可以看出,在管带机的主振频率范围内,高度取20mm时的隔声量较大,频率为315 Hz时,隔声量最高达到了34.8 dB。综合声学超材料板的隔声性能及效率,考虑设计及成本等因素,此次设计采用20 mm高度的蜂窝芯子。

因此,可通过改变蜂窝芯子的边长及高度有效地改善声学超材料板的吸隔声性能以满足实际的设计需求,此次仿真的结果为后续实验的开展提供了有效的方向和依据。

3 实验设计

由以上的仿真结果设计实验,研究声学超材料板的吸隔声性能。蜂窝芯子为正六边形,边长为9 mm,高度为20 mm,壁厚为1 mm,上下面板厚度为1 mm,整体隔声板材质为铝,尺寸为500 mm×500 mm,声学超材料板局部放大图如图11所示。

图11 声学超材料板局部放大Fig.11 Partial enlarged view of acoustic metamaterial board

实验的测试系统主要包括计算机(测试软件DASP)、球声源、信号发生器、声压传感器等,实验原理如图12所示。

图12 实验原理Fig.12 Schematic diagram of the experiment

实验装置如图13所示,首先在2个房间A、B中的隔墙中开设有一个500 mm×500 mm的窗口,用于放置隔声样件。在房间A距离隔墙1 m处布置1个球声源,根据采集到的管带机噪声数据作为球声源的输入噪声激励,模拟在管带机现场产生噪声的情况,在房间B距离隔墙1 m处布置声压传感器,在安装了隔声板之后房间B外部进行模拟试验测量吸隔声量数据。

图13 现场实验装置Fig.13 Experimental principle

为减少试验结果的离散性误差,每次声压传感器实验结果取3次的平均值,实验得到的隔声曲线与仿真所得的隔声曲线对比如图14所示。

图14 仿真与实验结果的隔声曲线Fig.14 Sound insulation curves of simulation and experimental results

由图14可知,随着频率的不断增加,隔声量逐渐提高,在低频段处出现了2个隔声量波峰,第一个波峰出现在80 Hz处,其隔声量达到了31.2 dB,实验得到的隔声量达到了29.8 dB。而隔声量波谷出现在200 Hz处,仿真结果的隔声量为20.6 dB,实验结果为20.4 dB。同时在管带机主振频率270～450 Hz范围内,有较好的隔声效果,在频率315 Hz处,仿真得到的隔声量达到了34.8 dB,实验结果为34.2dB。从图中也可以看出,实验与仿真的隔声曲线有一定的偏差,主要原因是在有限元仿真时设置的理想平面波条件与实际条件有所偏差,同时仿真采用的材料参数与实际情况不够一致。但是从总体的趋势来看,实验得到的隔声曲线和仿真曲线有较好的一致性,且都在管带机的主振频率范围得到了较高的隔声量。以上结论验证了本研究的声学超材料板在合理的结构参数设计下具有良好的低频吸隔声性能以及该超材料板应用于管带机吸隔声的可行性。

4 结 论

(1)设计的声学超材料板为内部中空的蜂窝夹层结构,整体质量较小且有较好的支撑作用,提高了整体面板的刚度,从而获得了良好的隔声性能。

(2)通过现场采集的管带机噪声数据和主振频率范围确定隔声的主要频段,以此作为COMSOL仿真和后续实验输入噪声激励的依据,并且创新性地通过改变结构内蜂窝芯子的边长及高度,比较不同参数下的吸隔声性能,确定单元体的最佳设计参数以达到最佳的吸隔声效果,在管带机的主振频率范围内声学超材料板仿真得到的隔声量能达到34.8 dB。

(3)虽然实验结果和仿真结果的隔声曲线有一定的偏差,主要是实际的条件与理想的仿真条件误差以及材料参数设置不够准确所致,但两者变化的趋势是一致的,整体吻合得较好,在管带机主振频率范围内实验得到的隔声量最高也能达到34.2 dB。研究结果表明:通过合理设计声学超材料板的结构参数能使管带机在主振频率范围内有效地达到吸隔声目标,同时该超材料板具有良好的低频吸隔声性能,这为实现管带机的吸隔声目标提供了一定的参考。