找回密码
 注册
Simdroid-非首页
查看: 1840|回复: 0

基于自动化脚本及有限元建模的隔声优化设计

[复制链接]
发表于 2018-8-14 11:24:01 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 中国

浅谈隔声

隔声问题,一般讨论的是物体一侧的声波透过物体传递到另外一侧的问题。隔声越好,消声作用越强,物体另一侧透过的声音越小。隔声的定量描述,即声学透射系数tI的倒数,实用中常用分贝来度量,表达如下:

实验测量时,则需要在专业的声学实验室中进行。下图是两种专门用来测量隔声量的实验室。
图 1实验室一:混响室+(半)消声室
图 2实验室二:混响室+混响室
将实验待测试件安装于两个声学实验室共有的墙壁中,测量发声室一侧入射到试件上的声功率和受声室一侧的透射声功率,就可以由隔声量的计算公式推导出试件的隔声量。

板件的典型的隔声量曲线如图 3所示。
图 3典型隔声曲线
隔声量一般是随频率变化的。总的来说,隔声性能随频率升高而提高。但是在各个频率段中,隔声性能又由不同因素影响和决定。通常,我们将这些频段从低到高分为:刚度控制区、共振控制区、质量控制区和吻合控制区。
  • 在刚度控制区中,刚度决定隔声的大小,刚度越大,隔声越好。例如四边固支的板要比四边自由的隔声量高。
  • 在共振控制区中,入射波的频率与板件共振频率接近,产生强的共振辐射噪声,从而使隔声曲线形成一个个的波谷。在这个频段中,阻尼也会影响幅值的高低。阻尼越大,共振的强度越小,从而改变透声的能力。
  • 在质量控制区中,隔声量由板件的面密度决定。隔声曲线相对平滑,每倍频增加6dB。
  • 在吻合控制区中,由于声波波长和结构的弯曲波波长相当,会出现横波共振,从而透射大量的声能量,产生隔声的低谷。吻合控制区的存在对隔声造成较大影响。虽然较高的结构阻尼可以提高这个频率段的隔声量,但最好是让吻合控制区避开主要的噪声源频率。

2密封条边界约束对隔声性能的影响

       再看几个用Actran模拟带密封条效果的玻璃的隔声量曲线。其中密封条的非线性大变形计算由Marc软件完成,Actran读取Marc计算的变形结果,进一步计算密封条与玻璃组成系统的振动噪声-即隔声-问题。
1.玻璃厚度不同
图 4隔声量随厚度变化曲线

板的厚度不同,隔声量在质量控制区表现不同,越厚的板件,隔声越高。但可以清晰观察到不同的厚度隔声曲线在质量控制区呈现每倍频程增加6dB的规律。
2.玻璃厚度相同,不同的密封条设计
图 5隔声量随密封条设计变化曲线
质量控制区的隔声不受密封条设计的影响,只由玻璃厚度(面密度)决定。因此在图 5中,四个密封条作用下,玻璃板在质量控制区的隔声曲线完全相同。但是在吻合控制区,由于不同的密封条设计将改变玻璃四边的边界约束条件,也会改变整个系统结构的阻尼,因此在吻合控制区中,四种密封条设计的隔声大小有很大区别。通过实验或者仿真计算,可以判断出哪一种密封条设计可以使玻璃的隔声效果最好。

3大众汽车前围板隔声仿真案例

除了上文中提到的边界约束、板件厚度可以作为用来提高隔声量的方法,在工程上还经常用到一些吸声、隔声材料来提高板件的隔声性能。如下文中提到的大众汽车前围板隔声仿真计算案例。
本例中研究了几种仿真方法对于前围隔声量计算精度的影响,并与实验测量的结果进行了对比。下图即是实验示意图,按照ASTM E90(空气声传递损失实验测量标准)进行实验。中间图片可见前围嵌入在试件墙中,并凸向发声室一侧,用来模拟发动机噪声在发声室一侧的空气声激励。
图 6测试实验图
由两个混响室构成的隔声实验室测量到的数据,经过如下处理,可以得到隔声量。
TL=SPL发声室-SPL受声室+10logS-10logA
其中S是试件在发声室一侧的声波接触面积,A是受声室的等效吸声量。
分别选取了四种仿真计算方法/软件:有限元FEM方法(Actran软件)、有限元FEM方法(Nastran软件)、边界元BEM方法(某软件)、统计能量SEA方法来进行仿真建模和计算。在仿真模型中,要模拟发声混响室中的扩散声场激励以及受声室中结构透声的半自由声辐射(试件墙对声辐射是一个反射面)。
图 7即本例的研究对象。前围板由钣金件、外层泡沫、防撞板、内层泡沫、重层及棉纤维无纺布覆盖构成。
图 7前围板结构示意图
Nastran中模拟泡沫模型、防撞板、重层和棉纤维无纺布的声振特性时,需要依赖于Nastran PEM模块。Nastran PEM采用Actran的弹性多孔材料求解技术,是Nastran中专门用来进行多孔弹性材料声振性能模拟的模块。对多孔弹性材料进行精确建模,不仅考虑在材料孔隙中的空气传声、损耗以及多孔材料骨架结构上的固体传声,还考虑了声波在孔隙和结构之间传递的相互作用,见图 8。由此也可以看出,Actran对于多孔弹性材料的模拟技术全方面的考虑了多孔材料作为有形结构体的振动特性,同时还考虑了孔隙当中的声传播特性。为了验证Nastran PEM和Actran计算结果的一致性,本案例中分别进行了在Nastran PEM中的计算和Actran中的计算。
图 8多孔弹性材料传声示意图
       模拟结果与实验的对比如图 9所示。各种方法均在600Hz以上与实验测试结果吻合度很好,并且呈现出每倍频程增加6dB的趋势,可见由600Hz到2000Hz是质量控制区。在600Hz以下的频率段,各种方法计算结果相差较大。其中Actran与Nastran PEM相似度非常高,并且与实验结果也更贴合。而SEA方法以及BEM方法对于此类复合板件隔声问题与实验数据在低频段偏离较大。
图 9各种方法结果对比
大众汽车前围板隔声量仿真的案例说明了仿真计算方法在评估结构透声问题上是可行且准确的。如果能够结合优化程序,可以进一步提高结构的隔声性能,并且达到减重、降成本的目的。下面案例即采用Actran内置的优化算法NLOpt进行板件隔声量自动优化。

4板件隔声量自动优化案例

       本算例采用与汽车前围板大小相似的板件作为优化对象。结构如下:
图 10板件隔声结构示意图

基础板件的大小为1.75x0.6x0.002m,材料为铝。上层100%覆盖两层声处理材料:中间层为泡沫材料,上表面覆盖重层。
基础板材料参数如下:
表格 1铝的材料参数
泡沫材料参数如下:
表格 2泡沫材料参数
重层材料参数如下:
表格 3重层材料参数
本算例中,泡沫层的厚度可变范围为0.002-0.01m,重层的变化范围为0.001-0.006m。如果按照变化量的可变范围,整个板的重量变化区间为[10.96708kg-37.0354kg]。为了使板件的隔声最优,并保证整个板的重量小于32kg,采用Actran内置的NLOpt优化程序,设置重量约束条件,对泡沫的厚度和重层的厚度进行优化。
表格 4优化参数定义
经过18次迭代,优化程序终止,并找到符合整个板的总重量不超过32公斤,隔声量最大的最优设计(如图 11)。此时泡沫材料厚度为0.0998m,重层厚度为0.00467m(如图 12)。
图 11隔声量优化结果

图 12优化输出报告内容

图 13优化信息曲线显示

在图 12报告中记录了每一次优化迭代中泡沫材料的厚度、重层厚度、隔声量的频率积分总值以及此时的板件总重量。由图 13可见,在约束条件(重量<=32kg)附近即第7次迭代后,迭代收敛较慢,因此可以适当的设定最大迭代次数以控制优化的时间。

此例题仅对材料层厚度进行了有重量约束的板件隔声量优化,但是在实际问题中,也可以设置更多约束条件对更多参数进行优化。比如泡沫材料以及重层的铺设位置(通过优化语句带动网格生成命令)、更多材料层厚度的优化、质量的优化、成本的优化、振动指标的优化、噪声指标的优化等。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有账号?注册

×
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

Archiver|小黑屋|联系我们|仿真互动网 ( 京ICP备15048925号-7 )

GMT+8, 2024-3-28 23:08 , Processed in 0.030253 second(s), 9 queries , Gzip On, MemCache On.

Powered by Discuz! X3.5 Licensed

© 2001-2024 Discuz! Team.

快速回复 返回顶部 返回列表