原文来源：《应用声学》 Applied Acoustics 182 (2021) 108265，https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2021.108265，Numerical investigations about the sound transmission loss of a fuselage panel section with embedded periodic foams
原文作者：Dario Magliacano，Giuseppe Petrone，Francesco Franco，Sergio DeRosa，那不勒斯费德里克二世大学，航空航天学院工业工程系PASTA-Lab（航空结构和声学实验室）
摘要
本文的范围是研究典型机身面板部分的声音传输损失，并基于在其泡沫芯内包含周期性模式提出解决方案，旨在被动改善中高频范围内的声学性能。从基于多孔超材料的声学组件的现有技术开始，对新的机身面板配置进行了详细的数值研究。目前工作的主要新颖之处在于超核概念的解决方案在航空声学包内的应用，以及对其几何参数产生的影响的系统研究。为了达到这一目标，研究了机身面板截面的数值模型，并模拟了几种周期模式的效果；更具体地说，考虑了十二种配置，每种配置都具有不同的夹杂物半径和沿厚度方向的晶胞数量。对于这些布局中的每一个，与经典的同质对应物相比，所谓的超核结构的质量增加，以及相关的中频带频率和声音传输损耗峰值的幅度被估计，这是引起的通过由超核结构本身的周期性特性激发的额外声学模式。结果以表格和图表的形式呈现，这可能构成一个良好的基础，以便进行初步设计考虑，这可能对进一步的推广很有意义。
介绍
如今，现代城市化和交通量的增加可能导致严重的噪声引起的健康损害，如烦躁、睡眠障碍，甚至缺血性心脏病[1]，因此对环境噪声控制的兴趣正在迅速增长。一般来说，经典的吸音材料可以分为两个不同的领域：谐振器[2]和多孔介质。声学谐振器主要包括穿孔板[3]和/或亥姆霍兹谐振器[4]。这些解决方案在低频下具有良好的性能，但它们通常显示出窄频带间隙的缺点[5]。相反，用于声学目的的多孔介质是由通道、裂缝或空腔制成的材料，它们让声波进入泡沫，从而通过粘性和热损失耗散它们的能量；这些能量消耗动态允许在更宽的频率范围内吸收声音[6] [7]。无论如何，多孔介质在低频下的效率与其在高频下的性能相比[8]，通常通过使用多层配置来克服这种限制[9]；在任何情况下，这些解决方案的效果始终取决于允许的厚度或隔音配置的总质量[10] [11]。
一种提高声学封装效率的有趣方法是使用带有嵌入周期性夹杂物的多孔介质[12] [13]，它们表现出适当的动态过滤效果，这对系统的声振动力学及其制造方面都有好处。这种方法可能在能源、民用和运输（航空航天、汽车、铁路）工程领域有多种应用，在这些领域，空间、重量和声学舒适度仍然是关键挑战。
有关加筋[14]和夹层[15] [16] [17]面板的声学优化的多项研究可以在相关文献[18] [19]中找到。众所周知，对于固体泡沫层[22] [23]和多孔泡沫层[24] [25]，或多孔弹性层[26] [27] [28] [29] [30]，夹层芯的性质可能对航空航天结构的声学性能有很大影响[20] [21]；此外，已经证明核心几何形状也起着相关作用[31]。
在目前的工作中，从基于多孔超材料的声学包的现有技术开始，对一种新的机身面板配置进行了数值研究。它的主要新颖之处体现在超材料核心解决方案在航空学声学包内的应用，以及对其几何参数产生的影响的系统研究。可以通过不同的方法来估计声音传输损失，例如传递矩阵法(TMM) [32]、有限元法(FEM) [33]、波有限元法(WFEM) [9]和统计能量分析（SEA）[34] [35]，都有自己的优点和局限性[36]。本研究采用了TMM和FEM。
本文介绍了以典型机身多层面板截面为代表的所研究声学组件的特性，以及所研究的三维有限元几何结构；此外，本文还介绍和讨论了两种初步的声音传输损耗研究工作：一种具有沿厚度固定且不同半径的夹杂物，另一种具有固定的夹杂物半径和沿厚度变化的晶胞数。随后对12种设置进行了参数测试工作，每种设置都有不同的夹杂物半径和沿厚度的晶胞数量；对于这些配置中的每一个，与经典的均质对应物相比，所谓的超核心（带有嵌入周期性包裹体的泡沫核心）的质量增加，以及相关的中频带频率和振幅被估计声传输损失峰值。结果以表格和图表的形式呈现，这可能构成一个良好的基础，以便进行初步设计考虑，这可能对进一步的推广很有意义。在结论中，对本次研究的结果进行了评论，并对本研究的未来发展进行了展望。
周期性泡沫芯材在典型机身面板截面中的应用
本节对典型的机身多层面板截面进行了数值模拟和研究。
图1：典型机身上的声音入射、反射和传输[37]
图2：所研究的一个声学包的分层顺序示例
表1、表2 以及图2的图例报告了所研究的声学组件的几何和物理特性，包括典型的机身多层面板部分
表1：玻璃棉JCA模型特性
表2：实体层的特性 图3：meta-core示例
图4：从左到右，meta-core晶胞
图5：使用固定数量的晶胞沿厚度和不同半径的夹杂物进行传输损耗研究
图6：使用固定半径的夹杂物和沿厚度变化的晶胞数量的传输损耗研究 图10：左图为表4配置5与SHBW超核配置的TL比较；在右侧，表4的配置5与质量增加的改进均质模型之间的比较
图7：从左到右，表3中描述的配置2、5、8 和11的FE离散化示例 为了完整起见，应该指出的是，作者还验证了所谓的气隙反共振的存在，这是由Wilby[47]预测的内部装饰夹层板的存在引起的，无论如何，这在图中不可见，因为它发生在比此处分析的频率更高的频率上。
沿厚度方向不同夹杂物半径和晶胞数的数值研究
本节对十二种配置进行了数值测试工作，每种配置具有不同的夹杂物半径和沿厚度方向的晶胞数量。表3显示了每个研究配置的有限元网格单元的数量，有限元离散化的一些示例如图7所示；可以在相关文献[48] [49]的上下文中轻松找到经典FE公式和方程的详细描述。对于这些布局中的每一个，与经典的同质对应物相比，超核心结构的质量增加，以及相关的中频带频率和TL峰值的幅度，都被估计了出来。
表3：每个研究配置的有限元网格单元数
图8：参数研究的数值结果，以条形图的形式表示
图9：参数研究的数值结果，以彩图的形式表示 总结
在这项工作中，对机身声学组件的创新配置进行了数值研究，目的是被动地提高选定频率范围内的声学性能，从而为现有技术引入一些新颖性基于多孔超材料的声学包。
首先，研究了机身面板截面的数值模型，并模拟了几种周期模式的效果。
依次考虑了十二个设置，每个设置具有不同的夹杂物半径和沿厚度的晶胞数量。对于这些配置中的每一个，与经典的同质对应物相比，超核结构的质量增加以及相关的中频带频率和传输损耗峰值的幅度被估计。
未来的工作可以集中在进一步减少与使用超核芯结构相关的质量增加上，以及分析更复杂的激励负载。对于潜在的低频应用，在多孔或多孔弹性层中包含周期性亥姆霍兹谐振器可能代表吸隔声包装设计中的一项有趣创新的工作方向，因为这种配置可能受益于由于周期性（在中高频）和亥姆霍兹（可调谐，因此可能在低频）共振。
参考文献
[1] L. Cao, Q. Fu, Y. Si, B. Ding, J. Yu Porousmaterials for sound absorption Composite Commun, 10 (2018), pp. 25-35,10.1016/j.coco.2018.05.001 [2] X.D. Zhao, Y.J. Yu, Y.J. Wu Improvinglow-frequency sound absorption of micro-perforated panel absorbers by usingmechanical impedance plate combined with helmholtz resonators Appl Acoust, 114(2016), pp. 92-98, 10.1016/j.apacoust.2016.07.013 [3] F. Yildiz, A.G. Parlar, Z. Parlar, M.Bakkal Properties of sound panels made from recycled footwear treads Acta PhysPol, A, 132 (3) (2017), pp. 936-940, 10.12693/APhysPolA.132.936 [4] C. Cai, C.M. Mak Noise attenuation capacityof a helmholtz resonator Adv Eng Softw, 116 (2018), pp. 60-66,10.1016/j.advengsoft.2017.12.003 [5] L. Lv, J. Bi, C. Wei, X. Wang, Y. Cui,H. Liu Effect of micro-slit plate structure on the sound absorption propertiesof discarded corn cob husk fiber Fibers Polym, 16 (7) (2015), pp. 1562-1567,10.1007/s12221-015-5002-x [6] U. Berardi, G. Iannace Acousticcharacterization of natural fibers for sound absorption applications BuildingEnviron, 94 (2015), pp. 840-852, 10.1016/j.buildenv.2015.05.029 [7] X. Xinzhao, L. Guoming, L. Dongyan, S.Guoxin, Y. Rui Electrically conductive graphene-coated polyurethane foam andits epoxy composites Composite Commun, 7 (2018), pp. 1-6,10.1016/j.coco.2017.11.003 [8] J.-P. Groby, C. Lagarrigue, B. Brouard,O. Dazel, V. Tournat Using simple shape three-dimensional inclusions to enhanceporous layer absorption J Acoust Soc Am, 136 (3) (2014), pp. 1139-1148, 10.1121/1.4892760 [9] Y. Yang, B.R. Mace, M.J. Kingan Waveand finite element method for predicting sound transmission through finitemulti-layered structures with fluid layers Computers Struct, 204 (2018), pp.20-30, 10.1016/j.compstruc.2018.04.003 [10] T. Weisser Acoustic behavior of arigidly backed poroelastic layer with periodic resonant inclusions by amultiple scattering approach J Acoust Soc Am, 139 (2) (2016), pp. 617-629,10.1121/1.4940669 [11] M. Gaborit, O. Dazel, P. Göransson Asimplified model for thin acoustic screens J Acoust Soc Am, 144 (1) (2018), pp.76-81, 10.1121/1.5047929 [12] J.-P. Groby, A. Wirgin, L. De Ryck, W.Lauriks, R.P. Gilbert, Y.S. Xu Acoustic response of a rigid-frame porous mediumplate with a periodic set of inclusions J Acoust Soc Am, 126 (2) (2009), pp.685-693, 10.1121/1.3158936 [13] L. Xiong, B. Nennig, Y. Aurégan, W. BiSound attenuation optimization using metaporous materials tuned on exceptionalpoints J Acoust Soc Am, 142 (4) (2017), pp. 2288-2297, 10.1121/1.5007851 [14] R. Vaicaitis, M. Slazak Noise transmissionthrough stiffened panels J Sound Vib, 70 (3) (1980), pp. 413-426,10.1016/0022-460X(80)90309-0 [15] F. Franco, K.A. Cunefare, M. Ruzzene Structural-acousticoptimization of sandwich panelsJ Vibr Acoust, Trans ASME, 129 (3) (2007),pp. 330-340, 10.1115/1.2731410 [16] X. Li, K. Yu Vibration and acousticresponses of composite and sandwich panels under thermal environment ComposStruct, 131 (2015), pp. 1040-1049, 10.1016/j.compstruct.2015.06.037 [17] Y. Yang, B. Li, Z. Chen, N. Sui, Z.Chen, M.-U. Saeed, Y. Li, R. Fu, C. Wu, Y. Jing Acoustic properties of glassfiber assembly-filled honeycomb sandwich panels Compos Part B: Eng, 96 (2016),pp. 281-286, 10.1016/j.compositesb.2016.04.046 [18] F.X. Xin, T.J. Lu Sound radiation oforthogonally rib-stiffened sandwich structures with cavity absorption ComposSci Technol, 70 (15) (2010), pp. 2198-2206, 10.1016/j.compscitech.2010.09.001 [19] F.X. Xin, T.J. Lu Analytical modelingof wave propagation in orthogonally rib-stiffened sandwich structures: Soundradiation Computers Struct, 89 (5–6) (2011), pp. 507-516,10.1016/j.compstruc.2010.12.007 [20] M.P. Arunkumar, J. Pitchaimani, K.V.Gangadharan, M.C. Lenin Babu Influence of nature of core on vibro acousticbehavior of sandwich aerospace structures Aerosp Sci Technol, 56 (2016), pp.155-167, 10.1016/j.ast.2016.07.009 [21] M.P. Arunkumar, M. Jagadeesh, J.Pitchaimani, K.V. Gangadharan, M.C.L. Babu Sound radiation and transmissionloss characteristics of a honeycomb sandwich panel with composite facings: Effectof inherent material damping J Sound Vib, 383 (2016), pp. 221-232,10.1016/j.jsv.2016.07.028 [22] F.X. Xin, T.J. Lu Effects of coretopology on sound insulation performance of lightweight all-metallic sandwichpanels Mater Manuf Processes, 26 (9) (2011), pp. 1213-1221,10.1080/10426914.2010.531241 [23] G. Petrone, V. D’Alessandro, F.Franco, S. De Rosa umerical and experimental investigations on the acousticpower radiated by aluminium foam sandwich panels Compos Struct, 118 (1) (2014),pp. 170-177, 10.1016/j.compstruct.2014.07.031 [24] G.L. Ghiringhelli, M. Terraneo, E.Vigoni Improvement of structures vibroacoustics by widespread embodiment ofviscoelastic materials Aerosp Sci Technol, 28 (1) (2013), pp. 227-241,10.1016/j.ast.2012.11.003 [25] T.-C. Hung, J.-S. Huang, Y.-W. Wang,K.-Y. Lin Inorganic polymeric foam as a sound absorbing and insulating materialConstr. Build. Mater., 50 (2014), pp. 328-334,10.1016/j.conbuildmat.2013.09.042 [26] J. Zhou, A. Bhaskar, X. Zhang Soundtransmission through a double-panel construction lined with poroelastic materialin the presence of mean flow J Sound Vib, 332 (16) (2013), pp. 3724-3734,10.1016/j.jsv.2013.02.020 [27] J. Zhou, A. Bhaskar, X. Zhang Theeffect of external mean flow on sound transmission through double-walledcylindrical shells lined with poroelastic material J Sound Vib, 333 (7) (2014),pp. 1972-1990, 10.1016/j.jsv.2013.11.038 [28] Y. Liu Sound transmission throughtriple-panel structures lined with poroelastic materials J Sound Vib, 339(2015), pp. 376-395, 10.1016/j.jsv.2014.11.014 [29] W. Larbi, J.F. Deü, R. Ohayon Vibroacousticanalysis of double-wall sandwich panels with viscoelastic core ComputersStruct, 174 (2016), pp. 92-103, 10.1016/j.compstruc.2015.09.012 [30] Y. Liu, C. Daudin Analytical modellingof sound transmission through finite clamped double-wall sandwich panels linedwith poroelastic materials Compos Struct, 172 (2017), pp. 359-373,10.1016/j.compstruct.2017.03.024 [31] Griese D, Summers JD, Thompson L, Theeffect of honeycomb core geometry on the sound transmission performance ofsandwich panels, J Vibr Acoust, Trans ASME 137 (2). doi:10.1115/1.4029043. [32] J.F. Allard, N. AtallaPropagation of sound in porous media:Modelling sound absorbing materials, 2nd Edition Wiley (2009) [33] Magliacano D, Ouisse M, De Rosa S,Franco F, Khelif A,Computation of acoustic properties anddesign guidelines of periodic biot-modeled foams, Applied Acoustics 168.doi:10.1016/j.apacoust.2020.107428. [34] T. Wang, S. Li, S. Rajaram, S.R. NuttPredicting the sound transmission loss ofsandwich panels by statistical energy analysis approach J Vibr Acoust, TransASME, 132 (1) (2010), pp. 41-47, 10.1115/1.4000459 [35] R. Zhou, M.J. Crocker Soundtransmission loss of foam-filled honeycomb sandwich panels using statisticalenergy analysis and theoretical and measured dynamic properties J Sound Vib,329 (6) (2010), pp. 673-686, 10.1016/j.jsv.2009.10.002 [36] C. Yuan, O. Bergsma, A. Beukers Soundtransmission loss prediction of the composite fuselage with different methods ApplCompos Mater, 19 (6) (2012), pp. 865-883, 10.1007/s10443-011-9199-6 [37] Isaac CW, Pawelczyk M, Wrona S,Comparative study of sound transmission losses of sandwich composite doublepanel walls, Appl Sci 10 (4). doi:10.3390/app10041543. [38] Divinycell f - basf aerospace materials andtechnologies.URL:https://aerospace.basf.com/divinycell-f.html. [39] D.L. Johnson, J. Koplik, R. DashenTheory of dynamic permeability andtortuosity in fluid-saturated porous mediaJ Fluid Mech, 176 (1) (1987), pp. 379-402,10.1017/S0022112087000727 [40] Y. Champoux, J.F. AllardDynamic tortuosity and bulk modulus inair-saturated porous mediaJ Appl Phys, 70 (4) (1991), pp. 1975-1979,10.1063/1.349482 [41] Magliacano D, Ouisse M, Khelif A, DeRosa S, Franco F, Atalla N, Collet M, Computation of dispersion diagrams forperiodic porous materials modeled as equivalent fluids, Mechanical Systems andSignal Processing 142. doi:10.1016/j.ymssp.2020.106749. [42] Magliacano D, Ahsani S, Ouisse M,Deckers E, Petrone G, Desmet W, De Rosa S, Formulation and validation of theshift cell technique for acoustic applications of poro-elastic materialsdescribed by the biot theory, Mechanical Systems and Signal Processing 147. doi:10.1016/j.ymssp.2020.107089. [43] M. Biot Mechanics of deformation and acousticpropagation in porous mediaJ Appl Phys, 33 (4) (1962), pp. 1482-1498,10.1063/1.1728759 [44] B.R. Mace, E. ManconiModelling wave propagation intwo-dimensional structures using finite element analysisJ Sound Vib, 318 (2008), pp. 884-902,10.1016/j.jsv.2008.04.039 [45] Waveset - engineering innovation. URL:https://wavesetconsulting.com. [46] Errico F, Flow-induced vibrations andnoise of periodic structural systems, Ph.D. thesis, Ecole Centrale de Lyon(France) (2020). [47] J.F. WilbyThe prediction of interior noise ofpropeller-driven aircraft: A reviewSAE Trans, 92 (3) (1983), pp. 75-90,10.4271/830737 [48] Xing C, Zhou C, Finite elementmodeling of crack growth in thin-wall structures by method of combiningsub-partition and substructure, Engineering Fracture Mechanicsdoi:10.1016/j.engfracmech.2018.03.023. [49] Isaac CW, Wrona S, Pawelczyk M, RoozenNB, Numerical investigation of the vibro-acoustic response of functionallygraded lightweight square panel at low and mid-frequency regions, Compos Struct259. doi:10.1016/j.compstruct.2020.113460.
点击阅读原文了解此项研究成果的详细信息。
● 预见 · 新静界丨P+M 材料声学特性测试与分析系统2021版本亮相
● 预见 · 新静界丨最懂“工程”的阻抗管与传输损耗测试套件 TUBE-X 2021
● 预见 · 新静界丨ETA阻尼测试分析仪高效测量声学阻尼与复合材料（2021）
● 预见 · 新静界丨MATC声学测试舱，全球最佳吸隔声一体化测试与验证系统
● 比翱工程实验室装备指南丨构建材料声学研究高地与实验验证平台
免责声明：部分资料来源网络，转载目的在于传递信息及分享，并不意味赞同其观点或其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时删除。