比翱工程实验室丨航空声学包创新设计：多孔层中周期性夹杂物不同角度分布的声传输损耗分析

本文的范围是研究带有嵌入周期性夹杂物的玻璃棉声学包的声音传输损失，考虑改进标准配置的可能性，并将创新声学包应用于航空领域噪声控制的实际配置中。引入周期性夹杂物以增强声学封装在中高频范围内的声音传输损耗性能。就现有技术而言，当前工作的主要兴趣在于将夹杂物相互排列，然后创建一种能提高周期性峰值性能的夹杂物图案。为了达到这个目标，研究了声学包的数值模型，并模拟了周期性夹杂物图案的影响。图案性能针对八种配置进行评估，这些配置在立方尺寸和夹杂物半径方面彼此不同。此外，从研究的声学包开始，设计了用于航空应用的优化配置；然后，讨论质量和性能方面的结果。结果以表格和图形的形式呈现，这可能构成进行初步设计考虑的良好基础，这对于进一步概括可能很有趣。 

交通运输造成的噪音干扰会导致健康损害，如烦躁、睡眠障碍甚至缺血性心脏病[1]，人们对噪音污染的关注度正在迅速增长。一般来说，吸收噪声的装置或手段大体上分为谐振器[2]和多孔介质[3]两大类。声学谐振器主要有穿孔板[4]和亥姆霍兹谐振腔[5]。这些解决方案显示出与其共振频率相对应的良好声学性能；它们通常是可调谐的，但它们所能影响频带间隙很窄[6]，因此在远离它们的工作频率时变得效果不佳。相反，用于声学目的的多孔介质是由通道、缝隙或空腔制成的材料，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[7,8]。无论如何，独立设计的多孔介质在低频下一般都会表现不佳[9]；这种限制通常可以通过使用多层结构[10]或带有嵌入周期性夹杂物的多孔介质[11,12] 等解决方案来克服。后者是一种提高声学封装效率的有趣方式：嵌入周期性夹杂物的多孔介质表现出适当的动态过滤效果，这对于系统的动态及其制造方面都可能是有利的。这种方法可能在能源、土木和交通（航空航天、汽车、铁路和船舶等）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[13,14]。

 

此项工作中，从基于多孔超材料的声学封装的最新技术现状出发，对一种新的结构进行了数值研究，其中嵌入了周期性夹杂物。其主要改进表现为夹杂物的处理，在噪声抑制方面对其积极影响进行评价，并考虑若干质量因素。可通过不同的方法估算声传输损耗（TL），如传递矩阵法（TMM）[3]、有限元法（FEM）[15]、波有限元法（WFEM）[10]和统计能量分析（SEA）[16,17]，都有自己的优势和局限性[18]。在本研究的背景下，使用了TMM和FEM。

 

图文快览

表1：Balsa（一种非常柔软、轻质的木材，纹理粗糙、开放）性能 
表2： 玻璃棉的性能
图1：由带有嵌入式balsa圆筒的玻璃棉制成的晶胞的几何形状
 图2：a配置0晶胞的2D表示，包含在垂直对称线中；b具有图案角度的晶胞的2D表示
图3：a 配置 0：夹杂物放置在对称平面内；b 新的超核解决方案，其中内含物反对称布置
图4：已分析配置之一的3D模型
 图5：三种配置的网格示例
 图6：通过TMM评估每个配置的同构案例的声传输损耗
 图7：在关注的频率范围内分析的配置的声传输损耗
 图8 ：每个配置的声传输损耗
图9：a 声传输损耗增加百分比的等值线图，考虑针对夹杂物沿厚度的角位移六个值研究的八种配置，根据同质情况进行评估 b 声传输损耗增加百分比的等高线图，根据夹杂物沿厚度的角位移­= 0的情况评估
图10：具有空心夹杂物的构型的表示
表3：典型飞机机身各层的材料特性 图11：a典型的机身多层面板截面，采用带有普通夹杂物的meta-core解决方案进行改进；b 典型的机身多层面板截面，采用中空夹杂的meta-core解决方案进行改进
 图12：在感关注的频率范围内，嵌入空心夹杂物的系统声传输损耗

结论

考虑夹杂物角度变化的影响，建立了声学包内嵌入夹杂物的模型。这种方法适用于晶胞尺寸不同的几种结构，结果被绘制和解释，显示了这种创新结构的优异性能，在较低的厚度值下显示出更好的结果; 这是一个积极的结果，因为尺寸有限的解决方案更适用于从运输到民用应用的多个领域。此外，概念化和分析了一个更轻量级的解决方案，采用空心夹杂物代替普通夹杂物，在声传输损耗性能方面产生相同的值。最后，提出了一些质量方面的考虑，也针对以更现实的方式估计新超核系统质量增加的情况。

 参考文献 原文来源：Aerotecnica Missili & Spazio Journal，https://doi.org/10.1007/s42496-021-00101-6，Transmission Loss Analyses on Different Angular Distributions of Periodic Inclusions in a Porous Layer，Giuseppe Catapane、Dario Magliacano、Giuseppe Petrone、Alessandro Casaburo、Francesco Franco、Sergio De Rosa，University of Naples Federico II，通过原文阅读了解此项研究工作成果。


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