CN103738037A

CN103738037A - 一种中低频隔声隔热复合壁板

Info

Publication number: CN103738037A
Application number: CN201410037510.6A
Authority: CN
Inventors: 黄震宇; 罗旭东; 马红孺
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2014-01-26
Filing date: 2014-01-26
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2034-01-26
Also published as: CN103738037B

Abstract

一种中低频隔声隔热复合壁板，包括由外至内依次连接的壳体、隔热吸音层和组合板，组合板由两块第一耦合振动板及其间的第一吸声材料组成。针对传统轻薄隔声材料无法有效隔离中低频噪声的问题，本发明采用耦合振动板使得通过其产生的近场波反复穿越吸声材料，从而消耗了大量的声能；通过设置耦合振动板与壳体间的距离可以提高隔声频谱曲线峰谷附近的性能。因而，本发明在整个中低频域内都有较好的隔声效果，而且在隔声量峰值频率附近相对只有壳体的情况可提高隔声量25dB左右。本发明质量面密度在5.5kg/m²左右，适合作为飞机、高速列车等的舱室壁板。

Description

一种中低频隔声隔热复合壁板

技术领域

本发明涉及隔声隔热复合壁板，尤其涉及一种中低频隔声隔热复合壁板。

背景技术

大型运载工具、如太空船、飞机、列车、船舶、汽车等，通常安装功率强大的动力设备，且行驶速度较高。因此，一方面，动力设备产生振动和噪声；另一方面，运载工具的外壳与外部载体介质之间的相对运动也产生振动和噪声。为了提高运载工具的工作效率，增加速度和降低能耗是运载工具的发展方向，这就使运载工具动力愈大而结构愈轻薄，随之产生更严重的振动噪声问题。而舱内的乘客希望旅途环境更安静。从而要求舱室壁板在满足结构强度和隔热性能的条件下，以尽量小的重量和空间代价，大幅度提高隔声性能。

理论和实践表明，高频噪声可以用普通的轻薄吸隔声材料获得较好的隔声效果，但对于100-1000Hz的中低频噪声而言，普通材料的隔声板必须“面密度”高，吸声材料必须厚重，才能达到有效的隔声效果。由于100–1000Hz是机电噪声的主要能量分布频段，且与人们的听力敏感和语言频段重合，所以是运载工具隔声的重点频率。研究开发轻薄型的隔声隔热壁板一直是市场竞逐的热点，对于航空航天运载工具尤其需求迫切。

以商用飞机为例，舱室壁板由外向内的组成结构包括：1.5mm左右的薄铝板，称为“蒙皮”，设计原则是强度和外形；5～10cm的隔层，放置绝热吸音棉和铺设管线；最靠近舱内是轻质装饰板，设计原则是美观。在飞机巡航阶段，舱外引擎产生的振动、噪声和气体湍流脉动噪声的能量集中在100–5000Hz的连续宽频段。由于舱室壁板重量较轻，使得100–1000Hz的中低频隔声量最薄弱，从而使舱内噪声能量集中在该隔声薄弱频段，提高中低频壁板隔声量是降低飞机舱内噪声水平的关键途径。

为了提高该频段的隔声量，传统方法包括：（1）增加蒙皮和装饰板的重量。由于在100–1000Hz频段，壁板的面密度决定了隔声水平，根据隔声的“质量定理”，壁板的面密度增加1倍，壁板隔声量可提高6dB。而对于商用飞机而言，大幅度增加壁板重量的代价不能接受。（2）在壁板隔层中增加吸声材料。吸声材料的厚度与声波波长相当时，吸声率较高，低于1000Hz的声波波长大于30cm，而商用飞机的隔层厚度一般小于10cm，且有管线穿过，能填充的吸音棉厚度不能有效吸收低于1000Hz的中低频噪声。（3）在蒙皮上贴阻尼。阻尼能抑制蒙皮固有频率上的自由振动，所以能抑制在这些频率附近的结构振动，从而降低振动产生的噪声辐射，如发动机振动传至蒙皮产生的噪声，但阻尼对其它原因产生的噪声不能有效抑制，如发动机噪声等。（4）在隔层中增加一层或多层轻薄隔板。当蒙皮和各层板之间不存在耦合共振的情况下，可以提高隔声效果。但由于壁板隔层的空间很小，在中低频不可避免地产生板之间的耦合共振，使得隔声效果甚至低于未加隔板的情况。综上所述，传统材料和结构组成的壁板很难在重量和空间的约束条件下明显提高中低频的隔声性能。

近年来发展出一种人工薄膜型局域共振声学材料（Locally ResonantPhononic Material,LRPM）。该材料通过人工构造的晶格单元周期性排列而成，这些晶格单元具有较低的共振频率。通过设计这些晶格单元的几何尺寸与材料物理特性，可以在第一和第二共振频率之间获得一个较低的反共振频率，此时整个单元的平均位移为零，从而在自由空间远场处会出现声压“正负相消”的效果，获得比同样面密度的均质材料高5dB以上的隔声量。但是这种LRPM仅在其反共振频率附近的较窄频段内隔声效果较好，而在相邻的频域（第一和第二共振频率附近）会出现隔声很差的频段。更为重要的是，由于舱室外层材料是有强度要求的均匀材料，所以LRPM只能放置于隔层中，在隔层狭小的空间中，LRPM工作机理上所必须的“自由空间远场”条件被很近位置处的蒙皮和装饰板所破坏，LRPM在自由空间远场处的“正负相消”的工作机理无法实现，从而无法实现LRPM的有效隔声性能。

根据以上分析，传统的增加壁板质量、阻尼和吸音棉的厚度的方法，以及采用LRPM的自由场隔声方法都无法满足运载工具对轻薄型（5mm-30mm）中低频（100Hz-1000Hz）隔声壁板的需要。中国专利CN101693415A公开了由多层吸声棉毡与弹性海棉体通过阻尼复合胶复合成的吸隔声隔热材料。这种利用阻尼和吸声的复合板用来隔离高频声波比较有效，但对于声波较长的中低频噪声的隔离效果不好。中国专利CN203186250U公开了采用铝板、橡胶骨架、多层吸音棉及阻尼层的分层复合隔声吸声壁板。这种壁板仍然较为厚、重，难于适应现代高速运载工具特别是航空航天器对重量和空间的要求。

发明内容

为了解决传统轻薄型壁板无法隔离中低频（100-1000Hz）振动噪声的问题，本发明提供一种中低频隔声隔热复合壁板，能有效吸收100Hz以上中低频声能，从而有效隔绝外部噪声。

本发明的技术解决方案如下：

一种中低频隔声隔热复合壁板，特点在于其构成包括由外至内依次连接的壳体、隔热吸音层和组合板；

所述的组合板由两块第一耦合振动板及其间的第一吸声材料组成。

所述的两块耦合振动板同时是LRPM材料、或者同时是其它产生近场波的材料，或者一块耦合振动板是LRPM材料、另一块耦合振动板是其它产生近场波的材料；所述的吸声材料为柔性吸音棉。

所述的两块耦合振动板之间的间距为小于1cm。

所述的组合板的内侧还设有至少一个添加组，该添加组由外至内依次为第二吸声材料和第二耦合振动板。

所述的第二耦合振动板是LRPM材料或其它产生近场波的材料，所述的第二吸声材料为柔性吸音棉。

所述的隔热吸音层厚度约为2-5cm。

本发明的原理如下：

当声波入射到第一耦合振动板时，除了产生透射波和反射波，还会在板的表面激发出衰减波（即“近场波”）。在板的法线方向上，衰减波声压随着距离的变化以指数方式快速衰减；在该方向上，衰减波的平均能流密度为零，即不会向外传输声能。所以在常规隔声结构中，该近场波能量不作为吸声的考虑对象。但是，如果在两块第一耦合振动板之间紧密填充薄层吸音棉等轻质吸声材料，这些轻柔材料对耦合振动板的共振频率等物理特性基本没有影响。而更重要的是，它们除了以较低吸声效率吸收少量入射波、透射波以及反射波能量外，也会吸收衰减波的能量。在组合板6的耦合振动频率附近，衰减波会多次来回反射叠加后达到很高的声能，从而提高了吸声材料吸收能量的大小。被吸音棉不断吸收的衰减波能量，需要由入射声波来提供，从而在整体效果上，降低了透射波的能量，提高了隔声性能。两块耦合振动板需要相隔足够的近，从而可以通过两板的耦合作用有效提高板间的衰减波强度；但也不能太近，以致无法往里填充足够的吸音棉。此外，耦合振动板与外壳的耦合作用也很关键，它与外壳的距离会影响到隔声曲线峰谷处的性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）相对于只有一层壳体的情况，本发明提供的壁板可以在整个中低频域内都有较好的隔声效果，而且还可以在给定的频率附近（即隔声量峰值频率附近）提高隔声量25dB左右，该隔声量峰值频率可以根据需要进行设计。

2）相对于壳体+一层等质量面密度的均匀板，即双层隔声板的情况，本发明提供的壁板可以有效解决这种双层隔声板在低频域内发生耦合振动无法有效进行隔声的问题。而且本发明提供的壁板在中低频段大部分频域内隔声性能都强于双层隔声板的情况。在隔声量峰值处可提高17dB的隔声性能，且该隔声量峰值频率可以根据需要进行设计。

3）相对于壳体+一层等质量面密度的LRPM板，本发明提供的壁板可以有效改善隔声量频谱曲线峰谷处的性能，隔声量至少提高4dB以上。这对于中低频隔声是至关重要的。

4）本发明主要利用近场波耗能以及多层板间的耦合使声波得以迅速衰减。因而如果耦合振动板间的距离过大或者壳体与耦合振动板的距离过大则没有上述效果。另一方面，板间距离小也是材料轻薄化的要求。

附图说明

图1为本发明中低频隔声隔热复合壁板的剖面图，其中箭头代表声波入射方向。

图2为局域共振声学材料结构示意图。

图3为本发明第一实施例。

图4为隔声曲线的比较。

图5为本发明第二实施例。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细的说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为本发明中低频隔声隔热复合壁板的剖面图，如图所示，一种中低频隔声隔热复合壁板，包括由外至内依次连接的壳体1、隔热吸音层2和组合板6；所述的组合板6由两块第一耦合振动板3及其间的第一吸声材料4组成。一块耦合振动板是LRPM材料，所述的吸声材料4为柔性吸音棉，另一块耦合振动板是塑料板。

壳体1采用铝合金或其它复合材料，用于满足结构强度的要求且优选为密度较低的材料。

隔热吸音层2是空腔或隔热吸音棉，优选的是致密的吸音棉，主要用于隔绝热量和吸收高频噪声。

耦合振动板3的尺寸规格可以相同，也可以不同，其材料可以是均质板也可以是非均质板，主要用于在两耦合振动板附近产生较强的近场声波。

耦合振动板3优选的是一种LRPM材料，由具有若干网格的框架7、弹性薄膜8以及小质子9组成。

吸音材料4优选的是柔性吸音棉，柔性吸音棉成团压实在两块耦合振动板3中间，其压缩后的厚度约为5mm，吸音材料4主要起吸收近场波作用，而且不能影响耦合振动板LRPM材料单元的局域共振。

图2为局域共振声学材料结构示意图，通过对LRPM材料耦合振动板的框架7、弹性薄膜8及小质子9材料特性和尺寸及组合板6与壳体1间距离的调节，可在中低频域指定的频率附近获得特别好的隔声效果，实现对隔声曲线的“定制”。其中所述的材料特性指密度、杨氏模量和泊松比。

实施例1

图3为本发明第一实施例，具体是一种用于飞机舱室的中低频隔声壁板，如图所示，本实施例中商用飞机舱室壁板的壳体1为铝合金，厚度在1.2mm-2.2mm之间；隔热吸音层2为玻璃纤维棉，厚度在25mm–50mm之间；内装饰板14为酚醛树脂。为了增加舱内空间容量，希望使舱壁板的厚度为100mm，这使得隔声更为困难。

飞机巡航阶段舱外噪声是舱内噪声的主要来源，由于壳体的隔声量是确定的，而且难于找到隔声性能更好且满足相应强度及密度要求的替代品；内装饰层除了现有的吸声材料外还要满足柔软美观等要求，在隔声方面也难于提高。因而，降低舱内噪声最有效方法是优化壁板和装饰板之间隔声材料，并利用各层材料间的协同耦合作用从而达到最优的隔声效果。考虑到飞机对体积和重量的要求，隔声材料需要具有轻薄的特性。

组合板6由两块第一耦合振动板3及其间的第一吸声材料4组成。

所述的壳体1采用铝合金，厚度为1.37mm。

所述的隔热吸音棉2采用玻璃纤维棉，厚度为50mm,无需压实。

所述的组合板6厚度约为10mm，面密度为1.5kg/m²。

所述的耦合振动板3采用LRPM材料，其中的框架7采用0.5mm厚的塑料，网格单元大小为20x20mm，网格单元间距为3mm；弹性薄膜8采用0.1mm厚的橡胶膜；小质子9采用铝片，直径为10mm，厚度为1mm。

所述的吸音材料4采用柔性吸音棉，柔性吸音棉成团压实，厚度为8mm。

采用260mm直径的四传声器驻波管对几种壁板小样进行隔声测试，50–850Hz中低频的隔声量频谱曲线如图4所示。声学材料的隔声量越大,表明该材料对噪声的隔声效果越好。例如：入射到壁板的噪声能量不变的情况下，壁板隔声量增加1dB，则透射到壁板后的噪声能量下降1dB。

图4中虚线为壳体1（即1.37mm铝合金）的隔声量频谱曲线。从图中可以看出，薄板的隔声效果较差。

图4中点线为壳体1+隔热吸音棉2+单层的面密度为1.5kg/m²的塑料板（即1.37mm铝合金+50mm玻璃纤维棉+面密度为1.5kg/m²的塑料板）的隔声量频谱曲线。此种情况为利用双层薄板隔声的情况，相对于只用一层壳体1的情况，大大地提高了350Hz以上频率的隔声量，但是在150Hz–250Hz范围内其隔声效果还不如只用壳体1的隔声效果。这主要是由于两块薄板在此频率范围发生了耦合共振的结果。

图4中点划线为壳体1+隔热吸音棉2+单层的面密度为1.5kg/m²的LRPM板（即1.37mm铝合金+50mm玻璃纤维棉+面密度为1.5kg/m²的LRPM板）的隔声量频谱曲线。由图中可以看出，此种配置在400Hz和800Hz附近有两个隔声量的峰值，在300Hz以上的频域的隔声效果都比只有壳体1的情况好。相对加入一块具有同样面密度的塑料板的情况（图中点线），此种配置在两个隔声量峰处的隔声量较高；但在两个峰中间有个峰谷，在440Hz–700Hz范围内隔声量减小了8–9dB。这些隔声量的峰谷是由LRPM板的动力学特性引起的。

图4中实线为壳体1+隔热吸音棉2+组合板6（即1.37mm铝合金+50mm玻璃纤维棉+两块0.5mm耦合振动的LRPM板+8mm柔性吸音棉4）的隔声量频谱曲线，此种配置即为本实施例适用于飞机舱室壁板的配置。由图中可以看出，此种配置的隔声量在全频段内都优于只有壳体1的情况，而且出现两个隔声量的峰，该峰值附近的隔声量比只有壳体1的情况提高了25dB。相对于加入一块具有同样面密度的塑料板的情况（图中点线），此种配置在大部分频域内都有优势，特别是在两个峰值频率附近隔声量最多提高了17dB；只在较窄的频域（420Hz–570Hz）内隔声量减小了不到3dB。相对于加入一块具有同样面密度的LRPM板的情况（图中点划线），此种配置可以有效提高采用单层LRPM板引起的隔声峰谷，从而改善飞机舱室壁板隔声的频带特性。

上述实施例1中耦合振动板3也可采用其它产生近场波的材料，比如带有简单人工结构的塑料板等。这种配置隔声效果较实施例1略差，但优于采用具有同样面密度的单层板，也不会出现采用单层LRPM板的隔声峰谷。由于均质板的制造成本低于LRPM板，可以作为一种低成本的解决方案。

实施例2

图5为本发明第二实施例，如图所示，一种中低频隔声隔热复合壁板，特征在于其构成包括由外至内依次连接的壳体1、隔热吸音层2和组合板6；组合板6由两块第一耦合振动板3及其间的第一吸声材料4组成。组合板6的内侧还设有二个添加组，该添加组由外至内依次为第二吸声材料11和第二耦合振动板12。

本实施例中第一耦合振动板和第二耦合振动板均是采用LRPM材料制成，当然也可以采用其它产生近场波的材料。

Claims

1.一种中低频隔声隔热复合壁板，特征在于其构成包括由外至内依次连接的壳体（1）、隔热吸音层（2）和组合板（6）；

所述的组合板（6）由两块第一耦合振动板（3）及其间的第一吸声材料（4）组成。

2.根据权利要求1所述的中低频隔声隔热复合壁板，其特征在于，所述的两块耦合振动板（3）同时是LRPM材料、或者同时是其它产生近场波的材料，或者一块耦合振动板（3）是LRPM材料、另一块耦合振动板是其它产生近场波的材料；所述的吸声材料（4）为柔性吸音棉。

3.根据权利要求1所述的中低频隔声隔热复合壁板，其特征在于，所述的两块耦合振动板（3）之间的间距小于1cm。

4.根据权利要求1所述的中低频隔声隔热复合壁板，其特征在于，所述的第一吸声材料（4）成团交错压实在两块耦合振动板（3）之间。

5.根据权利要求1或2所述的中低频隔声隔热复合壁板，其特征在于，所述的组合板（6）的内侧还设有至少一个添加组，该添加组由外至内依次为第二吸声材料和第二耦合振动板。

6.根据权利要求4所述的中低频隔声隔热复合壁板，其特征在于，所述的第二耦合振动板是LRPM材料或其它产生近场波的材料，所述的第二吸声材料为柔性吸音棉。

7.根据权利要求1所述的中低频隔声隔热复合壁板，其特征在于，所述的隔热吸音层（2）厚度约为2-5cm。