CN111907433B - 低频隔声量调节性能良好的基于磁流变液单元体的隔声方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低频隔声量调节性能良好的基于磁流变液单元体的隔声方法，该方法随着磁场强度的增加，在200～700Hz内试件的隔声量随着频率上升而增大，一般在10dB‑15dB之间基本呈线性变化，且具有较好的隔声量调节性能。所述磁流变液单元体包括两块永磁体、位于两块永磁体之间的以非导磁材料制成的磁流变液壳体，磁流变液壳体内填充有磁流变液，两块永磁体之间形成的磁场方向与声音传播方向平行，通过改变两块永磁体形成的磁场强度调节隔声量。

Description

低频隔声量调节性能良好的基于磁流变液单元体的隔声方法

技术领域

本发明涉及隔声方法，尤其是在200-700Hz的低频范围内以磁流变液单元体进行隔声 的方法。

背景技术

随着时代的发展，人们对乘用车的舒适性要求逐渐提高，如何有效降低传递到车内的 噪声也成为了汽车制造商关注热点。对于汽车噪声，往往关注的是1600Hz以下的中低频 段。为了进行隔声，虽然现有技术存在以磁流变液单元体作为隔声单元的作法，但它们一 般仅仅是在低于200Hz的较窄的低频频段能够有效隔声，无法在200-700Hz的频段范围内 隔声，且难于进行隔声性能调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种低频隔声量调节性能良好的基于磁流变液单元体的隔声方 法，该方法随着磁场强度的增加，在200～700Hz内试件的隔声量随着频率上升而增大，一 般在10dB-15dB之间基本呈线性变化，且具有较好的隔声量调节性能。

为达到上述目的，本发明所述的低频隔声量调节性能良好的基于磁流变液单元体的隔 声方法，所述磁流变液单元体包括两块永磁体、位于两块永磁体之间的以非导磁材料制成 的磁流变液壳体，磁流变液壳体内填充有磁流变液，两块永磁体之间形成的磁场方向与声 音传播方向平行，通过改变两块永磁体形成的磁场强度调节隔声量。

作为进一步改进，上述的基于磁流变液单元体的隔声方法，所述低频是指200-700Hz。

作为进一步改进，上述的基于磁流变液单元体的隔声方法，所述磁流变液单元体还包 括以非导磁材料制成的外壳，外壳中心部开有沿轴向延伸的通孔，通孔轴向两端设置两块 永磁体，磁流变液壳体位于两块永磁体之间的通孔内。采用外壳把永磁体、磁流变液壳体 有机地组成一体，方便该磁流变液单元体的安装和使用，也方便对永磁体进行数量增减以 改变磁场强度。

作为进一步改进，上述的基于磁流变液单元体的隔声方法，通过改变永磁体在轴向的 厚度改变两块永磁体形成的磁场强度。

作为进一步改进，上述的基于磁流变液单元体的隔声方法，非导磁材料为ABS塑料。

本发明的有益效果：当声波传播方向与本发明中的磁流变液单元体的两个永磁体形成 的磁场方向平行时，磁场大小对磁流变液单元体隔声性能的影响更显著，本发明的方法具 有更好的低频隔声量调节性能。

随着磁场强度的增加，本发明中的磁流变液单元体的隔声量明显增加。在200～700Hz 内隔声量随着频率上升而增大，其基本呈线性变化，隔声量的调节范围最小在10dB左右， 在约700Hz处达到最大值约15dB。

磁场作用方向对磁流变液单元体的隔声性能具有显著影响，当声传播方向与磁流变液 所处的磁场方向一致时，磁流变液单元体在中、低频段可以获得更大的隔声量，并且在整 个频段的隔声量的可调性也较好。

附图说明

图1是A型单元体立体图；

图2是A型单元体主视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是B型单元体立体图；

图5是B型单元体主视图；

图6是图5的B-B剖视图；

图7为A型试件中心切面场强分布图；

图8为B型试件中心切面场强分布图；

图9为A型试件磁流变液在不同磁场强度下的隔声量实测曲线图。

图10为A型试件空气在不同磁场强度下的隔声量实测曲线图。

图11为A型试件水在不同磁场强度下的隔声量实测曲线图。

图12为A型-25单元体在同一磁场强度下芯层为磁流变液、空气和水的单元体的隔声 量曲线图。

图13为B型试件磁流变液在不同磁场强度下的隔声量实测曲线图。

图14为B型试件空气在不同磁场强度下的隔声量实测曲线图。

图15为B型试件水在不同磁场强度下的隔声量实测曲线图。

图16为B型-25单元体在同一磁场强度下芯层为磁流变液、空气和水的单元体的隔声 量曲线图。

具体实施方式

1MRF单元体结构设计

为研究磁场强度大小和磁场作用方向对磁流变液单元体(简称MRF单元体)隔声性能的影响规律，设计两种不同磁场布置形式的MRF单元体。

第一种单元体为A型单元体，参见图1-3所示，在圆柱形外壳1中心部具有沿轴向延伸的通孔，通孔内设置磁流变液壳体2，磁流变液壳体2内填充磁流变液，在其磁流变液 壳体上下对称地加上相同的两组永磁体3。当A型单元体被安装在驻波管中时，声波经过 磁流变液，传播的方向与磁流变液内部的上下两组永磁体形成的磁场方向垂直。

第二种单元体磁场的布置形式是在磁流变液壳体前后对称地加上相同的永磁体，此种 结构的单元体为B型，参见图4-6所示，圆柱形外壳1中心部开有沿轴向延伸的通孔，通孔轴向两端设置相同的两组永磁体，磁流变液壳体位于两块永磁体之间的通孔内。当B型试件置于驻波管中时，磁流变液内部磁场的方向与声波传播的方向一致。

改变施加在两种单元体上相应永磁体的数量，即可实现单元体内部磁流变液磁场强度 大小的调节。

本试验使用四传声器驻波管法测试MRF单元体的隔声性能，由于驻波管对于不同频 率段内试件的尺寸有着不同的要求。1600Hz以上的测试试件尺寸较小，而磁流变液本身存 在密封和磁场施加的问题，且对于汽车噪声往往关注的是中低频段，因此本试验主要研究 1600Hz以下MRF单元体的隔声性能。

在驻波管中测试频率在1600Hz以内时，对试件的尺寸要求为：径向直径为100mm，试件的受声面必须为平面，轴向长度小于两管轴套最大长度。因此两种单元体外径设计为99mm的圆柱体，这是由于在实际制作中往往存在尺寸误差故将试件直径略微缩小，后期 在试验中可使用凡士林对驻波管壁和试件接触的边缘处进行密封处理。圆柱体中间为长方体通孔，用于放置永磁铁及磁流变液。由于磁流变液为粘弹性体，其在零场条件下为流体，因此还设计了用于装载磁流变液的磁流变液壳体。

2MRF单元体磁场设计

根据单元体的外径尺寸，试验中选用的永磁铁规格为40mm×30mm×10mm和 40mm×30mm×5mm，材料为钕铁硼。通过施加不同数量的永磁铁以达到调节磁场的目的， 试验中磁铁厚度分别为10mm、15mm、20mm和25mm。根据各组所加永磁铁的厚度对A 型和B型单元体进行编号，具体试件厚度及对应编号见表1。

表1A型、B型试件磁铁厚度及对应编号

表1中，虽然每种磁铁的厚度间隔为5mm，由于除了10mm规格以外的磁铁都是由多块磁铁叠加而成，其磁场大小并不与叠加厚度成正比例关系，因此有必要对A、B型单元 体的磁场大小及分布进行研究。

无论是A型还是B型单元体内部的磁流变液均处于两块大小相等厚度一致且平行放置 的永磁铁中间，即单元体内部的磁流变液处于磁场强度均匀分布的空间内。选择磁流变液 壳体中心点处的磁场强度作为计算参考值，使用WT-4B数字式毫特斯拉计对A、B型不同 编号的MRF单元体中心点位置的磁场强度进行测量。具体操作为，首先将特斯拉计进行调零操作，再将特斯拉计的测量探头水平置于试件单元体中心点位置，每组试件测量三次取平均值。每种MRF单元体中心点位置的磁场强度测量结果如表2所示。参见表2可知， 单元体中心点位置磁场强度大小与磁铁厚度非正比例关系。

表2A、B试件中心点处磁场强度

磁场方向会影响磁流变液内部磁链形成的方向，磁链形成方向与磁场方向始终一致。 对于A型试件来说，声波传输方向与磁链形成方向垂直；对于B型试件而言，声波传输方向与磁链形成方向平行。为方便分析MRF单元体内部磁场分布情况，利用COMSOL软件 磁场模块对A型-20、B型-15试件的场强大小及分布进行仿真分析研究，图7、8分别为A、 B型试件中心切面场强分布图。

图7为A型试件主视图，图中圆形为圆柱体外壳用于安装磁铁与磁流变液，圆形外壳 中间部分为磁流变液，上下两矩形为永磁铁。当试件A位于驻波管中时，声波垂直于圆面射入单元体，因此磁流变液在磁场作用下形成的磁链与声波传播方向垂直。参见图8，为 了便于观察B型MRF单元体内部场强分布，将B型试件视图位置调整为右视图，圆形外 壳中心位置为磁流变液，其左右两矩形为永磁铁，使用驻波管测量其传声损失时，声波从 左右两侧入射单元体内部，声波传播方向与磁流变液磁链方向平行。从图8中可以看出， 靠近永磁铁边缘的磁流变液磁场强度稍大一些，内部磁流变液所处的磁场强度近似为均匀 分布，浅灰色部分为磁导率为零的ABS外壳。在A、B仿真模型中心处施加探针，得到A 型-20与B型-15的中心点处磁场强度仿真值分别为0.188T和0.224T，对比表2中数据有， 仿真值与用特斯拉计的实际测量值误差分别为2.5％与1.3％，可知COMSOL软件能很好的 描述磁流变液单元体内部场强的大小以及分布情况。

3MRF单元体制作

由于驻波管测试对试件尺寸及精度有着较高的要求，因此圆柱外壳1以及磁流变液壳 体2均使用3D打印进行加工，各部件加工结束后使用100微米的砂纸进行打磨。将磁流变液填充至磁流变液壳体内，再将永磁铁3按照不同型号要求安装在磁流变液壳体外部，最后与圆柱形外壳组配形成MRF单元体。

A、B型单元体圆柱体外壳1、磁流变液壳体2的材料均为ABS。A型试件磁场布置 为上下型，其在驻波管中声波方向与磁场方向为垂直关系；B型试件磁场布置为前后形式， 在驻波管中声波方向与磁场方向为平行关系。

在驻波管中所测得的隔声量由单元体的各个部件隔声量组合而成，ABS外壳、永磁体 和磁流变液对总隔声量均有不同的贡献值，为探究磁流变液本身的隔声性能，还需添加对 比试验组；此外，由于改变磁场强度的方式是增加磁铁厚度，而此一来，整个单元体的质量也会相应增加。为探究磁流变液本身的隔声性能同时排除质量因素的影响，本次试验设置了空气和水作为比照对象。将A、B型磁流变液试件中心处的磁流变液壳体内部分别填 充空气和水，施加同样的磁场条件，研究三者在不同磁场强度下隔声量的变化特性，对比 研究它们的隔声性能随频率与磁场强度大小的变化情况。

4MRF单元体隔声量测量

在使用四传声器驻波管法测量1600Hz以下的试件隔声量时，在受声端只需要使用直 径较大的测试管，但需要对试件分为两个不同频率段进行测量，分别是63～500Hz与250～1600Hz，对应不同频率四个传声器在驻波管中的位置则有所不同。具体试验操作为：

(1)试件安装 将一组装配好的试件安装在两管之间试件安装区内，保证试件受声面 与管面平行，并在试件四周涂抹凡士林进行密封，以防止声音从孔隙中泄露造成试验失败。

(2)试验准备 在首次使用驻波管时，使用信号发生器产生白噪声对扬声器进行预热， 播放时间一般为5分钟。根据对应试验频率安装好传声器位置，并对传声器进行校正。

(3)参数设置 在测量软件中设置样品厚度、大气压力、温度和湿度等参数，根据测量的不同频率段选择不同的传声器设置模式。调节功率放大器，使得声源端传声器声压级在100dB作用，以获得较为准确的试验值。

(4)数据处理 对每个试件测量三次取平均值，对于63～500Hz与250～1600Hz重合的 频率段进行数据拟合，得到63～1600Hz频率的测量数据。

5试验结果与分析

隔声量测量完成后将数据导出，并使用MATLAB软件根据测试数据绘制图形，得出不同型号下A、B试件的传声损失曲线图，分别对比不同磁场强度下A、B型两种试件中 磁流变液、空气与水各自的隔声量，对同一磁场强度下三者的隔声量也进行了比较研究。

5.1A型试件试验结果与分析

图9-11分别为A型试件磁流变液、空气和水在不同磁场强度下的隔声量实测曲线图。

从图9-11可以看出隔声量曲线都随频率的增加呈上升趋势。当A型试件中填充磁流 变液时，在400Hz以内的低频范围内，随着磁场强度的增大试件的隔声量增大。在 400～600Hz范围内隔声量出现了谷值和无规变化，初步推断是由共振现象造成的。当A型 试件中的填充空气和水时，不同磁场强度下隔声量曲线和填充磁流变液的变化趋势类似。 磁场对空气和水的物理属性没有影响，但由于磁场强度增加是通过增加永磁铁来实现的， 所以单元体的质量随之增加，隔声量也相应的有一定的增加。

为了验证400～600Hz范围内，隔声量无规变化的现象是由于共振现象造成的，对A型 单元体试件开展了模态研究，研究表明A型单元体试件在400～600Hz范围内传声损失的谷 值所对应的频率与模态分析中第1阶固有频率比较接近。A型试件前6阶的特征频率如表3所示。

表3A型试件前6阶特征频率

图12比较了同一磁场强度下(仅以A型-25单元体为例)芯层为磁流变液、空气和水的单元体的隔声量。

从图12可以看出，曲线在测量范围63～1600Hz内分为3个明显的区域，其中400Hz以下为刚度控制区，此区域内隔声量随频率升高而增加。400～700Hz内隔声量迅速下降到谷值后又迅速上升形成一个波谷，这一区间为阻尼控制区，区间内的最小隔声量对应的频率为试件的一阶固有频率。700～1600Hz范围内隔声量随着频率的增加逐渐增长，这一区间为质量控制区。从图中还可以看出，在质量控制区，磁流变液、空气和水的隔声量相差不大，它们的共振频率也很接近，说明当声波传播方向与磁流变液内部场强方向垂直时，磁流变液单元体没有明显的隔声性能优势。

5.2B型试件试验结果与分析

图13-15为B型试件中磁流变液、空气和水在不同磁场强度下的隔声量实测曲线图。

从图13可以看出，当试件内部填充磁流变液时，随着磁场强度的增加，试件的隔声量明显增加。在200～700Hz内试件的隔声量随着频率上升而增大，在约700Hz处达到最大值。可见，B型磁流变液试件的隔声量在低频范围内具有良好的调节性能。当试件内部填 充空气和水时，不同场强下隔声量的变化依然仅仅是由磁体厚度引起的小幅变化。

图16比较了同一磁场强度下(仅以B型-25单元体为例)填充磁流变液、空气和水的单元体的隔声量。由图可以看出，B型-25试件在整个测量范围内，磁流变液单元体的隔 声量都要远远大于其它两者。

综合A型与B型两种试件的隔声量表现可以看出，当声波传播方向与磁场方向平行时， 磁场大小对磁流变液单元体隔声性能的影响更显著，也即B型试件具有更好的低频隔声量 调节性能。

6小结

本专利设计并制作了两种磁流变液单元体，使其在驻波管中试验时所处场强方向分别 与扬声器发出的声波方向垂直和平行，磁流变液所处的磁场强度由不同厚度的稀土永磁体 提供，磁流变液单元体的场强分布由COMSOL软件的磁场分析模块模拟呈现；利用驻波 管测量了两种磁流变液单元体在不同磁场强度大小和方向作用下的传声损失，并与芯层为 空气层和水层的单元体的传声损失做了对比研究。研究表明，磁场作用方向对磁流变液单 元体的隔声性能具有显著影响，当声传播方向与磁流变液所处的磁场方向一致时，磁流变 液单元体在中、低频段可以获得更大的隔声量，并且在整个频段的隔声量的可调性也更好。

Claims (3)

1.低频隔声量调节性能良好的基于磁流变液单元体的隔声方法，其特征是：所述磁流变液单元体包括以非导磁材料制成的外壳，外壳中心部开有沿轴向延伸的通孔，通孔轴向两端设置两块永磁体，以非导磁材料制成的磁流变液壳体位于两块永磁体之间的通孔内，磁流变液壳体内填充有磁流变液，两块永磁体之间形成的磁场方向与声音传播方向平行，通过改变两块永磁体形成的磁场强度调节隔声量；所述低频是指200-700Hz。

2.如权利要求1所述的基于磁流变液单元体的隔声方法，其特征是：通过改变永磁体在轴向的厚度改变两块永磁体形成的磁场强度。

3.如权利要求1所述的基于磁流变液单元体的隔声方法，其特征是：非导磁材料为ABS塑料。

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