CN112857553A - 耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置和方法，装置包括声腔、设置在声腔内的扬声器和麦克风、环形夹紧板、薄膜、激光测距仪和主机，声腔的一侧设有圆形开孔，该圆形开孔中安装有环形夹紧板，薄膜安装在环形夹紧板内，并且在声腔侧壁中可前后移动，激光测距仪位于声腔的外侧，探测薄膜中心点的位移；扬声器、麦克风和激光测距仪均连接主机；主机根据声腔声压、薄膜中心点位移和外界激励力，并通过实验装置两自由度理论模型获取声压频率响应曲线，从而判断声腔的降噪性能。与现有技术相比，本发明结合薄膜非线性能量阱的靶能量传递特性，能进一步抑制车内声腔低频噪声，更便于分析声腔的降噪性能，减少实验次数和成本。

Description

耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置和方法

技术领域

本发明涉及声腔降噪技术领域，尤其是涉及耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置和方法。

背景技术

设备工作过程中产生的振动，在封闭的空间内构成声腔，引起声腔噪声，会严重影响声腔内人员的舒适度及身心健康。

公开号为CN111983033A的发明公开了一种声学材料高频降噪性能测试设备与评价方法，包括降噪箱、高频扬声器、第一麦克风和第二麦克风，降噪箱包括内层箱体和外层箱体，外层箱体套设在内层箱体外，且两者之间填充有吸音棉，内层箱体的正面板开口，且开口边沿上设置有定位台阶，测试样件放置于定位台阶上并封闭开口，从而形成声腔，高频扬声器设置于声腔中并固定在内层箱体的背面板上，第一麦克风设置于声腔中并固定内层箱体的侧面板上，从而接收测试样件内侧的声压级，第二麦克风设置于声腔外，用于接收测试样件外侧的声压级。

该方案通过在降噪箱中设置吸音棉进行降噪，其降噪性能仍然无法满足实际使用需求；另外，仅通过接收测试样件内外侧的声压级判断降噪性能，而声压级和降噪量的判断均存在较多的人为影响因素，无法保证高频降噪性能测试结果的准确性。

文献“非线性能量阱技术研究综述”(鲁正，王自欣，吕西林.振动与冲击，2020，039(004):1-16,26.)论述了非线性能量阱(NES)以其轻质，鲁棒性强，减振频带宽等优点，在非线性消能减振方面具有良好的应用前景，但目前还没有在声腔中加入非线性能量阱的降噪结构的相关技术公开，如何精确地、高效率地评估加入非线性能量阱的降噪结构的声腔的降噪性能是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能精确地、高效率地评估加入非线性能量阱的降噪结构的声腔的降噪性能的耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置，包括声腔、设置在声腔内的扬声器和麦克风，所述声腔的降噪性能实验装置还包括环形夹紧板、薄膜、激光测距仪、功率放大器、数据采集器和主机，所述声腔的一侧设有圆形开孔，该圆形开孔中安装有所述环形夹紧板，所述薄膜安装在所述环形夹紧板内，并且在声腔侧壁中可前后移动，所述激光测距仪位于所述声腔的外侧，并正对薄膜的中心点，用于探测薄膜中心点前后移动的位移；所述扬声器连接所述功率放大器，所述功率放大器、麦克风和激光测距仪均连接所述数据采集器，所述数据采集器连接所述主机；

所述主机根据所述麦克风获取声腔声压、根据所述激光测距仪获取薄膜中心点位移、根据所述扬声器获取外界激励力，并通过预设的实验装置两自由度理论模型获取实验装置的声压频率响应曲线，从而判断声腔的降噪性能。

进一步地，所述声腔的内壁设有声学材料。

进一步地，一个所述声腔中设有多个所述麦克风。

进一步地，所述薄膜的材质为橡胶。

进一步地，所述声腔的材质为钢板。

本发明还提供一种采用如上所述的一种耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置的声腔的降噪性能实验方法，包括以下步骤：

构建所述耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置；

通过所述扬声器施加不同幅值、不同频率并持续预设的第一时间的外界激励力，获取所述降噪性能实验装置的声压频率探测值响应曲线，估算第一阶共振频率处的声品质因子，获取声腔的第一阶声学模态阻尼；

将所述第一阶声学模态阻尼代入预设的实验装置两自由度理论模型中，获取在不同幅值与频率组合下的声压频率模拟值响应曲线；

根据所述声压频率模拟值响应曲线，判断所述声腔的降噪性能。

进一步地，所述实验装置两自由度理论模型的表达式为：

l＝0，δ_l0＝1；l≠0，δ_l0＝0；

m＝0，δ_m0＝1；m≠0，δ_m0＝0；

n＝0，δ_n0＝1；n≠0，δ_n0＝0.

式中，p为声腔声压，q为薄膜中心点位移，f(t)为外界激励力，ρ₀为空气密度，c₀为空气中声速，λ为模态阻尼系数，lmn为简正阶数，(L_x，L_y，L_z)为声腔的尺寸，(x_m，y_m，z_m)为薄膜的安装位置，ρ_m为薄膜密度，h为薄膜厚度，R为薄膜半径，E为薄膜杨氏模量，υ为薄膜泊松比，η为薄膜阻尼系数。

进一步地，所述方法还包括采用所述声压频率探测值响应曲线对比验证所述声压频率模拟值响应曲线的准确性。

进一步地，所述方法还包括在所述降噪性能实验装置的声腔内壁设置不同的声学材料，从而分别判断所述声腔的降噪性能。

进一步地，所述第一时间的取值在2至10秒范围以内。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明将非线性能量阱应用到声腔中，通过在声腔侧壁设置圆形开孔和可前后移动的薄膜，利用薄膜非线性能量阱的靶能量传递特性能进一步抑制车内声腔低频噪声；本发明基于该结构的降噪性能实验装置，通过激光测距仪获取薄膜中心点位移，进而通过实验装置两自由度理论模型，获取声压频率模拟值响应曲线，更便于分析声腔的降噪性能，减少实验次数和成本，提升实验效率，并能保证降噪性能实验结果的准确性。

(2)本发明提出一种将实际实验和数值模拟相结合的方法来预测声学材料对靶能量传递特性的影响规律，该方法对非线性能量阱应用于车内声腔进行复杂车用工况下的低频噪声控制具有重要意义。

附图说明

图1为本发明降噪性能实验装置的结构示意图；

图2为耦合系统无声学材料声腔声压频率响应实验结果；

图3为耦合系统有声学材料声腔声压频率响应实验结果；

图4为耦合系统无声学材料声腔声压频率响应模拟结果；

图5为耦合系统有声学材料声腔声压频率响应模拟结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。

实施例1

本实施例提供一种耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置，包括声腔、设置在声腔内的扬声器和麦克风、环形夹紧板、薄膜、激光测距仪、功率放大器、数据采集器和主机，声腔的一侧设有圆形开孔，该圆形开孔中安装有环形夹紧板，薄膜安装在环形夹紧板内，并且在声腔侧壁中可前后移动，激光测距仪位于声腔的外侧，并正对薄膜的中心点，用于探测薄膜中心点前后移动的位移；扬声器连接功率放大器，功率放大器、麦克风和激光测距仪均连接数据采集器，数据采集器连接主机；

主机根据麦克风获取声腔声压、根据激光测距仪获取薄膜中心点位移、根据扬声器获取外界激励力，并通过预设的实验装置两自由度理论模型获取实验装置的声压频率响应曲线，从而判断声腔的降噪性能。

薄膜非线性能量阱(Nonlinear Energy Sink，NES)因强非线性刚度具有的非线性模态可以同时与声腔主系统多阶模态耦合，在一定外力激励下可以与声腔主系统实现能量共振俘获并通过自身阻尼耗散，使得声腔主系统的能量向自身进行不可逆的单向传递，即靶能量传递(Targeted Energy Transfer，TET)，从而达到抑制声腔主系统噪声的效果。

本实施例将薄膜非线性能量阱应用到声腔中，通过在声腔侧壁设置圆形开孔和可前后移动的薄膜，利用薄膜非线性能量阱的靶能量传递特性能进一步抑制车内声腔低频噪声。

优选地，声腔的内壁可设置声学材料，一个声腔中可设置多个麦克风，薄膜的材质为橡胶，声腔的材质为钢板。

具体实施时，由钢板构建三维声腔1(有声学材料时，其添加于声腔内壁)，其中一个侧面可拆卸，设置有一定半径的圆形开孔，并确定圆孔中心的坐标。将橡胶薄膜2固定在环形夹紧板6上后，安装在三维声腔1的可拆卸侧面上。将激光测距仪2置于声腔1外侧，具体位置根据激光测距仪2的量程确定，并将其中心的对应于薄膜2的中心点。将声源扬声器3和两个麦克风5放置声腔1内，并记录它们的坐标点，其中扬声器3连接功率放大器后和麦克风5、激光测距仪4连接至数据采集器以及电脑设备，如图1所示。

其工作过程如下：扬声器3发出不同频率、能量的噪声信号，麦克风5采集声腔内声压，激光测距仪4测量薄膜2中心点的位移。

本实施例还提供一种采用如上的一种耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置的声腔的降噪性能实验方法，包括以下步骤：

a：构建耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置；

b：通过扬声器施加不同幅值、不同频率并持续预设的第一时间的外界激励力，获取降噪性能实验装置的声压频率探测值响应曲线，估算第一阶共振频率处的声品质因子，获取声腔的第一阶声学模态阻尼；第一时间的取值在2至10秒范围以内，本实施例为5秒。

具体实施时，本实施例对声腔壁面有无声学材料分别进行了实验，具体包括以下步骤：

b1：在声腔壁面无声学材料时，对系统施加幅值在6-16dB、频率在78-88Hz的简谐激励，持续时间为5s；在声腔壁面有声学材料时，对系统施加幅值在6-16dB、频率在75-85Hz的简谐激励，持续时间为5s；

b2：分别获得声腔壁面有无声学材料时声腔与薄膜耦合系统在每组幅值与频率组合的外界简谐激励下强迫振动的时域响应；

b3：取5s内时域响应的最大值作为声腔声压频域响应的幅值，如图2和3所示；

b4：在声腔壁面有无声学材料时，对系统施加65-100Hz扫频激励，通过估算第一阶共振频率处的声品质因子，获得声腔壁面有无声学材料时声腔第一阶声学模态阻尼。

c：将第一阶声学模态阻尼代入预设的实验装置两自由度理论模型中，获取在不同幅值与频率组合下的声压频率模拟值响应曲线；实验装置两自由度理论模型为声腔单阶声学模态与单个薄膜非线性能量阱耦合的两自由度理论模型；

实验装置两自由度理论模型的表达式为：

l＝0，δ_l0＝1；l≠0，δ_l0＝0；

m＝0，δ_m0＝1；m≠0，δ_m0＝0；

n＝0，δ_n0＝1；n≠0，δ_n0＝0.

式中，p为声腔声压，q为薄膜中心点位移，f(t)为外界激励力，ρ₀为空气密度，c₀为空气中声速，λ为模态阻尼系数，lmn为简正阶数，(L_x，L_y，L_z)为声腔的尺寸，(x_m，y_m，z_m)为薄膜的安装位置，ρ_m为薄膜密度，h为薄膜厚度，R为薄膜半径，E为薄膜杨氏模量，υ为薄膜泊松比，η为薄膜阻尼系数。

本实施例具体实施时，步骤c具体为，将实验获得的第一阶声学模态阻尼代入实验装置两自由度理论模型中，在声腔壁面有无声学材料时，对系统施加幅值在0-8N、频率在70-90Hz的简谐激励，持续时间为200s，采用四五阶龙格库塔法，获得声腔与薄膜耦合系统在不同幅值与频率组合的外界简谐激励下强迫振动的时域响应模拟值；

取190-200s内时域响应的最大值作为声腔声压频域响应的幅值，如图4和5所示。

d：采用声压频率探测值响应曲线对比验证声压频率模拟值响应曲线的准确性；

本实施例具体实施时，步骤d具体为，分别对比图2和图4、图3和图5，总结声腔壁面有无声学材料时，薄膜非线性能量阱具有靶能量传递特性，并且出现靶能量传递现象时声腔声压响应幅值平台的实验和数值结果一致，验证实验装置两自由度理论模型的准确性；

e：利用声压频率探测值响应曲线和声压频率模拟值响应曲线，对声腔壁面有无声学材料的响应进行分析，得出声学材料对靶能量传递特性的影响规律；

具体实施时，步骤e包括以下步骤：

e1：对比实验结果图2和图3，总结声学壁面声学材料对耦合系统第一阶共振频率的影响规律，无声学材料时耦合系统的第一阶共振频率为83Hz，有声学材料时耦合系统的第一阶共振频率为80Hz，声学材料使得声腔壁面阻抗增加，耦合系统第一阶共振频率向低频偏移。对比数值结果图4和图5，并无共振频率的偏移，主要由于声学材料的影响在理论模型中仅仅考虑了声学模态阻尼的影响；

e2：对比实验结果图2和图3和数值结果图4和图5，总结声学壁面声学材料对耦合系统声腔声压响应幅值与声腔声压平台频率带宽的影响规律，有无声学材料时耦合系统产生靶能量传递后声腔声压平台幅值与频率带宽相差不大，有声学材料时原共振峰处的声压平台幅值略低；

e3：对比实验结果图2和图3和数值结果图4和图5，总结声学壁面声学材料对耦合系统最佳靶能量传递的外力幅值区间的影响规律，定义使得耦合系统在第一阶共振峰处产生声压幅值平台的外力区间为最佳靶能量传递的外力幅值区间。实验结果中，无声学材料时该区间值为10-12dB，有声学材料时该区间值在12dB附近，数值结果中，无声学材料时该区间值为1.4-4.9N，有声学材料时该区间值为4.9-6.3N，声学材料使得该区间变窄。

f：根据声压频率模拟值响应曲线，判断声腔的降噪性能。

具体为，对于声腔壁面采用不同声学材料时，利用实验装置两自由度理论模型和四五阶龙格库塔法、谐波平衡法等数值方法分析不同声学材料对靶能量传递特性的影响规律，以减少实验次数和成本。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置，包括声腔、设置在声腔内的扬声器、麦克风、功率放大器、数据采集器和主机，其特征在于，所述声腔的降噪性能实验装置还包括环形夹紧板、薄膜和激光测距仪，所述声腔的一侧设有圆形开孔，该圆形开孔中安装有所述环形夹紧板，所述薄膜安装在所述环形夹紧板内，并且在声腔侧壁中可前后移动，所述激光测距仪位于所述声腔的外侧，并正对薄膜的中心点，用于探测薄膜中心点前后移动的位移；所述扬声器连接所述功率放大器，所述功率放大器、麦克风和激光测距仪均连接所述数据采集器，所述数据采集器连接所述主机；

所述主机根据所述麦克风获取声腔声压、根据所述激光测距仪获取薄膜中心点位移、根据所述扬声器获取外界激励力，并通过预设的实验装置两自由度理论模型获取实验装置的声压频率响应曲线，从而判断声腔的降噪性能。

2.根据权利要求1所述的一种耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置，其特征在于，所述声腔的内壁设有声学材料。

3.根据权利要求1所述的一种耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置，其特征在于，一个所述声腔中设有多个所述麦克风。

4.根据权利要求1所述的一种耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置，其特征在于，所述薄膜的材质为橡胶。

5.根据权利要求1所述的一种耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置，其特征在于，所述声腔的材质为钢板。

6.一种采用如权利要求1所述的一种耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置的声腔的降噪性能实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建所述耦合薄膜非线性能量阱的声腔的降噪性能实验装置；

通过所述扬声器施加不同幅值、不同频率并持续预设的第一时间的外界激励力，获取所述降噪性能实验装置的声压频率探测值响应曲线，估算第一阶共振频率处的声品质因子，获取声腔的第一阶声学模态阻尼；

将所述第一阶声学模态阻尼代入预设的实验装置两自由度理论模型中，获取在不同幅值与频率组合下的声压频率模拟值响应曲线；

根据所述声压频率模拟值响应曲线，判断所述声腔的降噪性能。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述实验装置两自由度理论模型的表达式为：

l＝0，δ_l0＝1；l≠0，δ_l0＝0；

m＝0，δ_m0＝1；m≠0，δ_m0＝0；

n＝0，δ_n0＝1；n≠0，δ_n0＝0.

式中，p为声腔声压，q为薄膜中心点位移，f(t)为外界激励力，ρ₀为空气密度，c₀为空气中声速，λ为模态阻尼系数，lmn为简正阶数，(L_x，L_y，L_z)为声腔的尺寸，(x_m，y_m，z_m)为薄膜的安装位置，ρ_m为薄膜密度，h为薄膜厚度，R为薄膜半径，E为薄膜杨氏模量，υ为薄膜泊松比，η为薄膜阻尼系数。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括采用所述声压频率探测值响应曲线对比验证所述声压频率模拟值响应曲线的准确性。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述降噪性能实验装置的声腔内壁设置不同的声学材料，从而分别判断所述声腔的降噪性能。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一时间的取值在2至10秒范围以内。

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