多孔橡胶材料声传递损失性能分析：模型描述

橡胶板材的透射损失频谱分析
播雨博播
1，前言
噪声治理，噪声控制工程中有时使用橡胶板作为隔声构件，这是声波通过单层板传输，从而发生透射衰减，也称传声损失或透射损失的计算问题。

这方面资料不多，本公司科技人员立项研究多种板材的透射损失，取得初步成果。

2，单层板的透射损失推导
单层板的透射属于声波通过三种介质（二个界面）传输的模型，如图1所示。

这里假定声波是通过均匀且各向同性的介质。

我们推导声波投射系数。

如图1中，Ai为入射声波，Ar为反射声波，在介质2（0L）中有投射声波Bt和反射声波Br,在介质3中有投射声波At。

略去繁琐的推导过程，最后得到的结果透射系数αt为3与介质1相同时，(1)式简化为
αt=4/[4cos2K2L+(R2/R1+R1/R2)2sin2K2L] (1)
式中，R1，R1分别为介质声阻抗，K2为波数，K2=ω/c。

3，橡胶板材的透射损失频谱
根据（1）式，计算橡胶板，木材板，胶合板以及玻璃板的传声损失系数.设橡胶板厚度为10mm,计算橡胶板的传声损失频谱，如图2所示。

注：橡胶板的密度为1039 kg/m3,声波在橡胶介质里的速度为1470 m/s。

由计算结果可知，随着中心频率增加，透射损失提高6 dB/每倍频程；板厚增加一倍，也同样规律增大。

图2
4结束语
噪声治理，噪声控制工程中计算橡胶板的透射衰减，也称传声损失或透射损失，也是噪声治理工程中必须了解的重要数据之一。

声波透过贴有橡胶板的钢板的透射损失计算播雨博播1 前言本文建立声波通过四种介质传输的论模型，经过复杂的理论推导，得出透射系数表达式，可以计算2种以上复合材料的透射系数或透射损失。

在噪声控制工程中，常常需要计算隔声结构的隔声损失或透射损失。

对于单一材料或两种材料复合的透射损失已有计算方法，而对于多种材料构成的复合隔声结构，我公司工程师已推导出相应的计算公式。

2 声波通过多层介质传输的透射系数推导平面声波经过三种均匀和各向同性介质中沿x方向的传输，其模型如图1所示。

声波在各介质中的入射波，反射波和透射波分别表示为：R1=ρ1c1，R2=ρ2c2，R3=ρ3c 3分别表示不同介质的声阻。

在稳态情况下，根据边界处声压和质点速度的连续条件，可以列出方程组,经过复杂推导最后得出计算透射系数函数：at=f(R1cona,R2sina) (1)K是波数，K=ω/c，c为声波速度，m/s。

L1、L2分别表示介质1和介质2 的厚度。

3 透射损失计算假定一列平面波由空气透过一定厚度的橡胶板，再透过钢板，然后投射到空气中，计算透射系数及透射损失。

橡胶板的密度为950 kg/m3，钢的密度为7800 kg/m3，空气密度取为1.21kg/m3，橡胶板厚度取4 mm，2 mm，钢板厚度取1.5 mm。

代入（1）式，计算透射系数，然后通过TL=10 log（1/τ）计算透射损失，计算结果，如图2所示。

由图2可以看到，随着中心频率增加，透射损失提高6 dB/每倍频程。

随着橡胶板厚度增加，透射损失也相应增大3 dB。

得出的透射系数公式可知透射系数与介质的特性阻抗，频率和材料厚度等因素有关；透射系数为三角函数关系，存在通过频率使透射系数增大（透射损失下降）；在实际工程应用中应调节各参数，避开通过频率增加透射损失。

图21。

中文摘要摘要噪声污染已经成为了当今世界非常严重的环境问题之一。

汽车噪声在城市噪声中占有很大比例，在汽车的减振降噪措施中，吸声是一个很重要的途径，而多孔材料是应用得最多的吸声材料。

因此研究多孔吸声材料的吸声特点，吸声性能的影响因素具有重要的意义。

本文以玻璃纤维作为主要研究对象，探讨了多孔吸声材料的理论模型，分析了影响多孔材料吸声性能的因素，研究了多孔材料在穿孔管消声器中的应用并进行了优化设计。

论文主要工作如下：首先，介绍了多孔吸声材料的理论模型、多孔吸声材料的五个声学特征参数的定义以及测试方法。

开发了测量多孔材料流阻率的实验设备，并对几种多孔材料的流阻率进行了测量；选用质量-体积法对多孔材料的孔隙率进行了测量；基于吸声系数测量中的传递函数法对多孔材料的吸声系数进行了测量。

其次，基于Johnson-Champoux-Allard模型以及五个声学特征参数，利用声学有限元方法分析了多孔材料吸声性能的影响因素，重点研究了多孔材料的物理参数（材料厚度、材料背后空腔厚度等）、声学参数（流阻率、孔隙率等）的变化对其吸声性能的影响；基于传递矩阵以及声学有限元法，对多层复合多孔吸声材料的影响因素进行了分析。

最后，将多孔吸声材料应用于穿孔管阻性消声器中，使用声学有限元方法计算消声器的传递损失变化。

以声学特征参数为设计变量，消声器传递损失为目标函数，进行优化设计。

采用最优拉丁超立方实验设计选取样本点，生成设计矩阵；根据设计矩阵中的样本点利用声学有限元法仿真计算消声器传递损失；基于样本点以及响应值，利用Kriging近似模型拟合方法建立消声器传递损失的近似模型；最后用多岛遗传算法对消声器传递损失进行优化。

优化后，消声器传递损失增加了4.32dB，多孔材料的吸声系数在对应频率段也有所增加。

关键词：多孔吸声材料，仿真分析，传递矩阵法，目标优化I英文摘要ABSTRACTNoise pollution has become one of the most serious environmental problems in the world. Automobile noise occupies a large proportion of urban noise.Absorption is a very important method in car vibration and noise reduction measures, and porous materials are the most widely used sound absorption materials. Therefore, it is of great significance to study the sound absorption characteristics of porous sound-absorbing materials and the influencing factors of sound absorption performance. This article takes glass fiber as the main research object, discusses the theoretical model of porous sound-absorbing material, analyzes the factors which influence the sound-absorbing performance of porous material, studies the application of porous material in perforated plate muffler and optimizes it. The main work of this article is as follows: First, the theoretical model of the porous sound-absorbing material, the definition of the five acoustic characteristic parameters of the porous sound-absorbing material, and there test method are introduced. The experimental equipment for measuring the flow resistance of porous materials was developed, and the flow resistance of several porous materials was measured; the porosity of porous materials was measured by the mass-volume method; based on the transfer function measurement. The sound absorption coefficient of the porous material was measured.Secondly, based on the Johnson-Champoux-Allard model and five acoustic parameters, the acoustic finite element method was used to analyze the influencing factors of the sound absorption properties of porous materials, and the physical parameters of porous materials (material thickness, cavity thickness behind the material, etc.) were mainly studied. The effects of changes in acoustic parameters (flow resistance, porosity, etc.) on the sound absorption performance were also studied ; the influence factors of multi-layer composite porous sound-absorbing materials were analyzed based on transfer matrix and acoustic finite element method.Finally, the porous sound-absorbing material was applied to a perforated plate muffler, and the transmission loss of the muffler was calculated using the acoustic finite element method. Taking the acoustic characteristic parameters as design variables, the transmission loss of the muffler as objective function, and the optimization design is performed. The optimal Latin hypercube experimental design was used to select sample points and generate a design matrix. The acoustic finiteIII重庆大学硕士学位论文element method was used to simulate the transmission loss of the muffler according to the sample points in the design matrix. Based on the sample points and response values, an approximation model of muffler was built using the Kriging fitting method. An approximate model of the transmission loss; then, a multi-island genetic algorithm is used to optimize the transmission loss of the muffler. After optimization, the transmission loss of the muffler increased by 4.32 dB, and the sound absorption coefficient of the porous material also increased in the corresponding frequency band.Keywords: Porous Sound-absorbing Materials, Simulation Analysis, Transfer Matrix Method; Goal OptimizationIV目录目录中文摘要 (I)英文摘要 (III)1 绪论 (1)1.1论文的研究背景及意义 (1)1.2国内外多孔吸声材料研究现状 (1)1.2.1 多孔材料特征参数的研究 (2)1.2.2 多孔材料吸声理论的研究 (4)1.3论文的主要研究内容 (5)2 多孔吸声材料及其声学模型简介 (7)2.1多孔吸声材料简介 (7)2.1.1 多孔材料基本特征及分类 (7)2.1.2 多孔材料吸声机理与吸声性能评价指标 (8)2.1.3 多孔材料吸声特性 (9)2.2多孔吸声材料声学模型简介 (12)2.2.1 多孔材料声学特征参数定义 (12)2.2.2 多孔材料声学模型 (15)2.3本章小结 (19)3 多孔材料声学参数的表征 (21)3.1多孔材料流阻率的测量 (21)3.1.1 多孔材料流阻率的测量方法 (21)3.1.2 多孔材料流阻率测量设备开发 (22)3.1.3 多孔材料流阻率的测量 (23)3.1.4 多孔材料流阻率测量装置的误差分析 (25)3.2多孔材料孔隙率的测量 (27)3.2.1 多孔材料孔隙率测量方法简介 (27)3.2.2 多孔材料孔隙率的测量 (28)3.3多孔材料吸声系数的测量 (28)3.3.1多孔材料吸声系数测量方法简介 (28)3.3.2 多孔材料吸声系数测量 (31)3.4多孔材料其他声学特征参数的测量 (34)3.4.1 多孔吸声材料曲折因子的测量 (34)V重庆大学硕士学位论文3.4.2 多孔吸声材料粘性特征长度与热效特征长度的测量 (34)3.5本章小结 (35)4 多孔材料吸声性能影响因素分析 (37)4.1阻抗管有限元模型 (37)4.2仿真方法可行性验证 (39)4.3物理参数对多孔材料吸声性能的影响 (40)4.3.1 厚度多孔材料吸声性能的影响 (40)4.3.2 背后空腔厚度对多孔材料吸声性能的影响 (42)4.4声学特征参数对多孔材料吸声性能的影响 (44)4.4.1 流阻率对多孔材料吸声性能的影响 (44)4.4.2 孔隙率对多孔材料吸声性能的影响 (45)4.4.3 曲折因子对多孔材料吸声性能的影响 (46)4.4.4 粘性特征长度对多孔材料吸声性能的影响 (47)4.4.5 热效特征长度对多孔材料吸声性能的影响 (49)4.5多层复合多孔材料吸声系数理论计算 (51)4.5.1 多层复合多孔材料传递矩阵的建立 (51)4.5.2 多层复合多孔材料吸声系数计算 (52)4.5.3 理论仿真验证 (54)4.6声学特征参数对多层复合多孔材料吸声性能的影响 (55)4.6.1 流阻率对多层复合多孔材料吸声性能的影响 (55)4.6.2 孔隙率对多层复合多孔吸声材料吸声性能的影响 (57)4.6.3 曲折因子对多层复合材料吸声性能的影响 (58)4.7本章小结 (59)5 多孔吸声材料的应用与优化 (61)5.1穿孔管消声器有限元模型 (61)5.2传递导纳理论 (62)5.3穿孔管消声器仿真分析 (63)5.3.1 消声器有限元模型验证 (63)5.3.2 消声器有限元仿真分析 (64)5.3.3 考虑吸声材料的消声器声学有限元仿真分析 (65)5.4考虑吸声材料的消声器性能优化 (66)5.4.1 试验设计 (66)5.4.2 建立近似模型 (68)5.4.3 目标优化 (70)VI目录5.5本章小结 (73)6 总结与展望 (75)6.1全文总结 (75)6.2工作展望 (76)致谢 (77)参考文献 (79)VII1 绪论1 绪论1.1 论文的研究背景及意义随着现代化工业、交通运输和城市建设的快速发展，特别是城市人口的急剧增长，噪声污染已经变得日益严重。

多孔橡胶材料声传递损失性能分析：数值结果应申舜;卢奂采;姜伟【摘要】研究带有无孔薄覆盖层的多孔橡胶板构件的声传递损失特性,给出了63 Hz～8 kHz频率范围内,不同材料特性如弹性模量、橡胶密度,不同结构参数如开孔率、黏性特征长度、热特征长度对多孔橡胶板声传递损失的影响.数值分析结果表明:如其它参数保持为常数,在2 ～8 kHz频率范围内增加开孔率、在350 Hz～2 kHz频率范围内增加材料密度、在63 ～ 160 Hz频率范围内调整材料弹性模量,都可显著改善多孔橡胶板的隔声性能.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2014(032)001【总页数】4页(P4-7)【关键词】多孔橡胶板;声传递损失;有限元与统计能量混合方法;有限元法;统计能量分析法【作者】应申舜;卢奂采;姜伟【作者单位】特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室(浙江工业大学),浙江杭州310014;特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室(浙江工业大学),浙江杭州310014;特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室(浙江工业大学),浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TB535.1橡胶是一种具有黏弹性的、传统的结构振动阻尼材料，而由无孔薄层橡胶覆盖的多孔橡胶材料构件，除了具有抑制振动的阻尼性能外，还具有隔声、吸声、耐热、耐寒、阻燃等优良性能，因而非常适合用作大型装备的减振降噪执行或控制构件。

国内外科学家早在上世纪30年代末，就开始了多孔橡胶材料的声学性能的研究［1-2］。

然而，之前的研究工作，主要集中在多孔橡胶材料的吸声性能方面［3］。

关于其声传递损失(Transmission Loss，简称TL)的研究，公开发表的文献不多。

由于多孔橡胶材料的TL性能，是直接表达材料对声的阻隔作用性能的重要参数之一，因而研究其对于噪声控制中，多孔橡胶构件的材料构成和结构设计，具有重要科学和实际意义。

多孔材料的声学性能研究多孔材料，作为一种特殊的材料形态，其普遍应用于各个领域。

随着科技的不断进步和需求的增加，人们对多孔材料的研究也越来越深入。

其中，多孔材料的声学性能研究引起了广泛关注。

本文将介绍多孔材料的声学性能及其相关研究。

一、多孔材料的声学性能多孔材料的声学性能是指该材料在声波传播中的吸声、传声和反射等特性。

多孔材料的声学性能与其孔隙结构、孔径大小和孔隙连通性等因素密切相关。

首先，多孔材料的吸声性能是指其吸收声波能量的能力。

孔隙结构和孔径大小是影响吸声性能的重要因素，间隔适当的孔隙能够增加声波在材料中的传播路径，从而提高吸声效果。

其次，多孔材料的传声性能是指声波在材料中的传播效果。

多孔材料中孔隙连通性的好坏会影响声波的传播速度和传播方向。

当声波通过多孔材料时，如果孔隙连通性良好，则声波会得到有效传导，从而提高传声效果。

最后，多孔材料的反射性能是指声波在材料表面的反射特性。

多孔材料能够通过控制孔隙结构和孔径大小来改变声波的反射。

合理设计多孔材料的结构可以达到减少声波反射、提高声波吸收效果的目的。

二、多孔材料声学性能的研究方法为了研究多孔材料的声学性能，科学家们采用了一系列的研究方法和技术。

首先，通过实验室测试设备，如声学吸声室、声学反射测量系统等，对多孔材料的声学性能进行测试和分析。

这些实验设备能够测量多孔材料的吸声、传声和反射等性能指标，为后续的研究提供了依据。

其次，采用数值模拟方法对多孔材料的声学性能进行仿真研究。

数值模拟方法可以模拟多孔材料中声波的传播过程，通过计算和模拟得出材料的声学性能。

这种方法有效地减少了实验测试的成本和时间，提高了研究效率。

最后，结合实验和数值模拟方法，通过数据处理和分析，得出多孔材料的声学性能规律和影响因素。

科学家们可以通过大量的实验和模拟数据，研究多孔材料中孔隙结构、孔径大小和孔隙连通性对声学性能的影响程度，为多孔材料的设计和应用提供科学依据。

三、多孔材料声学性能的应用多孔材料的声学性能研究不仅在理论上具有重要性，也具有广泛的应用前景。

多孔吸声材料多孔吸声材料是普遍应用的吸声材料，其中包括各种纤维材料：超细玻璃棉、离心玻璃棉、岩棉、矿棉等无机纤维，棉、毛、麻、棕丝、草质或木质纤维等有机纤维。

纤维材料很少直接以松散状使用，通常用胶黏剂制成毡片或板材，如玻璃棉毡（板）、岩棉板、矿棉板、木丝板、软质纤维板凳。

微孔吸声砖等也属于多孔吸声材料。

泡沫塑料，如果其中的空隙相互连通并通向外表，可作为多孔吸声材料。

一、多孔材料的吸声机理多孔吸声材料具有良好吸声性能的而原因，不是因为表面的粗糙，而是因为多孔材料具有大量内外两桶的微小空隙和空洞。

图12-1（a）表示了粗糙表面和多孔材料的差别。

那种认为粗糙墙面（如拉毛水泥）吸声好的概念是错误的。

当声波入射到多孔材料上，声波能顺着微孔进入材料的内部，引起空隙中空气的振动。

由于空气的黏滞阻力、空气与孔壁的抹茶和热传导作用等，使相当一部分声能转化为热能而被损耗。

因此，只有孔洞对外开口，孔洞之间互相连通，且孔洞深入材料内部，才可以有效地吸收声能。

这一点与某些隔热保温材料的要求不同。

如聚苯和部分聚氯乙烯泡沫塑料以及加气混凝土等材料，内部也有大量气孔，但大部分单个闭合，互补连通（见图12-1b），他们可以作为隔热温饱材料，但吸声小郭却不好。

二、影响多孔材料吸声系数的因素多孔材料一般对中高频声波具有良好的吸声。

影响和控制多孔材料吸声特性的因素，主要是材料的孔隙率、结构因子和空气流阻。

孔隙率是指材料中连通的空隙体积和材料总体积之比。

结构因子是有多孔材料结构特性所决定的物理量。

空气流阻反应了空气通过多孔材料阻力的大小。

三则中以空气阻留最为重要，它定义为：当稳定气流通过多孔材料时，材料两面的静压差和气流线速度之比。

单位厚度材料的流阻，称为“比流阻”。

当材料厚度不大时，比流阻越大，说明空气穿透两就小，牺牲性能就下降，但比流阻大小，声能因摩擦力、黏滞力而损耗的效率就低，吸声性能就会下降。

所以，多孔材料存在最佳流阻。

当材料厚度充分大，比流阻小，则吸声就打。

材料的声学性研究评估材料的声音传导和吸声特性的性能声学性学科研究的是材料的声学特性，包括声音的传导和吸声能力。

这些特性对于建筑设计、音频工程和环境噪音控制等领域具有重要意义。

本文将介绍声学性的研究方法，并评估不同材料的声学性能。

一、声音传导研究声音传导是指声波在材料中的传播过程。

不同材料对声音的传导有不同的影响，如金属和玻璃等硬质材料能够快速传导声音，而纤维材料和软质材料则具有较好的隔音效果。

研究声音传导可以通过测量材料的声传递损失来评估。

声传递损失是指声波通过材料时的声能损失程度，可以用来判断材料的声音隔离能力。

常见的评估方法包括声波传输实验和声学特性测试仪器。

二、吸声材料的性能评估吸声材料用于吸收声音，减少噪音的反射和回声。

吸声材料的性能评估主要包括两个方面：吸声系数和材料的结构。

吸声系数是评估材料吸声性能的重要指标。

吸声系数范围从0到1，数值越大表示材料对声波的吸收能力越强。

常用的评定吸声系数的方法包括法国梅恩法和声学室测试。

材料的结构对吸声性能也有很大的影响。

纤维材料的表面形状和密度可以改变声波的传播路径，从而提高吸声效果。

此外，多层复合材料和空气隔层也可以有效提高吸声效果。

三、常见材料的声学性能评估1. 隔音玻璃：隔音玻璃是一种具有优异声隔离性能的建筑材料。

它由两层或多层玻璃板之间的密封腔隔开，腔内填充有吸声材料。

隔音玻璃的声音传导损失较小，能够有效隔离噪音。

2. 吸音板：吸音板是一种常见的吸声材料，常用于会议室、音乐厅和录音棚等场所。

它的表面通常采用多孔材料，能够有效吸收声波的能量，减少噪音的反射和回声。

3. 混凝土：混凝土是一种常用的建筑材料，具有较好的隔音性能。

由于其密度较高，能够有效隔离声音的传播，降低噪音的传递。

四、合成材料的声学性能评估合成材料是一类由多种材料组合而成的复合材料。

它们通常具有良好的声学性能，如纤维复合材料和泡沫塑料。

纤维复合材料由纤维增强树脂基体组成，具有较低的声传递能力。