碳纤维铝蜂窝板隔声性能分析

2021-06-18 11:17

碳纤维铝蜂窝夹芯复合结构在航空工业、高速列车中得到越来越多的应用,其隔声性能对车内及机舱噪声有重要影响。本文将采用碳纤维面板及铝面板对比分析对复合结构隔声性能的影响。

  实验所用材料为铝蜂窝夹芯复合结构,由上面板、下面板、中间铝蜂窝构成,上、下面板初始厚度均为3mm,铝蜂窝壁厚为0.14mm,铝蜂窝采用常用的六边形蜂窝结构,铝蜂窝夹芯高度为30mm,单个蜂窝每边长度为5mm。

  当入射声波频率接近板的模态频率时,板结构产生共振,透射声能会迅速增大,致使板的隔声量降低,从而出现隔声低谷,可见结构模态对结构隔声性能有很大影响。当面板使用碳纤维复合结构时,铝蜂窝夹芯复合结构具有更高的模态频率,两组方案结构的一阶模态频率相差较小,随着模态阶次的增加模态频率差值逐渐增加,两种方案的振型基本相同。

  在透射面的声功率级总体趋势大致相似,在100~1000Hz的中低频段,采用碳纤维面板的透射面声功率级要大于铝面板,碳纤维面板密度小于铝面板密度,声波更容易透过结构,说明在这个频段内面板使用碳纤维材料时另一侧会有更大的透射声波,这表明其隔声性能要略差于面板使用铝合金的方案。

  总体上两种材质面板隔声量均是从低频到高频逐渐升高,在大多数频率,面板使用碳纤维复合结构时的隔声量低于面板为金属铝时的隔声量。在100~1000Hz的中低频频率段,面板为碳纤维复合结构时隔声量均小于面板为金属铝的隔声量。两种面板均在500Hz时出现第一个隔声低谷,此时隔声低谷频率与结构的第一阶固有频率基本相同,即结构的第一阶模态频率就是第一个隔声低谷。频率为1600Hz时,面板使用碳纤维复合结构情况的隔声量出现了较低的隔声低谷。

  研究结果表明,面板采用碳纤维复合结构时,在小于1000Hz的低频段,相同面板厚度的铝蜂窝复合结构隔声性能比全铝合金材料的铝蜂窝夹芯复合结构有所降低,而且在高频段会出现隔声量更低的隔声低谷;相较于铝合金面板,复合结构的面板采用碳纤维复合材料时,能够实现整体结构轻量化也提高复合结构的隔声性能;各层之间按相对90°铺设时复合结构隔声性能最好;随着面板厚度的增加复合结构隔声性能增加,面板层总厚度不变的情况下,单层面板或者过多的层数都会使复合结构隔声性能降低。

  在1000Hz以下频率,“碳纤维复合材料板+铝蜂窝芯层+碳纤维复合材料板”组成的夹芯复合结构隔声量,均小于相同体积尺寸的“铝合金板+铝蜂窝芯层+铝合金板”复合结构隔声量,且在100~3150Hz频段范围内,计权隔声量同样小于“铝合金板+铝蜂窝芯层+铝合金板”复合结构。通过对比仿真数据可知,适当增加上下面板厚度可以提高碳纤维复合夹芯结构的隔声量,对比传统铝合金夹芯复合结构,既实现了轻量化,同时提升了复合结构的隔声性能。

  碳纤维材料面板内各层之间铺设角度为0°、90°交替铺设时,能提高复合结构的隔声性能;从多层碳纤维复合结构面板来看,在厚度相同的情况下,采用单层或者高于8层的多层结构时,复合结构隔声性能均较差,使用2层、4层的碳纤维复合结构面板时,隔声性能较好;随着碳纤维复合面板厚度增加,铝蜂窝夹芯复合结构的隔声性能在中低频有明显提高。

总体来看,增加夹芯铝蜂窝结构壁厚可以增加低频段复合结构隔声量;随着蜂窝芯层厚度的增加,在100~630Hz频段内,隔声量均有提高,而且随着芯层厚度的增加,隔声低谷出现的频率逐渐向高频方向移动,改善低频隔声性能。