基于COMSOL的三明治复合结构泡沫铝隔声性能研究

摘    要：泡沫铝夹层结构因其优良的物理性能被广泛应用于汽车工业领域，为研究不同材料组合对三明治复合结构泡沫铝隔声性能的影响，利用COMSOL有限元软件对纯泡沫铝和三种常见三明治复合结构泡沫铝三维几何模型进行建模，并对其传递损失进行了数值仿真计算。分析了不同材料组合对三明治复合结构泡沫铝隔声性能的影响。结果表明：(1)三明治复合结构泡沫铝的隔声性能要优于纯泡沫铝，尤其在高频段(2)三明治复合结构泡沫铝传递损失存在周期性规律，即传递损失在低频段先增后减、中频段先减后增、高频段逐渐增大的趋势。

关键词：COMSOL;复合结构;泡沫铝;传递损失;

泡沫铝是一种轻质多孔金属材料，在其铝基体中含有不计其数的气泡[1],且同时呈现出金属相气泡特征，是一种应用前景十分广阔的物理功能性材料。由于泡沫铝具有轻质、高比刚度、高比强度、吸声隔热、阻尼减震、电池屏蔽等特点，在航空航天、高速芯片，建筑材料中均有十分重要的应用。由于具有优良的物理性能，近些年泡沫铝材料又逐渐进入汽车应用领域。泡沫铝经典应用之一就是泡沫铝夹层结构[2],由于综合了泡沫铝和金属板件的性能，这种结构强度较好，得到了广泛的应用。但随着汽车技术的不断发展，在整个汽车新产品开发或选购的过程中，人们对于乘坐过程中的舒适性有了更高的要求。徐平等[3]通过有限元仿真方法研究了泡沫铝复合结构救生舱的隔声性能；唐振正和崔承勋[4]研究了不同复合板密度和厚度对其复合结构的隔声性能影响；梁李斯等[5]研究了打孔泡沫铝和打孔铝板组成的复合结构的吸声性能。可见近年来关于分析泡沫铝三明治复合结构声学性能方面的研究较少，比如将泡沫铝和铝合金或碳纤维复合材料等结合，可以一定程度上加强泡沫铝和其他材料之间的结合力，强化各材料的性能特点。因此，本文利用COMSOL有限元软件，针对泡沫铝、铝合金和碳纤维复合材料三种材料组合而成的三种常见三明治复合结构泡沫铝进行了三维几何建模和声学建模，并对其传递损失进行了数值仿真计算。分析了不同材料组合对三明治复合结构泡沫铝隔声性能的影响。为实际工程应用中三明治复合结构泡沫铝的设计和优化提供了一定的理论基础。

1 三明治复合结构泡沫铝

1.1 三维几何模型

将泡沫铝、铝合金、碳纤维复合材料三种材料进行组合，构建了铝合金-泡沫铝-铝合金、碳纤维复合材料-泡沫铝-碳纤维复合材料以及碳纤维复合材料-泡沫铝-铝合金等三种常见三明治复合结构泡沫铝三维几何模型，如图1所示，其具体几何尺寸参数如表1所示。

表1 三明治复合结构泡沫铝三维几何模型尺寸参数

图1 三明治复合结构泡沫铝三维几何模型  

1.2 声学模型

基于COMSOL软件构建了铝合金-泡沫铝-铝合金、碳纤维复合材料-泡沫铝-碳纤维复合材料以及碳纤维复合材料-泡沫铝-铝合金等三种常见三明治复合结构泡沫铝声学模型，如图2所示，其中泡沫铝、铝合金及碳纤维复合材料技术参数如表2所示。

表2 泡沫铝、铝合金及碳纤维复合材料技术参数

图2 三明治复合结构泡沫铝声学模型  

2 三明治复合结构泡沫铝传递损失计算

(1)域方程

在传递损失计算过程中使用“压力声学，频域”接口在频域求解此问题。模型求解的方程是修正的亥姆霍兹方程[6],求解声压p:

其中，c是声速，ρ是密度，ω是角频率。由于材料不同密度也会不同，因此方程中须包含密度。假设本模型在低频范围内主要存在抗性衰减。因此，不包含阻性衰减。

(2)边界条件

边界条件有三种不同类型。在所有固体边界处使用硬声场 (壁)边界条件：

在入口边界处，假定存在入射平面波和出射平面波的叠加：

在这个方程中，p0表示施加的外部压力，i是虚部单元。在出口边界处，设置一个出射平面波：

(3)传递损失

下面的方程定义了三明治复合结构泡沫铝的传递损失[7]:

其中，Pin和Pout分别表示入口和出口处的声学效应。声学效应使用以下方程计算：

3 仿真与分析

3.1 纯泡沫铝结构传递损失

基于图1、图2所示的三维几何模型、声学模型，利用COMSOL软件计算得到半径5cm, 厚度3cm的纯泡沫铝结构传递损失如图3所示。

图3 纯泡沫铝结构传递损失 

通过图3可以看出，纯泡沫铝结构传递损失在100-5000Hz频段范围内，整体呈现先增后减的趋势，其中在100-3000Hz频段传递损失约从19dB开始增大，在3000Hz处得到最大值约44dB,当频率大于3000Hz后传递损失呈现逐渐下降趋势。

3.2 不同材料组合三明治复合结构泡沫铝传递损失

基于图1、图2所示的三维几何模型、声学模型和技术参数，利用COMSOL软件计算得到的铝合金-泡沫铝-铝合金、碳纤维复合材料-泡沫铝-碳纤维复合材料、碳纤维复合材料-泡沫铝-铝合金三明治复合结构泡沫铝传递损失分别如图4、5、6所示，其传递损失对比分析图如图7所示。

图4 铝合金-泡沫铝-铝合金三明治 复合结构泡沫铝传递损失

通过图4可得知，铝合金-泡沫铝-铝合金三明治复合结构泡沫铝传递损失，在100-2800Hz频段内呈现先增后减的趋势，其中约在1500Hz处达到最大值约48dB。当频率大于2700Hz时传递损失随频率增加而增大，在4900Hz处达到最大值约63dB,但在4200-4400Hz频段内出现先减后增现象，在4300Hz处取得最小值约55dB。当频率大于4900Hz时，传递损失开始逐渐下降。

通过图5我们可以看出，碳纤维复合材料-泡沫铝-碳纤维复合材料三明治复合结构泡沫铝传递损失，在100-3500Hz频段内呈现先增后减的趋势，其中约在1900Hz处达到最大值约47dB。当频率大于3500Hz时传递损失开始逐渐增大，但在4700-4900Hz频段内出现先增后减现象，在4800Hz处取得最小值约41dB。当频率大于4900Hz时，传递损失开始逐渐增大。

图5 碳纤维复合材料-泡沫铝-碳纤维复合材料 三明治复合结构泡沫铝传递损失

从图6可以发现，碳纤维复合材料-泡沫铝-铝合金三明治复合结构泡沫铝传递损失，在100-3100Hz频段内呈现先增后减的趋势，其中在1700Hz处达到最大值约48dB,在3100Hz处得到最小值约16dB。当频率大于3100Hz时，传递损失开始逐渐增大。

图6 碳纤维复合材料-泡沫铝-铝合金 三明治复合结构泡沫铝传递损失 

通过图7对比分析得知，在低频段和高频段内三明治复合结构泡沫铝隔声性能基本均优于纯泡沫铝结构且铝合金-泡沫铝-铝合金三明治复合结构泡沫铝性能最佳，但在中高频段，根据不同的频段范围纯泡沫铝结构要明显优于其他组合三明治复合结构。

图7 不同材料组合三明治复合结构泡沫铝传递损失对比分析图   

4 结论

利用COMSOL有限元软件对纯泡沫铝结构和三种常见三明治复合结构泡沫铝传递损失进行了仿真计算，通过分析对比可得出以下结论：

(1)当频率在100-2300Hz频段范围内时，三明治复合结构泡沫铝的隔声性能要优于纯泡沫铝，但三明治复合结构泡沫铝在2300-3800Hz频段内传递损失均存在先减后增的现象且局部频段隔声性能较差，当频率大于3800Hz时三明治复合结构泡沫铝相比于纯泡沫铝结构隔声性能优越性更加明显；

(2)三明治复合结构泡沫铝传递损失存在周期性规律，即传递损失在低频段先增后减、中频段先减后增、高频段逐渐增大的趋势且在全频段范围内铝合金-泡沫铝-铝合金三明治复合结构泡沫铝的隔声性能更为优异。

参考文献

[1] 张乐，郑顺奇，郑阳升，史秀梅，程英晔.我国泡沫铝材料关键技术进展与展望[J/OL].中国材料进展：1-7[2022-07-03].TG.20211118.2100.002.

[2] 徐竹.泡沫夹层结构复合材料的研究进展[J].合成材料老化与应用，2016,45(04):96-99.DOI:10.16584/1671-5381.2016.04.022.

[3] 徐平，范中海，于英华，沈佳兴.圆形泡沫铝复合结构救生舱碰撞及隔声性能分析[J].安全与环境学报，2022,22(01):123-131.DOI:10.13637/1009-6094.2020.1090.

[4] 唐振正，崔承勋.泡沫铝复合结构的声学性能研究[J].延边大学学报(自然科学版),2019,45(02):185-188.DOI:10.16379/1004-4353.2019.02.018.

[5] 梁李斯，刘诗薇，赵俊学，肖桂枝，武姣娜.闭孔泡沫铝板与铝板复合结构吸声性能[J].有色金属工程，2016,6(04):22-25+29.

[6] 王正敏，饶伟，李德玉.封闭腔体噪声控制中亥姆霍兹共振器的优化设计方法[J].声学学报，2019,44(05):834-842.DOI:10.15949/0371-0025.2019.05.004.

[7] 杨芳乙，李旭巍，李力克，石国兵，王鹏.通风工程常用消声器传递损失研究[J].重庆建筑，2022,21(04):54-56.

文章来源：内燃机与配件