三聚氰胺泡沫吸聲材料聲學性能的仿真研究

三聚氰胺泡沫吸聲材料聲學性能的仿真研究本科畢業(yè)論文（設計）題目：三聚氰胺泡沫吸聲材料聲學性能的仿真研究姓名：學號：專業(yè)：院系：指導老師職稱學位：講師/碩士完成時間：教務處制安徽新華學院2015屆本科畢業(yè)論文（設計）緒論1.1研究意義及背景隨著社會的進步，人們生活中出現(xiàn)可各種各樣奇怪的聲音，這些聲音組成了大自然的“交響樂”，但有些聲音卻影響了人們的正常生活。曾經(jīng)寧靜的鄉(xiāng)村如今也變的“熱鬧”起來。汽車的鳴笛聲，車輛發(fā)動機的轟鳴聲等。人們居住的各種吵雜的環(huán)境中。據(jù)有關(guān)資料了解噪聲污染己經(jīng)成為一個世界性的問題與空氣污染、水污染并稱為世界三大公害。噪聲對人們的影響非常大，它妨礙了人們的正常生活休息，如使人感到煩躁、緊張、疲勞甚至還會對人的聽力，神經(jīng)系統(tǒng)、心血管等方面產(chǎn)生危害。通過噪聲對建筑物也有一點的影響，如加劇建筑物等的老化。甚至還影響設備的使用壽命及精度。隨著社會的進步人們的環(huán)保意識逐漸增強，人們對于環(huán)境中聲音的要求也越來越高，噪聲的治理具有極其重要的意義。能有提高人民生活質(zhì)量，對于人們的身心健康的治理也有一點的積極影響。由于噪聲污染已經(jīng)世界三大公害之一，因此對于治理噪聲污染逐漸演變成了一個關(guān)于環(huán)境治理以及人類發(fā)展工程中必修解決的重要難題，目前治理噪聲的方法之一是使用吸聲材料使聲音的分貝在傳播過程中迅速減弱，到達噪聲的控制。三聚氰胺泡沫材料是一種多空吸聲材料，且三聚氰胺泡沫材料具有良好的阻燃性，在使用過程中不需再添加阻燃劑，因此三聚氰胺泡沫材料適合于運用在噪音嚴重的居民樓中，到達降低聲音分貝的作用。因此對于三聚氰胺泡沫材料吸聲效果研究具有極其重要的意義。如研究三聚氰胺泡沫材料的密度等因素對于吸聲效果變化情況，對于材料的利用率具有極其重要的影響。1.2噪聲的控制由于聲音的傳播過程是由聲源的震動產(chǎn)生聲音，聲音通過介質(zhì)進行擴散至能夠接收到聲音的受體。因此對于噪聲的控制可以從噪聲傳播的三個階段加以控制，三個階段的控制分別如下：(1)控制噪聲源：使用分貝低的設備，可以通過改進其生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)，提高加工的精度的降低分貝，也可在聲源處使用隔聲，吸聲的設備控制噪聲的傳播等。(2)在聲波傳播過程中可以使用阻隔方式或收聲波。如利用吸聲材料、消音器、隔聲材料等對聲波進行吸收、阻隔。(3)聲波受體采取保護措施。在一些不能避免噪聲的工作環(huán)境,只能依靠防噪產(chǎn)品對受體進行保護。由于聲源的控制是最難實現(xiàn)的，聲音在傳播過程中的控制容易實現(xiàn),其最有效的控制方法是在聲音的傳播過程中加以阻隔、吸收聲波降低分貝。針對噪聲的控制技術(shù)主要有以下三種，分別為：隔聲降噪、阻尼降噪和吸聲降噪,但這三者都有一個共同的特定離不開聲功能材料。1.3吸聲材料發(fā)展狀況與展望能夠?qū)⒙暷苻D(zhuǎn)換為熱能的材料，我們稱之為吸聲材。吸聲材料按其吸聲原理可分為共振吸聲結(jié)構(gòu)材料與多孔吸聲材料兩大類。前者在低頻聲音是的吸聲系數(shù)較高，但其制作及加工有些復雜；后者在中高頻聲音中具有較大的吸聲系數(shù)。雖然后者存在一些缺點，但其具有制備技術(shù)簡單且取材方便等特點。隨著吸聲材料的開發(fā)與研制，低頻吸聲性能也得到了極大的改善，使得多孔吸聲材料成為國民經(jīng)各行各業(yè)不可缺少的材料與用品之一。隨著新型材料的研制與開發(fā)，更多的新型材料在眾多領域發(fā)揮著積極作用。伴隨著近代合成材料的進展，吸聲材料也從以前的有機材料到無機材料，再到如今的復合材料。近年來，由于礦物纖維材料具有吸聲性能好，質(zhì)量輕，不易燃燒，絕熱絕緣、不腐、隔音減震等特點，替代了干草，毯子等天然吸聲材料，使其在工業(yè)領域中起到了積極作用。但是礦物質(zhì)纖維材料同時也具有在實際操作過程中容易斷裂、破碎，在使用后當材料破壞后容易產(chǎn)生大量的粉塵。隨著社會的發(fā)展，這些跟不上社會發(fā)展需求。未來新型聲學材料應具備環(huán)保，安全等特點。材料學家在吸聲材料研究領域正在不斷的深入研究，將來必會出現(xiàn)各種各樣新型吸聲材料及新型吸聲結(jié)構(gòu)形式，將為我們創(chuàng)造一個健康、舒適、安全的生存環(huán)境。1.4國內(nèi)外研究進展一切技術(shù)的發(fā)展都離不開材料，在過去及現(xiàn)在人類甚至將來都不會改變事是社會若沒有材料就不可能進步。對于聲學材料的研究，我們只關(guān)注的問題是材料對于聲音傳播過程中能量的吸收率之間的關(guān)系。對于直入射吸收系數(shù)和無規(guī)則入射吸聲系數(shù)的可以為研究者提供一定的信息。我們可以使用相關(guān)的測試工具得到這些數(shù)據(jù)。但是為了能夠深入的了解材料結(jié)構(gòu)與其性能間的關(guān)系，因此需對材料的吸收聲音的特點及特性等方面進行考慮與研究。大多數(shù)研究材料與吸聲之間關(guān)系的人員試圖從材料的孔隙率、泊松比、楊氏模量、流阻率等特性入手,從而得到材料較為詳細的參數(shù),設計出更好的吸聲材料。據(jù)資料的記載可知，對于材料的吸聲效果研究可以追溯到上世紀40年代初,不論從材料學的快速發(fā)展還是對于研究材料學科人員數(shù)量的增多，材料關(guān)于吸聲的研究成果已經(jīng)廣泛的應用在各行各業(yè)，如資源的聲波勘探、地震勘探、聲波測井和吸聲材料的聲音衰減等。Delany和Bazley是最早提出關(guān)于材料中聲音具有代表性的阻抗及聲音傳播常數(shù)等基本關(guān)于聲音特性與不同頻率下靜態(tài)流阻率間的關(guān)系。即使目前吸聲材料已經(jīng)得到廣泛的應用，其中有不少應用非常成功，但是Delany-Bazley方程得到的預測結(jié)果在低頻環(huán)境下與實際測量結(jié)果依舊有很大的差異。因此不能用于研究微觀結(jié)構(gòu)對聲音吸收的效果預測[10]。Morse-Ingard模型建立在物理聲學基礎上，但是它不能直接的運用到微觀材料的結(jié)構(gòu)上，只能間接的運用到微觀多孔材料的結(jié)構(gòu)。Champoux和Allard基于粘滯力頻率，推導出了多孔隙硬骨纖維材料之間的關(guān)系式,并引進了粘滯力和散熱過程相關(guān)的兩個數(shù)量的比值及與孔隙形狀有關(guān)。1956-1962年期間，科學家Biot提出了流體飽和多孔介質(zhì)彈性波動力學理論，該理論一直使用到現(xiàn)在，被后來的材料聲學研究者簡稱為畢奧（Biot)理論。Biot理論預測聲音在多孔介質(zhì)中傳播時存在兩種縱波分別是縱波與慢縱波。直到1980年，Plioa首次在實驗室中驗證了Boit理論中提到的第二種縱波—慢縱波，在Biot理論的分析與應用的曲折道路上起到了推進效果。隨著人類社會的進步，人們對于科學知識不斷修正與完善，其中包括Biot理論，其研究成果在物理學，力學，骨科學、地震學及聲學方面都得到了廣泛的運用。1.5本課題的主要研究內(nèi)容本文在查閱分析文獻的基礎上,基于VAOne軟件平臺,分析了多孔材料的吸聲特性[12]。本文研究的內(nèi)容主要有以下幾個方面:（1）深入研究三聚氰胺泡沫吸聲材料的吸聲降噪機理（2）深入研究多孔材料的理論模型（3）深入研究衡量材料、結(jié)構(gòu)的聲學性能的因素——吸聲系數(shù)的兩種測量方法（垂直入射吸聲系數(shù)和擴散場吸聲系數(shù)）(4)研究三聚氰胺泡沫吸聲材料吸聲性能的影響因素(5)通過VAONE仿真分析三聚氰胺泡沫吸聲材料各參數(shù)對其吸聲性能的影響特性

2三聚氰胺泡沫材料的聲學特性2.1吸聲材料簡介吸聲材料指具有較強的吸收聲能、減低噪聲性能的材料。由于材料就有多孔性、薄膜作用或共振作用，對入射聲能或多或少都有吸聲能力，因此吸聲材料一般是內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有多孔的、貫通的而且密度極小。吸聲材料的吸聲原理主要是:首先是粘滯性和內(nèi)摩擦作用,由于聲波在傳播過程中，質(zhì)點振動速度各處不同，存在著速度梯度，使相鄰質(zhì)點間產(chǎn)生相互作用的粘滯力或內(nèi)摩擦力，對質(zhì)點運動起阻礙作用，從而使聲能不斷轉(zhuǎn)化為熱能。其次是熱傳導效應,由于聲波在傳播過程中媒質(zhì)質(zhì)點疏密程度各處不同，因而媒質(zhì)溫度也各處不同，存在著溫度梯度，從而相鄰質(zhì)點間產(chǎn)生了熱量傳遞，使聲能不斷轉(zhuǎn)化為熱能。工程應用中通常把對于頻率分別為125Hz、250Hz、500HZ、1000HZ、2000Hz、4000Hz平均吸聲系數(shù)大于0.2的材料叫做吸聲材料[14],平均吸聲系數(shù)大于0.56的材料稱作高效吸聲材料。2.1.1材料吸聲性能的評價與測試方法在工程應用中，吸聲材料的質(zhì)量主要通過材料的吸聲系數(shù)體現(xiàn)的。吸聲系數(shù)（）指材料吸收的聲能與入射到材料上的總聲能的比值。如圖2-1表示的是聲音在傳播過程中能量的變化關(guān)系，其中Ei表示單位時間內(nèi)入射的總聲能，Er為反射的聲能，Ea=EaE式中Pi為入射聲波的聲壓，P圖2.1聲能的反射、透射與吸收由于材料的吸聲系數(shù)與聲音的頻率有關(guān)，不同頻率的吸聲系數(shù)是不同的，因此在測量材料的吸聲系數(shù)通常使用平均吸聲系數(shù)對材料的吸聲效果進行評價，雖然不能真實有效的反映出材料的吸聲效果，但其仍具有實用價值。=i=1i=n式中為平均吸聲系數(shù)：i為各頻率的吸聲系數(shù)工程設計過程中通常依據(jù)無規(guī)入射吸聲系數(shù)，由于其測量的條件接近于現(xiàn)實生活中材料的使用條件。無規(guī)入射吸聲系數(shù)指聲波以相同的概率從各個方向無規(guī)則的入射時所測定的吸聲系數(shù)。在實驗室里測量得出各種吸聲材料的吸聲系數(shù)?，F(xiàn)在,材料吸聲系數(shù)的側(cè)量方法主要有三種:駐波管法、傳遞函數(shù)法和混響室法。l)駐波管法駐波管法是測量材料的垂直入射吸聲系數(shù)的方法。當聲波垂直入射到測試材料的表面而被反射時，在管內(nèi)就形成駐波。測出極大聲壓和極小聲壓的比即駐波比n后，就可按式計算材料的垂直入射吸聲系數(shù)。由于實用中的試件的吸聲系數(shù)與聲波的入射方向及安裝條件有關(guān)，而像駐波管法中所采用的入射方向及安裝條件在工程中是沒有的，因此駐波管法僅用于研究吸聲系數(shù)與其樣品的大小無關(guān)的吸聲材料的聲學性能。另外，用駐波管法還能測量材料的聲阻抗。此時要測定的量有駐波比、從試件表面至第一個聲壓極小值的距離和兩個相鄰極小值之間的距離。2)傳遞函數(shù)法傳遞函數(shù)法測定法向人射條件下吸聲材料的吸聲系數(shù)，涉及阻抗管的使用、兩個傳聲器的位置和數(shù)字頻率分析系統(tǒng)。本方法也能用來測定吸聲材料的表面聲阻抗率或表面聲導納率。測試樣品裝在一支平直、剛性、氣密的阻抗管的一端。管中的平面聲波由（無規(guī)噪聲、偽隨機序列噪聲或線性調(diào)頻脈沖）聲源產(chǎn)生。在靠近樣品的兩個位置上測量聲壓，求得兩個傳聲器信號的聲傳遞函數(shù)，用此計算試件的法向人射復反射因數(shù)、法向人射吸聲系數(shù)和聲阻抗率。上述這些量都是作為頻率的函數(shù)確定的。頻率分辨率取決于采樣頻率和數(shù)字頻率分析系統(tǒng)的測量記錄長度。有用的頻率范圍與阻抗管的橫向尺寸或直徑及兩個傳聲器之間的間距有關(guān)。用不同尺寸或直徑和間距作組合，可得到寬的測量頻率范圍。3)混響室法混響室法的測量結(jié)果為隨機入射吸聲系數(shù)，是通過測定混響室的混響時間來確定材料的吸聲系數(shù)的?；祉懯曳y量時,被測樣品也是緊貼剛性背襯,通過測量有無樣品時房間的混響時間計算吸聲系數(shù)。有背襯的測量條件與聲學材料的實際應用環(huán)境是相似的,但無背襯時測量的吸聲系數(shù)更能反映材料的吸聲特性。我們將這兩類測量方法分別稱之為反射法測量和透射法測量。從已發(fā)表的文獻來看,背襯對吸聲特性的研究主要集中在水下。空氣聲中兩類方法測量的吸聲系數(shù)差異很少討論。主要原因也許是現(xiàn)有的阻抗管法或混響室法測量原理本身所決定的,如樣品安裝方式以及所用的單頻或?qū)拵нB續(xù)聲波使透射波、反射波與入射波的分離比較困難。2.1.2吸聲材料的類型目前我國生產(chǎn)和使用的吸聲材料種類繁多，其吸聲原理是聲音在傳播過程中具有粘滯性及內(nèi)部摩擦作用和熱傳導效應,將聲能逐漸轉(zhuǎn)化為其它能量而達到吸能降噪的效果。材料不同,其吸聲特性也不同。在工程應用中,我們通常將吸聲材料分為以下幾種類型,如下表2-2所示。表2-2吸聲材料的類型多多孔吸聲材料料共振吸聲材料料特殊結(jié)構(gòu)吸聲材料料纖纖維狀吸聲材料料單個共振器吸聲材料料吸聲尖劈劈顆顆粒狀吸聲結(jié)構(gòu)構(gòu)薄板共振吸聲材料料可調(diào)吸聲結(jié)構(gòu)構(gòu)泡泡沫狀吸聲材料料微穿孔板吸聲材料料空間吸聲體體2.2三聚氰胺泡沫材料的簡介三聚氰胺泡沫塑料具有體積密度小、疏松輕質(zhì)、高多孔結(jié)構(gòu)；對于高頻吸聲系數(shù)大，低頻吸聲系數(shù)低等特點。2.2.1三聚氰胺泡沫塑料構(gòu)造特征與吸聲特性三聚氰胺泡沫塑料從表面到其內(nèi)部具有大量的相互貫通的微型小孔，且這些孔隙在材料內(nèi)部均勻分布，其內(nèi)部內(nèi)部筋絡總表面積大,有利于吸收聲能。三聚氰胺泡沫塑料內(nèi)部的孔洞是向外敞開，這樣有易于聲波進入孔洞內(nèi)。三聚氰胺泡沫塑料體積密度為4~10?kg/m3，厚度50?mm的面密度為200~600?g/m2由此可知)三聚氰胺泡沫塑料是一種超輕的吸聲材料。同時三聚氰胺泡沫塑料具有良好的隔熱保溫作用因此它又是一種良好的絕熱材料。三聚氰胺泡沫塑料吸聲特性曲線總體變化趨勢為隨著聲音頻率的增加吸聲系數(shù)也隨著增大。2.2.2影響三聚氰胺泡沫塑料吸聲性能的因素影響三聚氰胺泡沫塑料吸聲性能的因素,但從工程實用角度,主要是體積密度、背后條件、厚度、面層等因素；從材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)看,主要是孔隙率、流阻、結(jié)構(gòu)因數(shù),它提供了理論分析的依據(jù)。(1)三聚氰胺泡沫塑料層厚度的影響：增加三聚氰胺泡沫塑料的厚度，吸聲第一共振頻率向低頻區(qū)方向移動，使得低頻區(qū)的吸聲系數(shù)變大對高頻區(qū)的吸聲系數(shù)的影響不大。隨著三聚氰胺泡沫塑料的厚度不斷增加，吸聲系數(shù)的變化趨勢也逐漸趨于平緩。三聚氰胺泡沫塑料的第一共振頻率fr與厚度d可近似成反比，滿足frd=(2)三聚氰胺泡沫塑料密度的影響：三聚氰胺泡沫塑料當厚度不變時，隨著密度的增加，三聚氰胺泡沫塑料在低頻中的吸聲性能有所提升，但是密度過大會導致三聚氰胺泡沫塑料變得密實，空氣穿透量下降，其吸聲系數(shù)也隨之降低。由此可知三聚氰胺泡沫塑料對于不同頻率均存在著最優(yōu)的密度值。(3)空氣流阻的影響：流阻過大或過小都能使材料吸聲特性降低，流阻（Rf）是用來表示聲音傳播時材料中的空氣穿過孔隙間所受到的阻力。流阻率（Rs）表示單位厚度的流阻。流阻、流阻率存在Rf=?Pu與R(4)孔隙率的影響：三聚氰胺泡沫塑料孔隙率達70%-99%之間，其孔隙率為內(nèi)部空氣體積與三聚氰胺泡沫塑料總體積之比，即P=VaVm其中P為孔隙率（%），V(4)背后空氣層的影響：三聚氰胺泡沫塑料背后留有一定厚度的空氣層，相當于增加了三聚氰胺泡沫塑料的厚度，不僅能夠增加低頻吸聲系數(shù)，還可以節(jié)省材料。

3畢奧理論與VAOne軟件由于本文后續(xù)三聚氰胺泡沫塑料仿真實驗中將多次使用Biot理論中的結(jié)論與公式及使用VAOne仿真軟件，為了敘述方便，本章簡要介紹Biot理論與VAOne仿真軟件。3.1畢奧(Biot)理論畢奧理論中用彈性參數(shù)、毛孔參數(shù)和聲學參數(shù)來描述多孔材料。用聲學參數(shù)、毛孔參數(shù)來描述剛性多孔材料。彈性參數(shù)包括楊氏模量、泊松比、固體密度，聲學參數(shù)包括流體密度、定壓比熱、定容比熱、流體動力粘度系數(shù)、流體熱傳導系數(shù)，毛孔參數(shù)包括孔隙率、流阻系數(shù)、畢奧因子、流體體積模量、曲折系數(shù)、特征粘性長度、特征熱效長度。多孔材料的畢奧模型是在假設材料的各向異性處理等效各向同性；每點都定義相應固體的應力與流體的壓力；材料的任何特征都遠小于波長；小的位移能夠使用彈性理論；流體是連續(xù)的；封閉的毛孔被認為是骨架的一部分，其中空氣的運動不考慮等基礎上建立起來的。根據(jù)biot理論可以得出流體飽和的孔隙彈性體滿足應力-應變關(guān)系τ=H-2G??u+C-p=C??u+M??w運動方程??τ=ρu+ρf-?p-ρfw表達式中u表示固相位移；w=?(uf-u)表示滲流位移；表示孔隙度；p表示孔隙流體壓強；uf表示平均流體位移；上標點號表示對時間的求導；表示單位張量；表示總體積的應用張量；表示為流體粘滯系數(shù)；Fw表示為粘滯修正系數(shù)；表示為地層密度；、、與是孔隙介質(zhì)的四個獨立彈性常。通過聲學流體的本構(gòu)關(guān)系可以了解一個無限小的多孔材料塊中的壓力與材料體積變形量、流過材料塊流量的關(guān)系-p=Q?V+αQ?表達式中的表示多孔材料體積模量?V=Ω?i(Uj3.2VAOne軟件簡介法國ESIGroup在2005年推出了VAOne頻段振動噪聲分析軟件，該軟件利用邊界元分析（BEM），限元分析（FEA），統(tǒng)計能量分析（SEA）及其混合分析集中在一個容易實現(xiàn)模擬的環(huán)境中。同時，VAOne提供了一種統(tǒng)一可靠地進行全頻譜范圍的求解方式，將有限元、邊界元和統(tǒng)計能量分析進行嚴格的耦合。3.2.1VAOne應用范圍目前，VAOne軟件被廣泛應用于各行各業(yè)，主要包括:(1)航空航天行業(yè):商業(yè)、公務和軍用飛機內(nèi)部噪聲設計;優(yōu)化新輕質(zhì)材料和構(gòu)造的振動一聲學性能;優(yōu)化噪聲控制處理設計來減重并提高燃料效率;定義隨機振動，聲學和沖擊環(huán)境并規(guī)定運載火箭和衛(wèi)星可接受的和限定級別;分析主要結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星和關(guān)鍵飛行設備由于聲學、隨機振動和沖擊環(huán)境的響應。(2)汽車行業(yè):為供應商創(chuàng)建系統(tǒng)級模型和組件級目標一設計更安靜的發(fā)動機和機車部件;內(nèi)部聲學安裝和阻尼處理執(zhí)行重量/成本優(yōu)化一診斷空氣傳播和結(jié)構(gòu)傳播通過白車身和部件;預測排氣管，消聲器和進風口的噪聲輻射。(3)海軍/船舶行業(yè):創(chuàng)建船舶，潛艇和豪華游艇的系統(tǒng)級噪聲和振動模型;設計降低水力和機械流動對聲納自身噪聲的貢獻;將信號噪聲輻射降至最小并減少水下噪聲輻射。(4)軌道交通:內(nèi)部聲學品質(zhì)的設計;分析輪一軌交互作用，發(fā)動機和氣動噪聲;模擬列車經(jīng)過噪聲和城市噪聲沖擊;診斷傳輸路徑并優(yōu)化內(nèi)部隔音材料。3.2.2VAone應用過程l)通過輸入CAD或者有限元軟件中已經(jīng)建好的模型文件信息來建立FE或SEA子系統(tǒng)模型;在VAone中直接選取若干點來定義系統(tǒng)級結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，創(chuàng)建和連接噪聲振動模型。2)接下來是創(chuàng)建和應用各種材料屬性及參數(shù)。首先創(chuàng)建各種材料及各材料的物理屬性，再將其應用于相應的子系統(tǒng)中。除此之外，還需確定其它的一些重要參數(shù)，如內(nèi)損耗因子，耦合損耗因子等，這些參數(shù)的值允許手動設置，也可以直接通過外部數(shù)據(jù)導入。這些數(shù)據(jù)都儲存在VAOne數(shù)據(jù)庫中，可以很方便的直接調(diào)用。3)創(chuàng)建各子系統(tǒng)后，需要將聲學子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)連接起來，使之成為耦合的完整的結(jié)構(gòu)聲振系統(tǒng)。在VAOne中，只需點擊“DoAutocotineet”，程序?qū)⒆詣油瓿烧麄€系統(tǒng)的連接過程。在3D窗口中，可以直接查看點連接、線連接及面連接的實體形象，并且可以手動編輯。4)定義聲振激勵，并將其加載到系統(tǒng)中指定部位，到此系統(tǒng)級聲振仿真模型將完整建立起來。5)計算模型后，可以根據(jù)需要求解得到各種結(jié)果，這些結(jié)果都是通過頻率函數(shù)或以圖表形式顯示，結(jié)果包括聲壓級、振速、吸聲系數(shù)、模態(tài)密度、能量輸入等。3.2.3VAOne核心模塊介紹1）低頻軟件分析VAOne軟件具有低頻結(jié)構(gòu)振動和噪音分析的功能，主要包括有限元法與間接邊界元法等計算技術(shù)，同時VAOne還提供了BEM-FEM混合方法，其與有限元法和間接邊界元法結(jié)合起來為解決工程中的實際問題提供了有效的方法。VAOne的低頻結(jié)構(gòu)振動與噪聲分析主要包括以下的幾個模塊：(1)StructuralFE結(jié)構(gòu)有限元：結(jié)構(gòu)有限元模塊，用戶通過基于有限元求解器對隨機振動分析功能，選擇MSC.NASTRAN的求解器對結(jié)構(gòu)隨機振動的分析及前后處理器。該模塊還提供了內(nèi)置非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡劃分功能以及模擬動態(tài)畫面顯示功能。(2)CosmicNastran求解器：CosmicNastran有限元求解器是一款通用的有元求解器，通過CosmicNastran求解器可以對材料的隨機振動進行分析及對聲音輻射進行分析。通過VAOne軟件還可以對有限元模型的整體模型狀態(tài)、局部質(zhì)量特性及頻帶內(nèi)模型狀態(tài)的數(shù)量直接求出。(3)AcousticFE聲學有限元：VAOne軟件提供了內(nèi)置非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡劃分功能及聲學有限元求解器，實現(xiàn)聲腔的有限元分析功能。使用者可以使用該功能對空腔進行網(wǎng)絡劃分，并進行模型狀態(tài)分析得到空腔模型狀態(tài)參數(shù)。(4)AcousticBEM聲學邊界元：使用VAOne軟件可以對外聲場和結(jié)構(gòu)的聲音輻射進行確定性的分析，主要是由于VAOne軟降提供了外聲場的確定性分析通過間接邊界單元實現(xiàn)的。通過外聲場的確定性分析功能還能夠得到外聲場的聲壓級分布及壓力傳播的方向。2)高頻軟件分析VAOne軟件的高頻分析功能，可以使用該軟件的統(tǒng)計能量法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)動力相關(guān)問題的分析。該軟件在繼承AutouSEA2聲學軟件的有點及經(jīng)過長時間的發(fā)展與突破，曾經(jīng)要建立復雜的模型需要好幾天的時間才能完成，如今使用VAOne軟件可以再短短的幾分鐘內(nèi)就可完成模型的建立，這樣有效的縮短了建模的時、極大地調(diào)高了工作效率。3）中頻軟件分析在低頻段,一般采用有限元(FE)方法進行分析;而在高頻段,一般采用統(tǒng)計能量分析方法(SEA)進行分析；由于中頻段處于低頻與高頻之間，因此中頻段分析一般使用FE-SEA方法進行分析，即將有限元方法與統(tǒng)計能量分析方法結(jié)合起來，建立混合模型，使用耦合求解器進行求解分析。VAOne軟件能夠進行FE/VEM/SEA的耦合求解分析通耦合求解器提供的全頻譜分析功能。

4三聚氰胺泡沫塑料吸聲特性的仿真設計使用VAOne仿真軟件中提供的原材料進行三聚氰胺泡沫塑料吸聲系數(shù)與三聚氰胺泡沫塑料厚度、密度、空氣、空氣流阻、孔隙率、背后空氣層等因數(shù)之間的關(guān)系。首先打開VAOne仿真軟件如下圖4.1所示。圖4.1VAOne軟件開始界面通過圖4.1可以觀察到VAOne軟件提供的泡沫類原材料，本文所研究的三聚氰胺泡沫塑料就在其中。4.1三聚氰胺泡沫塑料厚度對吸聲系數(shù)的影響在VAOne仿真軟件提供的Noisecontroltreatments（噪音控制器）中選擇TreatmentLay-up功能，其界面如圖4.2所示。圖4.2噪音分析模塊界面進入噪音分析模塊設置相應得三聚氰胺泡沫塑料厚度，分別設置厚度為參數(shù)1mm、5mm、30mm、100mm得出三聚氰胺泡沫塑料厚度與吸聲系數(shù)之間的關(guān)系。如圖4.3所示。圖4.3三聚氰胺泡沫塑料厚度對吸聲系數(shù)的影響通過圖4.3可以觀察到，三聚氰胺泡沫塑料的吸聲系數(shù)隨著三聚氰胺泡沫塑料厚度的增加而增加，但隨著厚度的增加，吸聲系數(shù)的增加逐漸趨于緩和。4.2三聚氰胺泡沫塑料密度對吸聲系數(shù)的影響通過編輯VAOne提供的三聚氰胺泡沫塑料的密度參數(shù)后，進行三聚氰胺泡沫塑料對噪音的分析，得出三聚氰胺泡沫塑料密度對吸聲系數(shù)的影響。如圖4.4所示的為編輯三聚氰胺泡沫塑料屬性。圖4.4編輯三聚氰胺泡沫塑料屬性通過設置三聚氰胺泡沫塑料密度分別為7kg/m3、8.8kg/m3、10kg/m3、進行測試，測試結(jié)果如圖4.5所示。圖4.5三聚氰胺泡沫塑料密度對吸聲系數(shù)的影響通過實驗結(jié)果圖可以觀察到，隨著三聚氰胺泡沫塑料密度的增加在一定范圍類吸聲系數(shù)增加但當密度增加到臨界值時，隨著密度的增加吸聲系數(shù)減小。吸聲系數(shù)隨著頻率的增大逐漸趨于緩和。4.3三聚氰胺泡沫塑料背后空氣層對吸聲系數(shù)的影響由于在實際使用三聚氰胺泡沫塑料作為吸聲器材時，為了能搞節(jié)省材料同時能搞到吸聲的要求，因此需在三聚氰胺泡沫塑料背后添加空氣層。通過設計不同的空氣層厚度觀察空氣層對于三聚氰胺泡沫塑料吸聲系數(shù)的影響。如圖4.6所示為添加空氣層并設計其空氣層厚度為1mm。圖4.6設置空氣層模擬環(huán)境通過設置空氣層的厚度為1mm、5mm、10mm、20mm、30mm進行仿真，仿真結(jié)果如圖4.7所示。圖4.7空氣層對吸聲系數(shù)的影響通過實驗結(jié)果可觀察到隨著空氣層的增加吸聲系數(shù)減小但隨著頻率的增加吸聲系數(shù)逐漸趨于平緩。4.4三聚氰胺泡沫塑料孔隙系數(shù)對吸聲系數(shù)的影響通過設置三聚氰胺泡沫塑料的孔隙系數(shù)進行孔隙系數(shù)對于三聚氰胺泡沫塑料吸聲系數(shù)的研究，對于生產(chǎn)三聚氰胺泡沫塑料吸聲材料的吸聲效果及對材料的使用量具有重要意義。分別使用孔隙系數(shù)為0.7、0.99、0.3、0.5、0.7進行模擬，其結(jié)果如圖4.8所示。圖4.8孔隙系數(shù)對三聚氰胺胺泡沫塑料吸聲系數(shù)的影響通過圖4.8可以發(fā)現(xiàn)隨著孔隙系數(shù)的增大，三聚氰胺胺泡沫塑料吸聲系數(shù)也隨之增大，并隨著聲音頻率的增大，吸聲系數(shù)的變化曲線更加明顯。4.5三聚氰胺胺泡沫塑料功耗對吸聲系數(shù)的影響通過對比不同的功耗能夠有效的了解三聚氰胺胺泡沫塑料吸聲材料的功耗對吸聲系數(shù)的影響下，分別使用功耗為0.5、0.17、0.15、0.2、0.5進行模擬，其結(jié)果如圖4.9所示，表示的為不同功耗對吸聲系數(shù)VAOne吸聲模塊分析圖。圖4.9功耗對三聚氰胺泡沫材料吸聲系數(shù)的影響通過圖可以觀察到不用的功耗系數(shù)對于吸聲系數(shù)隨聲音頻率的增加而變化曲線一致。4.6粘滯系數(shù)對三聚氰胺胺泡沫塑料吸聲系數(shù)的影響滯系數(shù)對于吸聲系數(shù)有一定的影響，通過設置粘滯系數(shù)值，觀察不同的粘滯系數(shù)對于吸聲系數(shù)的影響，通過VAOne仿真軟件，編輯三聚氰胺胺泡沫塑料基本參數(shù)中的粘滯系數(shù)，分別取以下一組數(shù)據(jù)，0.0008m、0.0001m、0.0002、0.0004m得到以下結(jié)果，如圖4.10所示。圖4.10粘滯系數(shù)對吸聲系數(shù)的影響通過圖4.10可觀察到，隨著粘滯系數(shù)的增大在一定范圍內(nèi)隨著聲音頻率增大而增大，當超出一定范圍的聲音頻率時將出現(xiàn)隨粘滯系數(shù)增大而減小。4.7流阻率對三聚氰胺胺泡沫塑料吸聲系數(shù)的影響分別使用流阻率為8000N.s/m3、10900N.s/m3、12000N.s/m3、170000N.s/m3使用VAOne仿真軟件中的吸聲仿真功能實現(xiàn)流阻率對吸聲系數(shù)的影響，得出流阻率對吸聲系數(shù)影響圖，如圖4.11所示。圖4.11流阻率對吸聲系數(shù)的影響圖通過實驗結(jié)果觀察到，吸聲系數(shù)隨著流阻率的增大而增大，在低頻時流阻率對于吸聲系數(shù)的影響較小，在低頻階段吸聲系數(shù)隨著頻率的增大而變化明顯，最終趨于平緩。

5結(jié)論吸聲降噪在人們?nèi)粘Ｉ?、工業(yè)生產(chǎn)以及軍隊領域具有重要意義,多孔材料是一類重要的吸聲材料,對多孔材料吸聲特性的仿真研究是具有實際意義的問題。本文在VAOne軟件平臺下,分析了多孔材料的吸聲特性,并把所選三聚氰胺泡沫塑料鋪設到某高速船具體部位,進行應用仿真分析,取得了一系列有意義的結(jié)論,任重而道遠。本文重要工作內(nèi)容如下:1)介紹了多孔材料的吸聲原理、多孔材料的種類及其吸聲特性、影響多孔吸聲材料吸聲性能的因素等;重點介紹多孔介質(zhì)(Biot)的基本理論,同時對VAOne軟件進行了簡單的介紹,說明其基本功能和使用方法。2)首先利用Foam模塊對六種常用多孔材料進行仿真并與實測值比較,發(fā)現(xiàn)在中高頻范圍仿真值與實測值基本吻合,低頻范圍稍有誤差,可見利用VAone軟件對多孔吸聲材料仿真分析是具有可行性的。然后通過簡易模型分析了三聚氰胺泡沫塑料的密度、孔隙率、厚度及背后空氣層對其吸聲特性的影響,分析得出:在相同條件下,隨著材料孔隙率、厚度、空氣層厚度的增大,吸聲降噪效果提高;材料密度過大或過小,都將使吸聲降噪效果降低;增加背后空氣層對吸聲降噪效果有明顯的高。

致謝大學四年即將畫上句號，在各位老師，同學的熱情幫助下，通過自己的不懈努力，此次畢業(yè)設計得以順利完成。此時此刻，我首先要深深的感謝我的指導老師孫文娟。在畢業(yè)設計的過程中，老師給予我很多鼓勵和悉心的指導。在論文選題，理論研究方面，老師傾注了很多心血。感謝他對我的信任，把題目交給我，讓我得以鍛煉自己的能力。在畢業(yè)研究中遇到了一些困難，感謝老師的指導與幫助，在大方向和小細節(jié)方面給予了充分的建議，指出了各方面的錯誤，使我能順利完成本次研究。在這里，我真誠的說聲：老師，謝謝您！最后，我要感謝信工院所有老師，他們精心的栽培為我們以后的學習工作打下了堅實的基礎。謝謝你們！

參考文獻[1]沈岳,