基于Virtual.lab的多孔材料吸声性能的优化研究

基于b的多孔材料吸声性能的优化研究
摘要：硅酸盐基多孔材料在现代建筑业需求不断扩大，运用b软件对影响多孔材料吸声系数的多个重要参数进行了模拟仿真，实验结果显示，多孔材料
的孔隙率对吸声系数的提高优于单纯改变容重测得的吸声系数。

运用正交试验方法，结果表明，材料密度为610kg/m3，孔隙率为0.7的材料参数组合因素能有效
提高多孔材料的吸声性能，
关键词：多孔材料；b；仿真模拟
引言
近年来，我国建筑行业飞速发展，而发展绿色建筑需要更为环保的材料，硅
酸盐基多孔材料具有良好的环境适应性及吸声性能，取材广泛，加工制备工艺简单，成为目前应用广泛的吸声材料。

硅酸盐基多孔材料的吸声性能研究对工程应
用及噪声控制都有很重要的现实意义。

一、多孔材料吸声原理
瑞利圆管吸声模型[1][2]把多孔吸声材料分解为无数给不同的毛细管穿插而成
有紧密联系的整体，在计算单个毛细管的声阻抗，运用数学分析方法得出整个试
样的材料声阻抗，模型较为理想化的通过数学模型的方法分析了材料吸声系数的
影响因素。

单个毛细管的吸声系数可以用公式（1）来表示
（1）
式中，S表示面积，l为管长。

由式（1）中可以看出，多孔材料的吸声系数与多孔材料的总的表面积和毛细管的长度有关，还和试样的厚度、空隙率有直接联系。

瑞利圆管模型从理论层面
分析了影响多孔材料吸声系数的主要参数，为我们运用有限元软件进行数值分析
提供可靠的依据。

二、分析模拟
（一）方法验证
b Acoustic声学模块提供一种先进的可以计算声学的仿真方法，其融
合了SYSNOISE一些基本的构架，使用声学有限元网格来模拟复杂的声学辐射，基于声学有限元和声学边界元[3]，可以处理时域的或者是频域的声学计算问题，计
算器稳定，求解速度快。

b Acoustic是结合有限元方法和边界元方法求得
适合Helmholtz方程的边界条件，可以解决复杂的声学问题。

分别测试不同容重下多孔材料的吸声系数，并与实际值进行比较。

可以看出，b能够预测多孔材料的吸声系数随容重变化的规律[4][5]，并且与实验实
测值基本吻合，说明使用b计算多孔材料的吸声系数的方法合理可靠。

表1 多孔材料参数
图1相同容重实验与模拟所得吸声系数曲线的比较
（二）不同容重对多孔材料吸声系数的影响
图2 不同容重对吸声系数的影响
图2是不同容重对多孔材料吸声系数的影响曲线，密度分别是420kg/m3，480kg/m3，
580kg/m3，610kg/m3。

可以看出，四种材料在中高频阶段皆重合起来，且1500Hz以后吸声
系数增长缓慢，最后基本没有变化。

这是多孔材料吸声系数的普遍规律，在250Hz左右有较
大差别，改变容重并不能很大的改变材料的吸声系数，只是影响了低频阶段声波的吸收性能。

（三）不同孔隙率对多孔材料吸声系数的影响
图3 不同孔隙率对吸声性能的影响
图3是在保证其他参数不变的情况下单纯改变材料的孔隙率对材料的吸声系数的影响曲线。

可以看出，参数相同的情况下，材料的孔隙率越高，则材料的系数越高，这和实验测试
的结果是相吻合的，并且在高频阶段材料的系数系数会更高，更有利于吸收空气中的声波能量。

但在实际操作中，不能一味追求过高的孔隙率，孔隙率过高，材料的抗压强度就会明显
下降，影响材料的工程使用。

实验表明，在不影响材料使用的前提下，多孔材料的孔隙率控
制在75%-85%的范围，有较好的吸声能力。

（四）正交实验
正交试验是为了能够研究多种因素作用下，能够准确测试多孔材料系数的情况下，减少
试验的次数，提高工作效率[6]。

为了获得更高吸声系数的材料参数，以b软件作为
工具进行正交实验计算1-2000Hz范围的吸声系数。

正交实验的材料参数如表2所示。

正交实验中，增加了另外的两个材料参数，为的是能够较为准确的反映出实验数据的真
实性。

图4反映的是选用由表3的参数组合起来的材料参数进行的多孔材料的吸声系数的模
拟测试。

在选定参数之前，根据了实验室测得数据进行优选，可以看出，三条曲线区别变化
不大，都是较为理想的材料参数。

综合考虑，材料密度在610kg/m3，孔隙率在0.7时是更为
理想的参数设计。

图4 各参数组合在各频率点的吸声系数曲线对比图
三、结语
1.通过仿真模拟实验，运用b软件对多孔材料进行吸声系数的模拟分析的方法行
之有效，大大提高了实验效率。

2.利用b软件对多孔材料进行材料吸声系数的仿真模拟，发现同等条件下，多孔
材料的孔隙率对吸声系数的提高优于单纯改变容重测得的吸声系数。

3.利用正交试验，找到使多孔材料吸声性能最佳的因素提高多孔材料的吸声性能，材料
密度为610kg/m3，孔隙率0.7。

参考文献：
[1]Tijdeman H.On the propagation of sound waves in cylindrical tubes[J].Journal of Sound and Vibration，1975，39（1）：1-33.
[2]Allard J，Atalla N.Propagation of sound in porous media：modeling sound absorbing materials 2e[M].John Wiley & Sons，2009.
[3]刘恺.基于VA One的多孔吸声材料的应用仿真研究[D].武汉理工大学，2010.
[4]江尚.水泥基复合吸声材料对隧道内噪音吸收效果的数值模拟研究[D].重庆交通大学，2017.
[5]梁小光，楚珑晟，杨建奎，杨辉.CaCl2对硅酸盐基多孔材料成型及性能影响的研究[J].
硅酸盐通报，2015，34（06）：1570-1573+1577.
[6]张锦岚，钱家昌，王文博.基于NOVA的多孔材料吸声性能分析及优化[J].舰船科学技术，2017，39（03）：61-64+74.。