隔音研究歷史、現狀及方法

標題：隔音研究歷史、現狀及方法

隔音理論的研究最早源於十九世紀。Poisson 和Laplace對聲波在不均勻介質中傳播問題進行了理論的計算，十九世紀末，Rayleigh總結前人的研究成果並加以拓展，提出了不可壓縮無限大牆的隔音理論，並得到計算薄牆傳音插入損失的“品質定律”。
二十世紀三十年代，許多學者對牆體的隔音特性進行了大量的理論和實驗研究，並就隔音結構的隔音量和插入損失得到了具體的計算方法。隨後的一段時間裏，人們對板的隔音特性日益關注，1942年，Cremer在對無限大板傳音損失的研究中引用彈性力學理論，提出了斜入射聲波與板中彎曲波之間發生吻合效應的彎曲波理論，解釋了實際隔音構件中的隔音低谷現象，彌補了品質定律的不足，並進一步解決了樓板的撞擊噪音輻射、板中固體的聲傳播等理論問題。Fay在1948年對板和音場的相互偶合作用進行了比較系統的理論分析，研究發現板在振動時的振動情況與其所處的邊界條件和波的入射情況有很大關係，並對垂直入射和非垂直入射的波進行了比較並得到一些結論。
在1948到1950年期間，London提出了混響音場中單、雙層牆的隔音理論，解決了聲波在無規入射情況下牆的隔音問題。1951年Pachner對無限大和有限大的牆向外輻射音場的情況進行了研究。為了提高隔音結構的隔音效果，Kurtze等人提出了各種不同的複合隔音結構，並就不同結構的隔音性能進行了比較。
1956年Biot建立了彈性多孔材料模型的理論，為多孔材料的廣泛應用打下了堅實的理論基礎。二十世紀七十年代，彈性多孔材料的理論得到進一步完善，近些年來多孔材料在隔音領域的研究和應用更加廣泛。為了改善隔音結構的低頻隔音效果，克服被動隔音在低頻領域的缺陷，有源噪音控制在隔音領域的應用也進行了大量的研究並在工程上得到了應用。1995年Sas等人就雙層有限大板隔音結構進行了數值計算並用有源控制的方法進行改善低頻隔音性能的研究。C. Bao等人就雙層板結構有源隔音的腔控、板控和房間控制這幾種控制方法進行了實驗比較，總結出這幾種控制方法的各自特點和不同的適用場合。Carneal對雙層板結構的有源結構隔音進行了進一步分析，研究表明板的剛度、模態密度、控制器的布放等因素都將對隔音效果產生明顯的影響。這些研究結果為有源控制系統在低頻隔音領域的應用提供了可靠的理論依據。
近些年來，輕薄隔音結構越來越受到研究人員的關注。1993年Bolton等人就聲波垂直入射到含彈性多孔材料的無限大複合板結構的隔音性能進行理論分析和實驗驗證。後來又就聲波無規入射到含彈性多孔材料的無限大複合板結構的的隔音性能進行了進一步研究，並比較多孔材料的不同安裝方式對隔音效果的影響。隨後Panneton和Sgard等人用有限元的方法就聲波垂直入射和無規入射到有限大多孔材料夾心複合雙層板結構進行了數值計算，得到一些有實際應用價值的結論。Moore將對稱夾心板中的位移模式分為對稱形變和反對稱形變的組合，提出了具有最大傳音損失的“模態抵消”夾心板設計方法。Renji以蜂窩板夾心結構為研究物件，分析了考慮複合夾心板橫向剪切形變情況下的隔音特性。並將研究結果與薄板理論和品質定律得到的隔音性能進行比較。
在隔音理論的發展過程中，先後產生了四種主要的分析方法，即波動分析法（Wave Analysis）、統計能量分析法（Statistical Energy Analysis）、模態分析法（Modal Analysis Approach）和數值分析方法（Numerical Methods）。這些方法有著各自的特點，在分析不同的隔音結構中有著自身的優勢。
波動分析法也稱無限大板理論，是求解隔音構件傳音特性的經典方法。它以波動理論為基礎，以聲壓、介質質點速度和聲阻抗為研究物件，求解相應的波動方程和動力學方程，從而解出隔音量的理論值。波動分析法導出的主要規律有“品質定律”和“吻合效應”以及雙層板的隔音規律等。由於無限大板理論未計及隔音構件的幾何尺寸的影響，沒有考慮板的邊界條件的約束，因而在理論結果與實測結果會有一定的差別，通常會就具體的應用場合對理論公式做適當修正。
統計能量分析法在二十世紀六十年代初期逐漸發展起來，到了七十年代應用逐漸廣泛，現已成為解決複雜共振結構的重要手段之一。統計能量分析法從統計能量的觀點出發，以能量和密度替代幅度和相位作為研究物件，應用理論分析與實驗結果來處理複雜結構中無規參量的總體回應。統計能量分析方法研究隔音構件傳音損失的基本模型包含“混響場－單層板－混響場”三個子系統，子系統的模態密度分別反映音場和隔板的幾何、物理參數對能量傳遞的影響；子系統間的能量流用偶合損耗因數來表徵，它適用與解決兩個或多個機械或聲的偶合系統在無規力激發下的回應。統計能量分析方法要求子系統應具有足夠大的模態密度，因而這種方法只適合於高頻段的計算。
模態分析法是將線性定常系統振動的微分方程組中的物理座標變換為模態座標，使方程解偶，成為一組以模態座標及模態參數描述的獨立方程，以便求出系統的模態參數。在隔音領域，模態分析法的基本思想是利用隔音構件的振動模態資訊如特徵頻率、模態品質、模態剛度、特徵向量和聲波的輻射特性為研究物件，求出聲源一側混響音場激勵條件下隔音構件的振動響應及另一側的輻射音場，從而得到隔音量的理論結果。它適合分析形狀規則的隔音結構，對於非勻質板或邊界條件複雜的情況，振動模態則不易確定。
數值分析方法在隔音領域的應用主要是有限元和邊界元的方法，已有研究表明，有限元和邊界元法能很好地解決流體與固體偶合的問題，因而對隔音構件的傳音損失的問題同樣適用。數值分析法的顯著優點是不受隔音結構的幾何形狀、材料性質的限制，並且可以用來處理非線性問題，但隨著計算頻率的增加，為了保證一定的精確度，需要劃分的單元數會急劇增大，計算複雜程度隨之加劇，因而所能計算的上限頻率受到限制。
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