孔截面變化對(duì)厚微穿孔板吸聲性能的影響

傳統(tǒng)的微穿孔板要獲得較佳的吸聲性能,需要較小孔徑的微孔(<0.3mm);在穿孔率不變的情況下,增加板厚,那么板的吸聲性能將下降。為了避免這個(gè)問題,提出一種新型的微穿孔板結(jié)構(gòu)——變截面微穿孔板。與傳統(tǒng)微穿孔板不同,它的微孔的截面積沿其軸向不是恒定的,而是在軸向的一定位置發(fā)生突變,從而板存在孔徑差異較大的兩部分。在馬大猷的理論基礎(chǔ)上,分析了變截面微穿孔板的吸聲特性,并利用傳遞函數(shù)法,通過阻抗管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,變截面微穿孔板的吸聲性能主要由孔徑較小的部分決定,孔徑較大的部分主要是增加了板的厚度,對(duì)板的吸聲性能貢獻(xiàn)較小;因此,通過變截面的方法,在增加板厚的同時(shí)也能使板維持在較佳的吸聲性能水平。

提出在薄微穿孔板微孔中穿入銅纖維的結(jié)構(gòu),有效拓寬薄微穿孔板的吸聲頻帶,提高吸聲系數(shù),使微穿孔板吸聲性能在中低頻得到很大的提高。研究結(jié)果表明,樣品直徑為100mm,29mm,穿孔直徑為1mm,厚度2mm,穿孔率為3%的微穿孔板,穿入銅纖維的直徑為0.13mm,穿入銅纖維為3和4根時(shí),在100hz~1600hz內(nèi),共振吸聲系數(shù)α0達(dá)0.99;穿入7至9根時(shí),吸聲頻帶可拓寬1000hz以上;隨著穿入纖維數(shù)量的增加,吸聲頻帶顯著向低頻移動(dòng),當(dāng)穿入11根時(shí),移動(dòng)幅值為464hz。

厚微穿孔板因其板厚增加而無法達(dá)到如薄板的吸聲性能,為拓寬厚微穿孔板的有效吸聲頻帶,以10mm厚環(huán)氧樹脂基微穿孔板為研究對(duì)象,在孔中穿入超細(xì)不銹鋼纖維并用阻抗管法測量其吸聲特性,研究結(jié)果顯示,超細(xì)不銹鋼纖維能有效拓寬厚微穿孔板的吸聲頻帶,當(dāng)鋼纖維穿入率為50%,每孔鋼纖維用量為0.75mg時(shí),吸聲系數(shù)大于0.5的吸聲頻帶為392-1168hz,而無纖維微穿孔板的吸聲頻帶為530-1076hz。

對(duì)穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性進(jìn)行了理論分析與計(jì)算。討論了穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的共振吸聲原理,基于對(duì)穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)聲阻抗的討論,分析了穿孔率、空腔深度、板厚、孔徑等參數(shù)對(duì)吸聲性能的影響,為穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供了依據(jù)。針對(duì)某工程機(jī)械風(fēng)冷系統(tǒng)噪聲突出這一現(xiàn)象,專門為風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)了穿孔板吸聲結(jié)構(gòu),大幅度降低了該機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)的噪聲,也使該機(jī)的駕駛環(huán)境噪聲得到了有效控制。

在穿孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,蜂窩芯夾在兩層金屬穿孔面板之間,主要增加了板的剛性,同時(shí)一定程度上提高了其低頻吸聲系數(shù);板后吸聲薄層增加了穿孔吸聲板的聲阻,拓寬其吸聲頻帶寬度,提高了吸聲效果。本研究通過測試穿孔板結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù),研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)(主要是穿孔板的厚度、穿孔率等)及板后空腔深度對(duì)其性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明,吸聲薄層的加入及板后空腔的設(shè)計(jì),使蜂窩穿孔金屬吸聲板具有較寬的吸聲頻帶、理想的共振頻率、較高的吸聲系數(shù),特別是對(duì)船艇機(jī)艙噪聲輻射峰值具有良好的吸聲效果。

采用aml語言開發(fā)了一套微穿孔板吸聲體的聲學(xué)軟件。該軟件初始參數(shù)選擇靈活,分析結(jié)果直觀明了,為用戶提供操作簡單的界面,從而進(jìn)一步提高微穿孔板設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性,并對(duì)工程應(yīng)用有一定的幫助。

微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)在噪聲控制上有著優(yōu)異的表現(xiàn),受到廣大科研人員的關(guān)注。筆者介紹了近年來與微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)相關(guān)的理論研究,包括微穿孔吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲特性以及吸聲帶寬的理論極限;探討了微穿孔板和超微孔板的制造技術(shù)及這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn);分析了組合微穿孔結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論計(jì)算及試驗(yàn)仿真。在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上,指出了微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中存在的問題,并對(duì)該研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢做了展望。

提出用微穿孔板進(jìn)行主動(dòng)吸聲的方法。用微穿孔板作為主動(dòng)吸聲的材料,檢測出入射聲波的頻率,得到微穿孔板的共振頻率,從而得到微穿孔板背后空腔的深度,移動(dòng)微穿孔板背后的剛性壁以滿足空腔深度的要求,使得吸聲系數(shù)達(dá)到最大,從而達(dá)到主動(dòng)吸聲的目的。最后,進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn),計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能很較好的吻合,說明了該主動(dòng)吸聲方法的可行性。

簡述了馬大猷教授的微穿孔板基本理論、微穿孔板吸聲體在擴(kuò)散聲場以及在高聲強(qiáng)環(huán)境下的理論要點(diǎn)。比較詳細(xì)地討論了30年來與馬大猷教授所提理論相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果及應(yīng)用發(fā)展情況?；隈R大猷教授的基本理論,提出了一種新的相關(guān)衍生結(jié)構(gòu)——管束微穿孔板。對(duì)微穿孔板吸聲體的發(fā)展趨勢做了展望。表明:微穿孔板吸聲體將成為新世紀(jì)的綠色理想吸聲材料。

在介紹馬大猷開創(chuàng)的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論的前提下,綜述了微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的理論發(fā)展、吸聲系數(shù)實(shí)驗(yàn)測量方法以及微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程領(lǐng)域的一些應(yīng)用。最后提出微穿孔板研究發(fā)展的方向。

分析不同共振頻率的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)模型,并計(jì)算了其組合吸聲系數(shù)。理論計(jì)算結(jié)果與采用sysnoise軟件,根據(jù)gb/t18696對(duì)并聯(lián)的微穿孔板吸聲系數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果及已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明,該文中并聯(lián)微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲阻抗率及組合吸聲系數(shù)的計(jì)算方法是可行的。

提出了在微穿孔板后部引入機(jī)械阻抗形成組合結(jié)構(gòu)來解決微穿孔板低頻吸聲性能差的問題。由機(jī)械阻抗板兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)速度相同得出機(jī)械阻抗單元的傳遞矩陣,采用傳遞矩陣法將其與空腔、微穿孔板單元串接,建立組合結(jié)構(gòu)理論計(jì)算模型;通過分析品質(zhì)因子獲得帶寬與機(jī)械阻抗板質(zhì)量成反比;試驗(yàn)得出組合結(jié)構(gòu)在400hz附近有系數(shù)為0.8以上的吸聲峰值,試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算吻合。在傳統(tǒng)微穿孔板共振吸聲機(jī)制的基礎(chǔ)上加入機(jī)械共振,能夠?qū)崿F(xiàn)在不增加結(jié)構(gòu)厚度的前提下提高低頻吸聲性能;降低機(jī)械阻抗板質(zhì)量并且適當(dāng)控制邊界阻尼系數(shù)可以實(shí)現(xiàn)吸聲頻帶的拓寬。

微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲阻抗由微孔的聲阻抗和空腔的聲阻抗兩部分組成,而空腔的聲阻抗涉及雙曲余切函數(shù)的計(jì)算。對(duì)該函數(shù)采用近似計(jì)算只適用于空腔距離比較短,頻率比較低的情況。通過對(duì)雙曲余切函數(shù)進(jìn)行泰勒展開,研究空腔的聲質(zhì)量和聲順,獲得雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的等效電路圖。其中第一空腔的聲質(zhì)量與微孔的聲質(zhì)量是串聯(lián)的。由此進(jìn)行雙層微穿孔板的計(jì)算,提高計(jì)算精度,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

vol36no.1 feb.2016 噪聲與振動(dòng)控制 noiseandvibrationcontrol 第36卷第1期 2016年2月 文章編號(hào)：1006-1355(2016)01-0200-04 管道中微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能測試與分析 呂金磊，彭強(qiáng)，王海鋒 （中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心空氣動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川綿陽621000) 摘要：文章采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真的方法，對(duì)影響微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括板厚，開孔孔徑，開 孔率等進(jìn)行深入細(xì)致的研究。其中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要在駐波管以及一個(gè)管道型的測試平臺(tái)上進(jìn)行，駐波管相關(guān)的研究內(nèi) 容用于佐證管道實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性；數(shù)值仿真采取一種求極值點(diǎn)的算法，利用這一算法可以繞開對(duì)經(jīng)典方程的求解，而直 接確定微孔的聲共振點(diǎn)，也即最大噪聲吸收位置，通過共振點(diǎn)附近兩條曲線的疊加確定吸聲帶寬的變化

計(jì)算微穿孔板吸聲系數(shù)時(shí),假設(shè)孔間的相互作用可以忽略。計(jì)算具有不同直徑微孔的穿孔板吸聲系數(shù)并提高其計(jì)算精度,孔間的相互作用不能再忽略。在馬大猷、melling(梅爾林)等前人研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)聲波輻射和傳播原理,分析微孔之間的相互作用,通過修正微孔的實(shí)際等效長度,得到計(jì)及孔間相互作用微孔板吸聲系數(shù)模型,并進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試。研究結(jié)果表明:影響微穿孔板吸聲系數(shù)除結(jié)構(gòu)參數(shù)外,還應(yīng)考慮孔間的相互作用;計(jì)及微孔板各孔間相互作用,能提高共振頻率、吸聲系數(shù)理論值的計(jì)算精度,計(jì)算值逼近實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。

擴(kuò)散吸聲結(jié)構(gòu)(diffsorber)能應(yīng)用于室內(nèi)外聲品質(zhì)的改善,具有很好的研究意義和應(yīng)用前景。微穿孔復(fù)合二次余數(shù)擴(kuò)散(quadraticresiduediffusers,qrd)結(jié)構(gòu)能顯著提高低頻吸聲性能,但復(fù)合對(duì)擴(kuò)散性能的影響未見報(bào)道。本論文對(duì)qrd結(jié)構(gòu)及其與厚度為0.6mm,穿孔率為1%、2%、3%的微穿孔板復(fù)合結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散性能進(jìn)行測試,通過計(jì)算得出相應(yīng)的反射聲能極坐標(biāo)圖和擴(kuò)散系數(shù)。研究結(jié)果表明,微穿孔復(fù)合qrd結(jié)構(gòu)在中低頻特別在結(jié)構(gòu)自身共振頻率范圍內(nèi)具有良好的擴(kuò)散性能,擴(kuò)散系數(shù)在0.8到0.95之間,隨著頻率增加,復(fù)合結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散性能有下降的趨勢,同時(shí)由于微穿孔板的吸聲性能,復(fù)合后結(jié)構(gòu)的空間反射聲能普遍降低5db左右。

在微穿孔板吸聲體理論的基礎(chǔ)上,基于電力聲類比等效電路法建立了雙層串聯(lián)微穿孔板吸聲體理論分析模型,分析了雙層串聯(lián)微穿孔板吸聲體的共振頻率ωs與參數(shù)k1、r1的關(guān)系。將共振頻率ωs與前腔深度d1做為兩項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo),結(jié)合單層微穿孔板吸聲體的設(shè)計(jì)方法,提出了一種雙層串聯(lián)微穿孔板吸聲體的設(shè)計(jì)思路,簡化了設(shè)計(jì)工作。

建筑物,特別是高級(jí)民用建筑,其室內(nèi)裝飾材料,多年來,往往使用膠合板。由于聲學(xué)功能的需要,又用穿孔膠合板(包括空腔內(nèi)填放吸聲材料)。如此裝修,施工簡單,樸實(shí)莊重。但所有工程皆此做法,色彩又沒有變化,故顯得沉悶,單調(diào)無味。結(jié)合我院八十年代援建的埃及開羅國際會(huì)議中心工程,試用無紡針剌氈加穿孔板復(fù)合結(jié)構(gòu),進(jìn)行室內(nèi)裝修。本文介紹該材料的吸聲性能和特點(diǎn),以供參考。

針對(duì)一種變截面微穿孔板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并用傳統(tǒng)微穿孔板理論對(duì)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):對(duì)變截面微穿孔板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬近似后,其結(jié)果可以按照傳統(tǒng)的微穿孔板理論進(jìn)行設(shè)計(jì),二者具有同樣的吸聲效果。模擬結(jié)果中的孔徑都比較小,稍大于變截面微穿孔板的小孔孔徑,比大孔孔徑要小很多。模擬的板厚不一樣時(shí),孔間距會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。這些結(jié)果都有一個(gè)共性:這些模擬數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)微穿孔板是很難應(yīng)用于實(shí)際工程中的,孔徑、板厚和孔間距無疑限制了它的應(yīng)用范圍。所以此種設(shè)計(jì)的變截面微穿孔板可以實(shí)現(xiàn)無法在實(shí)際工程中應(yīng)用的傳統(tǒng)微穿孔板的吸聲效果。

為了研究加工誤差對(duì)微穿孔板吸聲性能的影響,該文以微穿孔板理論和電聲等效電路原理為基礎(chǔ),建立了考慮加工誤差時(shí),微穿孔板吸聲的理論模型,數(shù)值分析了微孔尺寸成正態(tài)分布和平均分布兩種形式時(shí),微穿孔板吸聲性能的變化情況。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)存在加工誤差時(shí),微穿孔板的吸聲峰和吸聲帶寬都略有減小。

為提高微穿孔板結(jié)構(gòu)的吸聲效果,將隔聲薄膜制作成褶皺結(jié)構(gòu),加入微穿孔板后空腔中,采用駐波管法進(jìn)行吸聲試驗(yàn),測試在125hz到2000hz的13個(gè)1/3倍頻程中心頻率處的吸聲系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示:單獨(dú)的隔聲薄膜褶皺結(jié)構(gòu)具有一定的吸聲能力,褶皺的高度對(duì)其吸聲能力有一定影響;隔聲薄膜褶皺結(jié)構(gòu)的加入能有效提高微穿孔板的吸聲性能,當(dāng)褶皺高度為6cm時(shí),加入褶皺前后,吸聲峰值由0.733提高到0.977,吸聲帶寬由2個(gè)(800hz~1250hz)提高到5個(gè)(400hz~1000hz)1/3倍頻程中心頻率;隨著褶皺高度從2cm提高到6cm,復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)顯著增加,吸聲帶寬隨之增大,吸聲頻帶朝低頻方向移動(dòng),當(dāng)褶皺高度為6cm時(shí),吸聲峰值達(dá)到0.977,接近全吸收。試驗(yàn)初步研究了隔聲薄膜褶皺對(duì)微穿孔板吸聲性能的影響特性,為進(jìn)一步的理論計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用提供一定根據(jù)。

馬大猷教授提出的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)在空氣噪聲降低和隔離方面得到了廣泛的應(yīng)用,但未見水下應(yīng)用的相關(guān)研究和報(bào)道。本文將空氣中微穿孔板理論應(yīng)用到水中,得到了水下微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲公式。通過理論分析,得出了微穿孔板結(jié)構(gòu)直接應(yīng)用于水中無法獲得寬頻吸收的結(jié)論。提出了通過匹配液將微穿孔板間接應(yīng)用到水下的設(shè)想。設(shè)計(jì)了單層板和雙層板吸聲結(jié)構(gòu),并對(duì)它們的吸聲特性進(jìn)行了理論分析與仿真。結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)在水中能夠獲得優(yōu)于空氣中的寬頻帶吸聲效果。實(shí)驗(yàn)測量了自制的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu),吸聲系數(shù)的測量值與理論曲線基本吻合,從而驗(yàn)證了理論分析的正確性。