AML微穿孔板吸聲體聲學(xué)軟件開(kāi)發(fā)

微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)以其眾多的優(yōu)點(diǎn),在噪聲控制領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。因微穿孔板結(jié)構(gòu)中涉及大量的參數(shù),在穿孔板層數(shù)較多時(shí),用聲電類比法或試驗(yàn)的方法研究微穿孔板結(jié)構(gòu)的吸聲性能將變得非常復(fù)雜。傳遞矩陣法尤其適于多層結(jié)構(gòu)的分析,且易于用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。文章推導(dǎo)了用傳遞矩陣法計(jì)算微穿孔板結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能的計(jì)算公式,并與用聲電類比法計(jì)算的結(jié)果、試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果顯示,傳遞矩陣法是可以作為微穿孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)單而有效的參考方法。

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。

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(wèn)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(guò)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(guò)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。

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(lái)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(wèn)題,并對(duì)該研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)做了展望。

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(cè)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(shuō)明了該主動(dòng)吸聲方法的可行性。

在介紹馬大猷開(kāi)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(cè)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。

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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作。

厚微穿孔板的微孔一般均為直通孔,雖然板厚的增加使其應(yīng)用范圍更廣,但板厚改變的同時(shí),微穿孔板的聲阻抗也會(huì)相應(yīng)改變,從而導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到如薄板的吸聲性能。減小厚板對(duì)吸聲性能影響的一種方法是采用變截面微穿孔結(jié)構(gòu)。以10mm厚環(huán)氧樹(shù)脂基微穿孔板為研究對(duì)象,通過(guò)溶芯澆注成型的方法制備具有變截面孔的厚微穿孔板并測(cè)試其吸聲性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)直通孔變?yōu)樽兘孛婵缀?吸聲頻帶有所拓寬,當(dāng)變?yōu)榇箦F形孔時(shí),微穿孔板的有效吸聲頻帶從300～700hz增寬至310～830hz,平均吸聲系數(shù)從0.45增加到0.54。

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(guò)修正微孔的實(shí)際等效長(zhǎng)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(cè)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(cè)試結(jié)果。

以厚度為10mm的環(huán)氧樹(shù)脂基厚微穿孔板為研究對(duì)象,分別選擇空氣、水、聚乙烯醇、羊毛纖維作為孔中介質(zhì),研究各種介質(zhì)對(duì)微穿孔板吸聲性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),通過(guò)在孔中加入纖維材料可以在一定程度上彌補(bǔ)因材料厚度增加而導(dǎo)致的吸聲性能的減弱。當(dāng)平均每孔中穿入53根羊毛纖維,后空腔深度為20mm時(shí),厚微穿孔板共振吸收頻率為956hz,峰值吸聲系數(shù)可達(dá)0.94。有效吸聲頻帶范圍為612hz-1600hz以上。

使用有限元法計(jì)算穿孔板的聲學(xué)厚度修正系數(shù),研究穿孔率、穿孔板厚度、孔徑和穿孔排列形式對(duì)聲學(xué)厚度的影響,獲得了穿孔率低于40%的穿孔板的聲學(xué)厚度修正系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明:穿孔板厚度、孔徑和排列形式對(duì)聲學(xué)厚度的影響不大;穿孔率對(duì)聲學(xué)厚度影響很大?；跀?shù)值計(jì)算結(jié)果給出了聲學(xué)厚度修正系數(shù)的近似表達(dá)式,利用由該表達(dá)式形成的穿孔聲阻抗公式計(jì)算了穿孔管消聲器的傳遞損失,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,從而驗(yàn)證了應(yīng)用該表達(dá)式預(yù)測(cè)穿孔管消聲器消聲性能的準(zhǔn)確性。

在燃燒室的空間和質(zhì)量有限的情況下,為達(dá)到更好的聲抑制效果,該文提出了將單層微穿孔板一分為二,采用與單層結(jié)構(gòu)具有相同穿孔率、穿孔半徑、質(zhì)量及占用空間的雙層串聯(lián)微穿孔板結(jié)構(gòu)。通過(guò)聲-電類比法推導(dǎo)了溫度變化條件下雙層串聯(lián)微穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)的計(jì)算公式,并與單層結(jié)構(gòu)的吸聲特性進(jìn)行了對(duì)比仿真分析,最后得出將單層結(jié)構(gòu)一分為二,采用雙層串聯(lián)結(jié)構(gòu)具有更寬的吸聲頻帶,在高溫條件下,其吸聲效果更好。

根據(jù)微穿孔板吸聲理論,采用理論分析和仿真的方法,著重討論微穿孔板在溫度梯度下的聲阻抗、共振頻率和吸聲系數(shù)等聲學(xué)特性,分析其受溫度影響變化的機(jī)理,得到微穿孔板吸聲效果受溫度變化影響的規(guī)律及其仿真結(jié)果。分析表明:溫度升高時(shí),相對(duì)聲阻將變大,相對(duì)聲質(zhì)量變小,共振頻率變大,頻帶寬度增寬,吸聲系數(shù)在某一溫度處有一最大值1,偏離該溫度吸聲系數(shù)均遞減。

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(jiàn)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(guò)理論分析,得出了微穿孔板結(jié)構(gòu)直接應(yīng)用于水中無(wú)法獲得寬頻吸收的結(jié)論。提出了通過(guò)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(cè)量了自制的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu),吸聲系數(shù)的測(cè)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。

依據(jù)馬大猷教授的微穿孔板基本理論,進(jìn)行參數(shù)選擇并設(shè)計(jì)了微穿孔吸聲反射板結(jié)構(gòu),用于階梯教室中,分析了這種微穿孔吸聲反射板結(jié)構(gòu)在階梯教室中的聲反射和聲吸收的性能。

選擇厚度為2mm的薄微穿孔板,研究羊毛纖維穿入率、穿入量和穿孔率對(duì)微孔板吸聲性能的影響。在100~1600hz范圍內(nèi),隨著羊毛纖維穿入率和穿入量的增加,共振吸聲頻率均向低頻移動(dòng),吸聲頻帶都得到拓寬。當(dāng)羊毛纖維穿入率從0%增加到100%時(shí),共振吸收峰向低頻移動(dòng)了340hz,頻帶拓寬346hz以上。當(dāng)穿入量從0根增至160根時(shí),共振吸聲頻率向低頻移動(dòng)340hz;當(dāng)穿入量約為106根時(shí),頻帶拓寬360hz以上,共振吸聲系數(shù)為0.92。而當(dāng)穿孔率為1%時(shí),穿入羊毛纖維使最大吸聲系數(shù)降低,吸聲頻帶變窄;但隨著穿孔率的增加,穿入羊毛纖維可以顯著拓寬微穿孔板的吸聲頻帶,共振吸聲系數(shù)也隨之增大。當(dāng)穿孔率為6%時(shí),穿入羊毛纖維前后,最大吸聲系數(shù)從0.68增至0.97,共振吸聲頻率從1158hz降至986hz,頻帶拓寬了674hz以上。穿孔率越大,羊毛纖維改善微穿孔板吸聲性能的優(yōu)勢(shì)越顯著。

文章以馬大猷教授提出的微穿孔板非線性聲阻公式為依據(jù),提出了非線性聲阻作用的臨界條件,并由此進(jìn)行應(yīng)用于高聲強(qiáng)下微穿孔板吸聲體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)寬頻帶微穿孔板的非線性特性進(jìn)行初步分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

微穿孔板的發(fā)展已接近半個(gè)世紀(jì)?；诖┛装逦暯Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),微穿孔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了穿孔板后的多孔材料,同時(shí)達(dá)到了提高本身吸聲特性的目的。組成微穿孔板的主要元素就是微管和空腔。通過(guò)分析微管和空腔的聲阻抗率,近似計(jì)算出微穿孔板的吸聲系數(shù)與吸聲頻帶寬度,并討論微穿孔板結(jié)構(gòu)模型的來(lái)源。根據(jù)微穿孔板結(jié)構(gòu)模型,分別計(jì)算不同的參數(shù)組合對(duì)吸聲系數(shù)及頻帶寬度的影響。

傳統(tǒng)微穿孔板的穿孔為圓形或狹縫,背面不帶毛刺,其吸聲系數(shù)和吸聲頻帶寬度有待進(jìn)一步提高。目前出現(xiàn)一種新工藝加工的微穿孔板,其穿孔為三角形,且背面帶有毛刺。帶刺三角孔微穿孔板與圓孔微穿孔板不同,不能用原有方法計(jì)算其聲阻抗。文章采用試驗(yàn)研究的方法測(cè)定帶刺三角孔微穿孔板的聲阻抗,分析其聲學(xué)特性,為工程應(yīng)用提供參數(shù)依據(jù)。通過(guò)駐波管試驗(yàn)測(cè)量單層和雙層帶刺三角孔微穿孔板結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù),并與圓孔微穿孔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析。研究結(jié)果顯示,新工藝加工的帶刺三角孔微穿孔板與圓孔微穿孔板相比較,聲阻有了較大幅度的提高,聲抗基本保持不變;帶刺三角孔微穿孔板結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)有了顯著的提升,吸聲頻帶也得到一定程度的拓寬。

用自行研制的ｅｐｒ改性ｐｐ基阻燃泡沫材料制成微穿孔板，研究其吸聲特性及規(guī)律，并與ｅｐｒ改性ｐｐ基阻燃非泡沫材料微穿孔板進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，泡沫材料微穿孔板吸聲體在中、低頻率區(qū)域的最大吸聲因數(shù)可達(dá)０９８以上；在１２５～２０００ｈｚ范圍內(nèi)平均吸聲因數(shù)可達(dá)０５２以上。

采用聲電類比法計(jì)算斜置微穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲性能存在誤差。運(yùn)用阻抗轉(zhuǎn)移法計(jì)算斜置結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù),用假想平面將斜置微穿孔板結(jié)構(gòu)離散為若干個(gè)等寬定空腔的吸聲單元,建立簡(jiǎn)化模型,采用阻抗轉(zhuǎn)移計(jì)算每個(gè)吸聲單元的吸聲系數(shù),綜合各單元吸聲系數(shù),獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)。設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)比較計(jì)算結(jié)果表明,采用阻抗轉(zhuǎn)移法計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,聲電類比法計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)驗(yàn)結(jié)果較大。聲電類比法采用集中參數(shù)分析,需將空腔聲阻抗進(jìn)行近似,造成誤差;阻抗轉(zhuǎn)移法不存在這一誤差,計(jì)算更合理和準(zhǔn)確。