AML微穿孔板吸聲體聲學(xué)軟件開發(fā)

微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)以其眾多的優(yōu)點,在噪聲控制領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(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,用聲電類比法或試驗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,且易于用計算機編程實現(xiàn)。文章推導(dǎo)了用傳遞矩陣法計算微穿孔板結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能的計算公式,并與用聲電類比法計算的結(jié)果、試驗測定數(shù)據(jù)進行了對比,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)計的一種簡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,在100hz~1600hz內(nèi),共振吸聲系數(shù)α0達0.99;穿入7至9根時,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,當(dāng)穿入11根時,移動幅值為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,通過阻抗管進行了實驗。分析和實驗結(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,對板的吸聲性能貢獻較小;因此,通過變截面的方法,在增加板厚的同時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;分析了組合微穿孔結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論計算及試驗仿真。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)在理論研究和實際應(yīng)用中存在的問題,并對該研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢做了展望。

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,并計算了其組合吸聲系數(shù)。理論計算結(jié)果與采用sysnoise軟件,根據(jù)gb/t18696對并聯(lián)的微穿孔板吸聲系數(shù)進行仿真實驗得到的結(jié)果及已有實驗數(shù)據(jù)進行對比。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)的計算方法是可行的。

提出用微穿孔板進行主動吸聲的方法。用微穿孔板作為主動吸聲的材料,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)達到最大,從而達到主動吸聲的目的。最后,進行了數(shù)值計算與實驗,計算結(jié)果與實驗結(jié)果能很較好的吻合,說明了該主動吸聲方法的可行性。

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)實驗測量方法以及微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)在實際工程領(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做為兩項設(shè)計指標(biāo),結(jié)合單層微穿孔板吸聲體的設(shè)計方法,提出了一種雙層串聯(lián)微穿孔板吸聲體的設(shè)計思路,簡化了設(shè)計工作。

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,微穿孔板的聲阻抗也會相應(yīng)改變,從而導(dǎo)致無法達到如薄板的吸聲性能。減小厚板對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)氧樹脂基微穿孔板為研究對象,通過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試其吸聲性能。實驗結(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,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。

計算微穿孔板吸聲系數(shù)時,假設(shè)孔間的相互作用可以忽略。計算具有不同直徑微孔的穿孔板吸聲系數(shù)并提高其計算精度,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,通過修正微孔的實際等效長度,得到計及孔間相互作用微孔板吸聲系數(shù)模型,并進行理論計算和實驗測試。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)理論值的計算精度,計算值逼近實驗測試結(jié)果。

以厚度為10mm的環(huán)氧樹脂基厚微穿孔板為研究對象,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)對微穿孔板吸聲性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),通過在孔中加入纖維材料可以在一定程度上彌補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,厚微穿孔板共振吸收頻率為956hz,峰值吸聲系數(shù)可達0.94。有效吸聲頻帶范圍為612hz-1600hz以上。

使用有限元法計算穿孔板的聲學(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)。計算結(jié)果表明:穿孔板厚度、孔徑和排列形式對聲學(xué)厚度的影響不大;穿孔率對聲學(xué)厚度影響很大?；跀?shù)值計算結(jié)果給出了聲學(xué)厚度修正系數(shù)的近似表達式,利用由該表達式形成的穿孔聲阻抗公式計算了穿孔管消聲器的傳遞損失,計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好,從而驗證了應(yīng)用該表達式預(yù)測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)的計算公式,并與單層結(jié)構(gòu)的吸聲特性進行了對比仿真分析,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,相對聲阻將變大,相對聲質(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,但未見水下應(yīng)用的相關(guān)研究和報道。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)計了單層板和雙層板吸聲結(jié)構(gòu),并對它們的吸聲特性進行了理論分析與仿真。結(jié)果表明,本文設(shè)計的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)在水中能夠獲得優(yōu)于空氣中的寬頻帶吸聲效果。實驗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,進行參數(shù)選擇并設(shè)計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,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,共振吸收峰向低頻移動了340hz,頻帶拓寬346hz以上。當(dāng)穿入量從0根增至160根時,共振吸聲頻率向低頻移動340hz;當(dāng)穿入量約為106根時,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,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,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,并由此進行應(yīng)用于高聲強下微穿孔板吸聲體的計算機輔助設(shè)計。通過實驗對寬頻帶微穿孔板的非線性特性進行初步分析和實驗驗證

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

在微穿孔板吸聲體的準(zhǔn)確理論基礎(chǔ)上，編制了微穿孔板吸聲體聲學(xué)特性的數(shù)值分析程序。通過計算實例的分析，重點探討了微穿孔板吸聲體的多頻吸聲特性

文章對穿孔板背面緊貼吸聲薄層時的聲學(xué)特性進行了理論分析與計算,并與實驗結(jié)果作出比較。理論與實驗都表明,當(dāng)穿孔板背后緊貼吸聲薄層后,由于穿孔末端增加的附加聲阻,將會顯著提高穿孔板的吸聲效果,同時拓寬吸聲頻帶寬度。

介紹了我國在新型吸聲體微穿孔板和微縫板的特點、首創(chuàng)、理論分析、加工制作、多方面的應(yīng)用情況，以及其在國外的影響。也討論了這些吸聲體的部分發(fā)展方向。