穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲學特性分析與應用

對穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲學特性進行了理論分析與計算。討論了穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的共振吸聲原理,基于對穿孔板吸聲結(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)對吸聲性能的影響,為穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的工程應用提供了依據(jù)。針對某工程機械風冷系統(tǒng)噪聲突出這一現(xiàn)象,專門為風冷系統(tǒng)設(shè)計了穿孔板吸聲結(jié)構(gòu),大幅度降低了該機風冷系統(tǒng)的噪聲,也使該機的駕駛環(huán)境噪聲得到了有效控制。

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。

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。

采用aml語言開發(fā)了一套微穿孔板吸聲體的聲學軟件。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,從而進一步提高微穿孔板設(shè)計效率和準確性,并對工程應用有一定的幫助。

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用,但未見水下應用的相關(guān)研究和報道。本文將空氣中微穿孔板理論應用到水中,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。

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)。文章推導了用傳遞矩陣法計算微穿孔板結(jié)構(gòu)聲學性能的計算公式,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。

文章對穿孔板背面緊貼吸聲薄層時的聲學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。

使用有限元法計算穿孔板的聲學厚度修正系數(shù),研究穿孔率、穿孔板厚度、孔徑和穿孔排列形式對聲學厚度的影響,獲得了穿孔率低于40%的穿孔板的聲學厚度修正系數(shù)。計算結(jié)果表明:穿孔板厚度、孔徑和排列形式對聲學厚度的影響不大;穿孔率對聲學厚度影響很大?；跀?shù)值計算結(jié)果給出了聲學厚度修正系數(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,從而驗證了應用該表達式預測穿孔管消聲器消聲性能的準確性。

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。

分析了飛機的噴流噪聲產(chǎn)生機理,討論了噴流噪聲的控制技術(shù)。并將穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)降噪技術(shù)應用到飛機的推進系統(tǒng)中,用以降低噴流噪聲,并對其實際降噪效果進行了比較分析。

針對某些特殊情況下飛機座艙內(nèi)部噪聲過大的實際情況,對其進行了噪聲無源控制實驗研究。以某飛機座艙模型為研究對象,利用微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)成功實現(xiàn)了一套飛機座艙模型內(nèi)部噪聲無源控制系統(tǒng)。同時利用cada-x結(jié)構(gòu)動力學分析系統(tǒng)建立了一套振動噪聲控制性能測試系統(tǒng),可廣泛應用于各種振動噪聲有源、無源控制系統(tǒng)的控制性能測試。同時對所設(shè)計的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)進行了理論計算和實驗測量,對比結(jié)果表明其一致性良好。最后利用該測試系統(tǒng)對飛機座艙模型噪聲無源控制系統(tǒng)進行了控制性能測試,控制效果明顯。從而說明了此方法對飛機座艙內(nèi)部噪聲抑制的有效性和可行性。

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。

依據(jù)馬大猷教授的微穿孔板基本理論,在對微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)完成吸聲理論計算結(jié)果的基礎(chǔ)上,進行參數(shù)選擇并設(shè)計了微穿孔吸聲反射板結(jié)構(gòu),用于新建的階梯教室中。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。經(jīng)現(xiàn)場測試與主觀評價,表明了此方法對階梯教室控制音質(zhì)效果的有效性和可行性。

對傳統(tǒng)的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行分析,發(fā)現(xiàn)其存在近似公式精度不高及相關(guān)參數(shù)難以確定的問題,這些問題直接導致設(shè)計無法進行或得到不符合要求的設(shè)計參數(shù)。使用泰勒公式將設(shè)計過程中的復雜公式近似展開,并對得到的近似公式進行修正,使其精度得到了提高;對相關(guān)公式進行推導,發(fā)現(xiàn)微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的半吸收頻帶寬度與腔深成正比關(guān)系,據(jù)此,設(shè)計時可根據(jù)工程中的空間限制條件,首先確定腔深,再計算其它參數(shù),提出了面向工程的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。針對某風機噪聲,使用面向工程的設(shè)計方法設(shè)計微穿孔板結(jié)構(gòu)參數(shù),得到了滿足設(shè)計要求的吸聲系數(shù)曲線。工程應用表明,面向工程的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計方法更方便,且更準確。

1引言穿孔板共振器由前面的穿孔面板和后面的空腔構(gòu)成。在普通吸聲材料不能勝任的高溫高壓等惡劣條件下,比如對飛機引擎、火箭發(fā)動機中的吸聲處理,穿孔板共振器具有不可替代的作用。飛機引擎都將產(chǎn)生非常高的聲壓級,在高聲壓級下穿孔板共振器將產(chǎn)生非線性效應,即其聲阻抗隨聲壓級的變化而變化。

高聲強條件下穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的非線性聲學特性

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,計算更合理和準確。

微穿孔板的發(fā)展已接近半個世紀?；诖┛装逦暯Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),微穿孔板結(jié)構(gòu)簡化了穿孔板后的多孔材料,同時達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。通過分析微管和空腔的聲阻抗率,近似計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)模型的來源。根據(jù)微穿孔板結(jié)構(gòu)模型,分別計算不同的參數(shù)組合對吸聲系數(shù)及頻帶寬度的影響。

傳統(tǒng)的聲電類比法在單層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)中的計算,得到廣泛應用,但由于在雙層微穿孔板結(jié)構(gòu)中存在較大誤差,于是提出用傳遞矩陣法對微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)進行分析。本文對比分析聲電類比法與傳遞矩陣法在微穿孔板結(jié)構(gòu)模型中的應用,從而有效設(shè)計微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的實驗方案。

建筑物,特別是高級民用建筑,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議中心工程,試用無紡針剌氈加穿孔板復合結(jié)構(gòu),進行室內(nèi)裝修。本文介紹該材料的吸聲性能和特點,以供參考。