AML微穿孔板吸声体声学软件开发

微穿孔板吸声结构以其众多的优点,在噪声控制领域得到越来越广泛的应用。因微穿孔板结构中涉及大量的参数,在穿孔板层数较多时,用声电类比法或试验的方法研究微穿孔板结构的吸声性能将变得非常复杂。传递矩阵法尤其适于多层结构的分析,且易于用计算机编程实现。文章推导了用传递矩阵法计算微穿孔板结构声学性能的计算公式,并与用声电类比法计算的结果、试验测定数据进行了对比,结果显示,传递矩阵法是可以作为微穿孔板结构设计的一种简单而有效的参考方法。

提出在薄微穿孔板微孔中穿入铜纤维的结构,有效拓宽薄微穿孔板的吸声频带,提高吸声系数,使微穿孔板吸声性能在中低频得到很大的提高。研究结果表明,样品直径为100mm,29mm,穿孔直径为1mm,厚度2mm,穿孔率为3%的微穿孔板,穿入铜纤维的直径为0.13mm,穿入铜纤维为3和4根时,在100hz~1600hz内,共振吸声系数α0达0.99;穿入7至9根时,吸声频带可拓宽1000hz以上;随着穿入纤维数量的增加,吸声频带显著向低频移动,当穿入11根时,移动幅值为464hz。

传统的微穿孔板要获得较佳的吸声性能,需要较小孔径的微孔(<0.3mm);在穿孔率不变的情况下,增加板厚,那么板的吸声性能将下降。为了避免这个问题,提出一种新型的微穿孔板结构——变截面微穿孔板。与传统微穿孔板不同,它的微孔的截面积沿其轴向不是恒定的,而是在轴向的一定位置发生突变,从而板存在孔径差异较大的两部分。在马大猷的理论基础上,分析了变截面微穿孔板的吸声特性,并利用传递函数法,通过阻抗管进行了实验。分析和实验结果显示,变截面微穿孔板的吸声性能主要由孔径较小的部分决定,孔径较大的部分主要是增加了板的厚度,对板的吸声性能贡献较小;因此,通过变截面的方法,在增加板厚的同时也能使板维持在较佳的吸声性能水平。

微穿孔板共振吸声结构在噪声控制上有着优异的表现,受到广大科研人员的关注。笔者介绍了近年来与微穿孔板共振吸声结构相关的理论研究,包括微穿孔吸声结构的吸声特性以及吸声带宽的理论极限;探讨了微穿孔板和超微孔板的制造技术及这些技术的优缺点;分析了组合微穿孔结构的相关理论计算及试验仿真。在总结前人研究成果的基础上,指出了微穿孔板共振吸声结构在理论研究和实际应用中存在的问题,并对该研究领域的发展趋势做了展望。

分析不同共振频率的微穿孔板吸声结构并联的结构模型,并计算了其组合吸声系数。理论计算结果与采用sysnoise软件,根据gb/t18696对并联的微穿孔板吸声系数进行仿真实验得到的结果及已有实验数据进行对比。结果表明,该文中并联微穿孔板吸声结构的声阻抗率及组合吸声系数的计算方法是可行的。

提出用微穿孔板进行主动吸声的方法。用微穿孔板作为主动吸声的材料,检测出入射声波的频率,得到微穿孔板的共振频率,从而得到微穿孔板背后空腔的深度,移动微穿孔板背后的刚性壁以满足空腔深度的要求,使得吸声系数达到最大,从而达到主动吸声的目的。最后,进行了数值计算与实验,计算结果与实验结果能很较好的吻合,说明了该主动吸声方法的可行性。

在介绍马大猷开创的微穿孔板吸声结构基础理论的前提下,综述了微穿孔板吸声结构的理论发展、吸声系数实验测量方法以及微穿孔板吸声结构在实际工程领域的一些应用。最后提出微穿孔板研究发展的方向。

在微穿孔板吸声体理论的基础上,基于电力声类比等效电路法建立了双层串联微穿孔板吸声体理论分析模型,分析了双层串联微穿孔板吸声体的共振频率ωs与参数k1、r1的关系。将共振频率ωs与前腔深度d1做为两项设计指标,结合单层微穿孔板吸声体的设计方法,提出了一种双层串联微穿孔板吸声体的设计思路,简化了设计工作。

厚微穿孔板的微孔一般均为直通孔,虽然板厚的增加使其应用范围更广,但板厚改变的同时,微穿孔板的声阻抗也会相应改变,从而导致无法达到如薄板的吸声性能。减小厚板对吸声性能影响的一种方法是采用变截面微穿孔结构。以10mm厚环氧树脂基微穿孔板为研究对象,通过溶芯浇注成型的方法制备具有变截面孔的厚微穿孔板并测试其吸声性能。实验结果显示当直通孔变为变截面孔后,吸声频带有所拓宽,当变为大锥形孔时,微穿孔板的有效吸声频带从300～700hz增宽至310～830hz,平均吸声系数从0.45增加到0.54。

计算微穿孔板吸声系数时,假设孔间的相互作用可以忽略。计算具有不同直径微孔的穿孔板吸声系数并提高其计算精度,孔间的相互作用不能再忽略。在马大猷、melling(梅尔林)等前人研究的基础上,根据声波辐射和传播原理,分析微孔之间的相互作用,通过修正微孔的实际等效长度,得到计及孔间相互作用微孔板吸声系数模型,并进行理论计算和实验测试。研究结果表明:影响微穿孔板吸声系数除结构参数外,还应考虑孔间的相互作用;计及微孔板各孔间相互作用,能提高共振频率、吸声系数理论值的计算精度,计算值逼近实验测试结果。

以厚度为10mm的环氧树脂基厚微穿孔板为研究对象,分别选择空气、水、聚乙烯醇、羊毛纤维作为孔中介质,研究各种介质对微穿孔板吸声性能的影响。结果发现,通过在孔中加入纤维材料可以在一定程度上弥补因材料厚度增加而导致的吸声性能的减弱。当平均每孔中穿入53根羊毛纤维,后空腔深度为20mm时,厚微穿孔板共振吸收频率为956hz,峰值吸声系数可达0.94。有效吸声频带范围为612hz-1600hz以上。

使用有限元法计算穿孔板的声学厚度修正系数,研究穿孔率、穿孔板厚度、孔径和穿孔排列形式对声学厚度的影响,获得了穿孔率低于40%的穿孔板的声学厚度修正系数。计算结果表明:穿孔板厚度、孔径和排列形式对声学厚度的影响不大;穿孔率对声学厚度影响很大。基于数值计算结果给出了声学厚度修正系数的近似表达式,利用由该表达式形成的穿孔声阻抗公式计算了穿孔管消声器的传递损失,计算结果与实验结果吻合良好,从而验证了应用该表达式预测穿孔管消声器消声性能的准确性。

在燃烧室的空间和质量有限的情况下,为达到更好的声抑制效果,该文提出了将单层微穿孔板一分为二,采用与单层结构具有相同穿孔率、穿孔半径、质量及占用空间的双层串联微穿孔板结构。通过声-电类比法推导了温度变化条件下双层串联微穿孔板结构吸声系数的计算公式,并与单层结构的吸声特性进行了对比仿真分析,最后得出将单层结构一分为二,采用双层串联结构具有更宽的吸声频带,在高温条件下,其吸声效果更好。

根据微穿孔板吸声理论,采用理论分析和仿真的方法,着重讨论微穿孔板在温度梯度下的声阻抗、共振频率和吸声系数等声学特性,分析其受温度影响变化的机理,得到微穿孔板吸声效果受温度变化影响的规律及其仿真结果。分析表明:温度升高时,相对声阻将变大,相对声质量变小,共振频率变大,频带宽度增宽,吸声系数在某一温度处有一最大值1,偏离该温度吸声系数均递减。

马大猷教授提出的微穿孔板吸声结构在空气噪声降低和隔离方面得到了广泛的应用,但未见水下应用的相关研究和报道。本文将空气中微穿孔板理论应用到水中,得到了水下微穿孔板吸声结构的吸声公式。通过理论分析,得出了微穿孔板结构直接应用于水中无法获得宽频吸收的结论。提出了通过匹配液将微穿孔板间接应用到水下的设想。设计了单层板和双层板吸声结构,并对它们的吸声特性进行了理论分析与仿真。结果表明,本文设计的微穿孔板吸声结构在水中能够获得优于空气中的宽频带吸声效果。实验测量了自制的微穿孔板吸声结构,吸声系数的测量值与理论曲线基本吻合,从而验证了理论分析的正确性。

依据马大猷教授的微穿孔板基本理论,进行参数选择并设计了微穿孔吸声反射板结构,用于阶梯教室中,分析了这种微穿孔吸声反射板结构在阶梯教室中的声反射和声吸收的性能。

选择厚度为2mm的薄微穿孔板,研究羊毛纤维穿入率、穿入量和穿孔率对微孔板吸声性能的影响。在100~1600hz范围内,随着羊毛纤维穿入率和穿入量的增加,共振吸声频率均向低频移动,吸声频带都得到拓宽。当羊毛纤维穿入率从0%增加到100%时,共振吸收峰向低频移动了340hz,频带拓宽346hz以上。当穿入量从0根增至160根时,共振吸声频率向低频移动340hz;当穿入量约为106根时,频带拓宽360hz以上,共振吸声系数为0.92。而当穿孔率为1%时,穿入羊毛纤维使最大吸声系数降低,吸声频带变窄;但随着穿孔率的增加,穿入羊毛纤维可以显著拓宽微穿孔板的吸声频带,共振吸声系数也随之增大。当穿孔率为6%时,穿入羊毛纤维前后,最大吸声系数从0.68增至0.97,共振吸声频率从1158hz降至986hz,频带拓宽了674hz以上。穿孔率越大,羊毛纤维改善微穿孔板吸声性能的优势越显著。

文章以马大猷教授提出的微穿孔板非线性声阻公式为依据,提出了非线性声阻作用的临界条件,并由此进行应用于高声强下微穿孔板吸声体的计算机辅助设计。通过实验对宽频带微穿孔板的非线性特性进行初步分析和实验验证

在微穿孔板吸声体的准确理论基础上，编制了微穿孔板吸声体声学特性的数值分析程序。通过计算实例的分析，重点探讨了微穿孔板吸声体的多频吸声特性

介绍了我国在新型吸声体微穿孔板和微缝板的特点、首创、理论分析、加工制作、多方面的应用情况，以及其在国外的影响。也讨论了这些吸声体的部分发展方向。

板振动对微穿孔板吸声体的声学特性存在一定的影响。文章对此影响关系从理论方面进行初步分析,并通过不同材料、不同孔径、不同穿孔率样品在低频、中频驻波管中的大量实验,分析板振动对微穿孔板吸声体吸声性能影响关系的规律性,从而得到对微穿孔板的实际应用具有指导性的结论。

微穿孔板的发展已接近半个世纪。基于穿孔板吸声结构的基础,微穿孔板结构简化了穿孔板后的多孔材料,同时达到了提高本身吸声特性的目的。组成微穿孔板的主要元素就是微管和空腔。通过分析微管和空腔的声阻抗率,近似计算出微穿孔板的吸声系数与吸声频带宽度,并讨论微穿孔板结构模型的来源。根据微穿孔板结构模型,分别计算不同的参数组合对吸声系数及频带宽度的影响。