長(zhǎng)T型聲共振器在船舶噪聲控制中的應(yīng)用

李德玉　歐禮堅(jiān)　趙成璧

摘要：本文介紹一種用于腔體內(nèi)中低頻噪聲控制的多模態(tài)聲共振器，即長(zhǎng)T型聲共振器。包括長(zhǎng)T型共振器的設(shè)計(jì)方法、控制機(jī)理和控制效果等。同時(shí)對(duì)該共振器在船舶噪聲控制上的應(yīng)用進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞：船舶噪聲；共振器；結(jié)構(gòu)聲學(xué)

1 介紹

低頻噪聲會(huì)引起嚴(yán)重的環(huán)境危害。最常見的低頻噪聲是聲腔內(nèi)的低頻噪聲，這些聲腔廣泛存在于船舶、車輛、飛機(jī)和運(yùn)載火箭中。它們的共同點(diǎn)是聲腔內(nèi)部的幾何空間有限，導(dǎo)致實(shí)施減振降噪措施很困難。Fuller等對(duì)源于二十世紀(jì)三十年代的主動(dòng)控制技術(shù)在低頻噪聲控制領(lǐng)域進(jìn)行了研究，開發(fā)出具有代表性的主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控制（ASAC）技術(shù)。然而，因主動(dòng)技術(shù)復(fù)雜且魯棒性差，該技術(shù)的成功范例不多。典型的被動(dòng)噪聲控制是用棉氈來(lái)增加吸聲性能，對(duì)減小高頻噪聲效果好，而減小低頻噪聲要求棉氈較厚較重，這對(duì)有限的空間不實(shí)際，還會(huì)增大附加重量。Griffin等用引入特征阻抗不匹配來(lái)改進(jìn)被動(dòng)方法的低頻性能，他們用雙層板圍成密閉的空間，雙層板之間為真空或接近真空。在實(shí)驗(yàn)室，這種方法使0－200Hz的聲壓級(jí)減小19dB。然而，實(shí)際工程中很難實(shí)現(xiàn)近似真空的條件。對(duì)于輕阻尼結(jié)構(gòu)，通過約束阻尼層或其他結(jié)構(gòu)振動(dòng)被動(dòng)控制技術(shù)來(lái)減小結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)輻射，進(jìn)而減小低頻噪聲的方法也取得了部分成功[1]。

聲共振器是另一種減小腔體內(nèi)中低頻噪聲的被動(dòng)方法。自赫姆霍茲（Helmholtz）發(fā)表聲共振器的動(dòng)力學(xué)原理后[2]，大量與赫姆霍茲共振器設(shè)計(jì)和共振頻率預(yù)測(cè)有關(guān)的文章發(fā)表在各種期刊上。最早的聲共振器用于建筑物中來(lái)吸聲或改變房間的聲學(xué)特性，也見于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的入口、排氣管消音裝置、火箭燃燒穩(wěn)定性控制和飛機(jī)艙的雙層板結(jié)構(gòu)內(nèi)。在有噪聲的腔內(nèi)，理想的情況是把聲共振器與腔體壁結(jié)構(gòu)集成以減小共振器所占空間。因?yàn)楹漳坊羝澒舱衿飨髠€(gè)燈泡，難于滿足上述要求，由此帶有后背板的微穿孔板被用在低頻噪聲控制中。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，最好的吸聲效果發(fā)生在多層結(jié)構(gòu)的厚度等于四分之一被控聲波的波長(zhǎng)[3，4]。這個(gè)尺寸太大，不實(shí)際。為了改進(jìn)赫姆霍茲共振器、多孔板和纖維材料吸聲的不足，聲學(xué)家們開發(fā)了多種無(wú)纖維吸聲器。最近，李德玉和Vipperma，開發(fā)了一個(gè)長(zhǎng)T型聲共振器（LTAR）[5]，它包括兩個(gè)垂直相交的管子：一個(gè)兩端封閉的長(zhǎng)管子作為共振器的主體，另一個(gè)兩端開口的管來(lái)提供共振器與聲腔的交通通道。該裝置最初為控制大型運(yùn)載火箭內(nèi)的噪聲而開發(fā)，后來(lái)用于控制腔體內(nèi)的噪聲，最近又推廣到改進(jìn)雙層板結(jié)構(gòu)的傳聲損失。因?yàn)長(zhǎng)TAR的長(zhǎng)細(xì)比大，它與傳統(tǒng)的共振器相比有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）多模態(tài)特征為中低頻控制提供了可能；（2）狹窄的分支管道提供了更高的聲能吸收；（3）可作為結(jié)構(gòu)部件直接集成到主結(jié)構(gòu)中以減小共振器本身所占空間；（4）共振器可在控制噪聲的同時(shí)來(lái)減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)。由此，LTAR成為腔體噪聲控制中非常有潛力的傳統(tǒng)赫姆霍茲共振器的替代品。