微穿孔板二次余數(shù)擴(kuò)散體復(fù)合結(jié)構(gòu)阻抗管實(shí)驗(yàn)研究

劉玲，王佳琛，包飛，蔡俊

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微穿孔板二次余數(shù)擴(kuò)散體復(fù)合結(jié)構(gòu)阻抗管實(shí)驗(yàn)研究

劉玲1，王佳琛2，包飛1，蔡俊1

(1. 上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2. 拜耳技術(shù)工程(上海)有限公司，上海 200240)

傳統(tǒng)的共振吸聲結(jié)構(gòu)由于吸聲頻帶窄而無法滿足要求，為此將具有良好擴(kuò)散性能的二次余數(shù)擴(kuò)散體(Quadratic Residue Diffuser, QRD)結(jié)構(gòu)與微穿孔板復(fù)合以期獲得在吸聲頻帶和吸聲峰值兼佳的復(fù)合結(jié)構(gòu)。阻抗管實(shí)驗(yàn)研究表明，將QRD結(jié)構(gòu)與微穿孔板復(fù)合之后，微穿孔板的吸聲頻帶有了很大的擴(kuò)展，并同時(shí)擁有了QRD結(jié)構(gòu)雙吸聲峰的特點(diǎn)。經(jīng)過復(fù)合，QRD結(jié)構(gòu)的吸收峰吸聲系數(shù)明顯改善，從0.27提高到0.6以上，半峰寬拓寬到300 Hz以上；與微穿孔板變化規(guī)律一致，微穿孔板/QRD復(fù)合結(jié)構(gòu)的中低頻吸收峰頻率隨微穿孔板穿孔率的增大而向高頻移動(dòng)，隨板厚的增加而向低頻移動(dòng)。

微穿孔板；QRD復(fù)合結(jié)構(gòu)；共振吸聲結(jié)構(gòu)；吸聲系數(shù)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，環(huán)境噪聲逐漸成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。而其中解決問題的關(guān)鍵是聲學(xué)結(jié)構(gòu)的研制。

微穿孔板結(jié)構(gòu)是一種噪聲控制中使用非常廣泛的共振聲學(xué)結(jié)構(gòu)，其工作原理主要是由于亥姆霍茲共振結(jié)構(gòu)使某些頻率的聲波在聲阻抗突變的界面處發(fā)生反射、干涉等現(xiàn)象，從而消除噪聲[1-3]，雖然其在設(shè)計(jì)頻率具有較高的吸聲性能，但吸聲峰單一，吸聲頻帶窄。長(zhǎng)期以來，聲學(xué)工作者一直在探索提高微穿孔板吸聲性能的方法和技術(shù)[4-8]，但都圍繞微穿孔本身結(jié)構(gòu)的變化開展。

二次余數(shù)序列擴(kuò)散體(Quadratic Residue Diffuser, QRD)[9]由德國(guó)聲學(xué)家施羅德根據(jù)數(shù)論和聲學(xué)原理發(fā)明，它是一種格柵型槽溝擴(kuò)散體[10,11]。QRD是由一維的槽或者二維的管道結(jié)構(gòu)組成，通過擴(kuò)散附加聲能量到一個(gè)廣闊的范圍方向，具有很好的擴(kuò)散性能。同時(shí)研究也表明，QRD結(jié)構(gòu)除了有較好的擴(kuò)散性能外，還同時(shí)具有吸聲結(jié)構(gòu)的性能[12-14]。K. Fujiwara[14,15]等通過在混響室和駐波管的的實(shí)驗(yàn)研究表明，QRD結(jié)構(gòu)在序列長(zhǎng)度、維數(shù)以及材料等發(fā)生改變時(shí)，其吸聲效果都一直存在。盛勝我[12]等人認(rèn)為QRD的吸聲原理主要為：聲波入射到擴(kuò)散體后，將從不同深度的槽穴反射回來，由于各個(gè)槽穴深度不同，聲波在經(jīng)歷不同距離后的相位不一致，在結(jié)構(gòu)表面處產(chǎn)生干涉抵消現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)頻率及其諧振頻率具有一定的吸聲性能。為此，QRD結(jié)構(gòu)在一定頻率范圍內(nèi)兼具擴(kuò)散和吸聲的效果，而且由于諧振頻率同時(shí)存在多個(gè)吸收峰，但是其峰值吸聲系數(shù)不高。

由于微穿孔板結(jié)構(gòu)與QRD結(jié)構(gòu)的吸聲特點(diǎn)互補(bǔ)，且聲能消耗方式接近，因此，兩者復(fù)合對(duì)聲學(xué)性能的改善具有可行性。本課題組的前期研究已表明，將微穿孔板與QRD結(jié)構(gòu)復(fù)合之后，復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅仍具有良好的擴(kuò)散性能，而且吸聲性能的存在使得反射聲能減少了約5 dB[16]。因此本研究將微穿孔板結(jié)構(gòu)與QRD結(jié)構(gòu)相結(jié)合，將微穿孔板覆蓋于QRD結(jié)構(gòu)表面，通過阻抗管法向入射測(cè)試方法[17]，研究微穿孔板的孔徑、板厚等因素對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能的影響，最終獲得在吸聲頻帶和吸聲峰值兼具的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)所用儀器是北京聲望公司的SW系列阻抗管測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、功放、揚(yáng)聲器、傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊等，可以進(jìn)行材料的吸聲、隔聲等聲學(xué)參數(shù)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)用SW型阻抗管測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)用阻抗管的實(shí)際尺寸，確定QRD一維模型的相關(guān)規(guī)格：其直徑為10 cm，高為8 cm，槽寬為1 cm，槽長(zhǎng)為7 cm，最大槽深為6.8 cm，設(shè)計(jì)頻率f為500 Hz，材質(zhì)為鑄鐵。實(shí)驗(yàn)所采用QRD結(jié)構(gòu)如圖2所示。

微穿孔板根據(jù)已有的理論[19-20]設(shè)計(jì)了不同的厚度和穿孔率，微穿孔板的孔洞在薄板上均勻分布。具體尺寸如表1所示。

表1 阻抗管實(shí)驗(yàn)材料的規(guī)格

本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量QRD結(jié)構(gòu)以及微穿孔板QRD復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)，研究這些結(jié)構(gòu)在中低頻帶內(nèi)(60~1500 Hz)吸聲系數(shù)的變化，從而得到吸聲性能最好的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 微穿孔板QRD復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能研究

對(duì)QRD結(jié)構(gòu)、微穿孔板以及兩者的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻抗管吸聲系數(shù)測(cè)試，研究了QRD結(jié)構(gòu)及微穿孔板/QRD復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線與材料特性的變化關(guān)系。其中，微穿孔板所用空腔深為6.8 cm?，F(xiàn)在選取QRD結(jié)構(gòu)、板厚為0.6 mm、穿孔率為1%的微穿孔板以及兩者的復(fù)合結(jié)構(gòu)為代表進(jìn)行分析，具體如圖3所示。

從圖3中可以看出，QRD結(jié)構(gòu)有兩個(gè)明顯的吸收峰，峰值為0.27。無論從頻帶寬及峰值大小的角度來看，QRD結(jié)構(gòu)均具有相當(dāng)大的局限性。而微穿孔板吸聲頻帶較窄，很難滿足寬頻帶上的吸聲要求。兩者復(fù)合之后吸聲性能具有明顯改善。對(duì)QRD而言，復(fù)合結(jié)構(gòu)的半峰寬與吸收峰都有很大的提高，吸聲系數(shù)由原來的0.27提升至0.8以上；對(duì)于微穿孔板而言，從測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推測(cè)，復(fù)合結(jié)構(gòu)在1600 Hz及以上會(huì)出現(xiàn)第二個(gè)吸聲峰，拓寬了其吸聲頻帶。

由于QRD的溝槽占整個(gè)面積的35.7%，從聲能吸收量的角度看，復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸收峰面積應(yīng)該相應(yīng)地小于純微穿孔板結(jié)構(gòu)吸收峰面積，從圖3看卻恰恰相反。因此說明將微穿孔復(fù)合QRD結(jié)構(gòu)不是將幾種不同共振頻率的微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)并聯(lián)。

由此可見，微穿孔板和QRD結(jié)構(gòu)由于其本身特點(diǎn)的限制，在吸收峰值與頻帶寬度上會(huì)有一定缺陷，但將兩者復(fù)合后，一方面承襲了QRD雙吸聲峰在中低頻范圍良好的吸聲性能，另一方面則彌補(bǔ)和拓展了QRD結(jié)構(gòu)在吸聲峰及頻帶寬上的不足，無論從吸收峰峰值還是頻帶寬上，均有較大的突破。

2.1.1 微穿孔板穿孔率對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能的影響

由于QRD結(jié)構(gòu)各個(gè)槽的參數(shù)一定，微穿孔板孔徑一定，為1 mm，所以復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能主要受微穿孔板的板厚和穿孔率影響。穿孔率對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能的影響如圖4所示。

從圖4中可以明顯發(fā)現(xiàn)，各曲線變化趨勢(shì)在80~1600 Hz內(nèi)大致相同，均在中低頻范圍內(nèi)具有一個(gè)大的吸收峰，且存在明顯的規(guī)律性變化。

圖4(a)表示的是一維QRD結(jié)構(gòu)復(fù)合0.6 mm、穿孔率分別為1%、2%及3%微穿孔板的吸聲系數(shù)曲線。從原始數(shù)據(jù)以及圖4(a)可知其吸收峰的所在頻率從678 Hz、820 Hz進(jìn)一步向右移至886 Hz，在板厚不變的情況下，隨著穿孔率的增大而增大。半峰寬平均值為314 Hz。

圖4(b)表示的是一維QRD結(jié)構(gòu)復(fù)合0.7 mm、穿孔率分別為1%、2%及3%微穿孔板的吸聲系數(shù)曲線，其吸收峰的所在頻率從656 Hz、794 Hz進(jìn)一步向右移至816 Hz，在板厚不變的情況下，隨著穿孔率的增大而增大。半峰寬平均值為357 Hz。

圖4(c)表示的是一維QRD結(jié)構(gòu)復(fù)合0.8 mm、穿孔率分別為1%、2%及3%微穿孔板的吸聲系數(shù)曲線，其吸收峰的所在頻率從558 Hz、734 Hz進(jìn)一步向右移至826 Hz，在板厚不變的情況下，隨著穿孔率的增大而增大。半峰寬平均值為414 Hz。

(a) 板厚0.6 mm

(b) 板厚0.7 mm

從上述分析中，可以得出如下結(jié)論：一維QRD微穿板復(fù)合結(jié)構(gòu)，吸收峰值頻率隨穿孔率的增大而增大，即往高頻方向移動(dòng)。

2.1.2 微穿孔板板厚對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能的影響

將QRD結(jié)構(gòu)分別與穿孔率一定、板厚不同的微穿孔板復(fù)合，測(cè)量其吸聲系數(shù)，如圖5所示。

從圖5可以明顯發(fā)現(xiàn)，各曲線變化趨勢(shì)在80~1500 Hz內(nèi)大致相同，均在中低頻范圍內(nèi)具有一個(gè)大的吸收峰，且存在明顯的規(guī)律性變化。

(a) 微穿孔板穿孔率為1%

(b) 微穿孔板穿孔率為2%

圖5(a)表示的是一維QRD結(jié)構(gòu)復(fù)合1%穿孔率、板厚分別為0.6、0.7及0.8 mm微穿孔板的吸聲系數(shù)曲線，由圖可見，其吸收峰的所在頻率從678 Hz、656 Hz進(jìn)一步向左移至558 Hz，在1%穿孔率不變的情況下，隨著板厚的增大而減小。半峰寬平均值為357 Hz。

圖5(b)表示的是一維QRD結(jié)構(gòu)復(fù)合2%穿孔率、板厚分別為0.6、0.7及0.8 mm微穿孔板的吸聲系數(shù)曲線，其吸收峰的所在頻率從82 Hz、794 Hz進(jìn)一步向左移至558 Hz，在2%穿孔率不變的情況下，隨著板厚的增大而減小。半峰寬平均值為342 Hz。

圖5(c)表示的是一維QRD結(jié)構(gòu)復(fù)合3%穿孔率、板厚分別為0.6、0.7及0.8 mm微穿孔板的吸聲系數(shù)曲線，由圖可見，其吸收峰的所在頻率從886 Hz、816 Hz進(jìn)一步移至826 Hz，觀察3條復(fù)合曲線吸收峰的右半段，依然可以判斷，在1%穿孔率不變的情況下，隨著板厚的增大，曲線整體左移。半峰寬平均值為387 Hz。

從上述分析中可以得出如下結(jié)論：QRD微穿板復(fù)合結(jié)構(gòu)，吸收峰所在頻率隨板厚的增加而變小，即往低頻方向移動(dòng)。

復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲峰及所在頻率以及半峰寬如表2所示。

表2 QRD微穿孔板復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲峰及半峰寬

3 結(jié)論

本文通過將QRD結(jié)構(gòu)與微穿孔板復(fù)合，擴(kuò)展了微穿孔板的吸聲半峰寬，同時(shí)通過改變微穿孔板的穿孔率和厚度，研究對(duì)微穿孔板QRD復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)的影響。最終得到與微穿孔板相一致的結(jié)論：

(1) 復(fù)合結(jié)構(gòu)吸收峰值頻率隨微穿孔板穿孔率的增大而增大。

(2) 微穿孔板QRD復(fù)合結(jié)構(gòu)，其吸收峰隨板厚的增加而向低頻移動(dòng)。

綜上所述，在與QRD結(jié)構(gòu)復(fù)合之后，微穿孔板吸聲系數(shù)隨穿孔率和板厚的變化趨勢(shì)與之前一致，同時(shí)復(fù)合之后微穿孔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)雙吸聲峰值，大大拓展了吸聲帶寬(半峰寬度在300 Hz以上)。

由此，可以根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)特定頻率的QRD結(jié)構(gòu)，然后與一定尺寸的微穿孔板復(fù)合，使得結(jié)構(gòu)在特定頻率及其諧振頻率具有較高的聲能消耗，實(shí)現(xiàn)具有針對(duì)性的降噪，從而降低項(xiàng)目降噪的盲目性。

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Experimental research on impedance tube of composite structure made by quadratic residue diffuser and micro-perforated plates

LIU Ling1, WANG Jia-chen2, BAO Fei1, CAI Jun1

(1. Shanghai Jiao Tong University, School of Environmental Science and Engineering, Shanghai 200240, China;2. Bayer Technology and Engineering (Shanghai) Co., Ltd, Shanghai 200240, China)

The traditional acoustic absorption structure, due to poor sound absorption effect and narrow absorption band, cannot meet the audio requirements. We combine the quadratic residue diffuser (QRD) which has good diffusion performance with the micro-perforated panel so as to get a better absorption-diffusion structure. The experimental results of the impedance tube show that when micro-perforated plates are combined with QRD, the half-peak width of the micro-perforated plates is improved and they also have two absorption peaks as the QRD structure has. The peak of acoustical absorption coefficient is improved to 0.6 from 0.27 and the width of absorption frequency band improved to 300Hz. The experiment results also show that with the increase of the perforation rate of the micro-perforated plate, the absorption peaks of the composite structures decrease. The absorption frequency band moves to higher frequency along with the increase of the perforation rate of the micro-perforated panel. And the absorption frequency band move to lower frequency along with the increase of the thickness of the micro-perforated panel. With the increase of the thickness of the micro-perforated panel, the absorption peaks of the composite structure decrease.

micro-perforated plate; QRD composite structure; resonance sound absorption structure; absorption coefficient

TB533

A

1000-3630(2015)-02-0162-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.02.012

2014-04-25;

2014-07-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11004133)

劉玲(1988－), 女, 湖北天門人, 碩士, 研究方向?yàn)榄h(huán)境噪聲。

蔡俊, E-mail: juncai@sjtu.edu.cn