共振吸聲體降噪研究與應(yīng)用

張亞虎，任偉

（美的集團(tuán)冰箱事業(yè)部用戶與產(chǎn)品中心，安徽合肥 230601）

共振吸聲體降噪研究與應(yīng)用

張亞虎*，任偉

（美的集團(tuán)冰箱事業(yè)部用戶與產(chǎn)品中心，安徽合肥 230601）

共振吸聲體是利用入射聲波的頻率與自身系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí)，驅(qū)動共振吸聲體板材在聲場中變形共振，從而部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，引起聲能的衰減，達(dá)到吸聲降噪的目的。這種吸聲體在接近共振頻率時(shí)吸聲效果最好。文章首先介紹了共振吸聲體的結(jié)構(gòu)及吸聲原理，接著對設(shè)計(jì)出的幾種共振吸聲體進(jìn)行了吸聲系數(shù)的測試；最后將共振吸聲體應(yīng)用到某冰箱的風(fēng)道噪聲實(shí)驗(yàn)中，使風(fēng)道噪聲大大降低，從而說明了共振吸聲體的降噪功能和效果。

共振吸聲體；共振頻率；吸聲系數(shù)；風(fēng)道噪聲

0　引言

當(dāng)聲能入射到某些材料或結(jié)構(gòu)的表面，而這些材料或結(jié)構(gòu)具有吸收聲能的能力，則稱這些材料或結(jié)構(gòu)為吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)。吸聲材料中的聲能損耗，是由于材料細(xì)孔中的空氣摩擦和這些細(xì)孔的孔壁的導(dǎo)熱性所造成的［1］。特別是在低頻，當(dāng)聲波入射到材料表面時(shí)，這種低頻聲的吸收則是依靠材料的振動來實(shí)現(xiàn)。材料的吸聲能力，用吸聲系數(shù)α來表示，它是材料吸收的聲能與入射到它上面的聲能的比值。吸聲系數(shù)α是根據(jù)聲學(xué)測量而確定的。對于吸聲板材，常用駐波管法［2］進(jìn)行測定，而對于吸聲結(jié)構(gòu)或?qū)τ谌?、家具、設(shè)備等，則采用混響室法進(jìn)行測定。

冰箱的降噪，一般從壓縮機(jī)、風(fēng)道、冷媒音管路等方面入手。壓縮機(jī)的減振降噪一般通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)及殼體厚度［3］，設(shè)計(jì)橡膠墊減震系統(tǒng)［4］等；風(fēng)道的降噪依靠仿真分析，設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低風(fēng)道噪聲［5］；冷媒噪音則需要更改管路走向及結(jié)構(gòu)以降低噪音［6］。由此可以看出，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效降低冰箱噪音，但設(shè)計(jì)周期長、成本高，而吸聲材料成本低、見效快，在冰箱中的應(yīng)用比較廣泛，一般應(yīng)用在冰箱機(jī)械室的后蓋板、冰箱風(fēng)道、箱體內(nèi)膽、壓縮機(jī)艙等，對降低整機(jī)噪聲起到了一定的作用。但是現(xiàn)有用于冰箱的吸聲材料僅僅只是一層單一的隔音結(jié)構(gòu)，最大限度地降低整機(jī)噪聲還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。由此，本文提出了一種單層共振吸聲體結(jié)構(gòu)，它是基于自身系統(tǒng)的共振，引起聲能的衰減而達(dá)到吸聲降噪的目的。

1　共振吸聲體原理

常見的單層共振吸聲體有兩種，一種是穿孔板共振吸聲體［7］，穿孔板背面黏貼薄膜，穿孔板與固定面間保留有空氣層，當(dāng)入射聲波頻率達(dá)到吸聲體結(jié)構(gòu)固有頻率時(shí)，產(chǎn)生共振，此時(shí)穿孔板小孔中空氣柱往復(fù)運(yùn)動的速度最大，摩擦損失最大，吸收的聲能也達(dá)到最大。另外一種是本文所要介紹的薄板共振吸聲體。

如圖1所示，該共振吸聲體是由薄板和板后空氣層組成的共振吸聲系統(tǒng)，空氣層中填充多孔材料，以提高吸聲能力。

圖1　共振吸聲體結(jié)構(gòu)圖

共振吸聲體原理圖如圖2所示，空氣層可以看作為一自由伸縮的變剛度彈簧，其剛度系數(shù)設(shè)為k，空氣層厚度設(shè)為D，薄板可以看作一質(zhì)量為m，面密度為m0的質(zhì)量塊，截面面積設(shè)為A，薄板的變形位移為dx。

圖2　共振吸聲體原理圖

由于系統(tǒng)屬于微小變形，可將剛度系數(shù)k作線性處理，則：

式中：

K——空氣層彈性模量［8］，K=ρc02；

ρ——空氣密度；

c0——聲音在空氣中的傳播速度。

由自由振動方程：

系統(tǒng)固有頻率：

當(dāng)入射聲波頻率接近共振吸聲體系統(tǒng)的頻率時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生共振，此時(shí)吸聲值最高。

將式（1）代入式（3），可以得出：

取ρ為1.2 kg/m3，0c為344 m/s，則：

式（5）為空氣層不添加多孔材料下的固有頻率，當(dāng)在空氣層中添加多孔材料時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)［9］，可知共振吸聲體的固有頻率：

2　共振吸聲體吸聲系數(shù)的測定

針對共振吸聲體空氣層內(nèi)有無填充多孔材料，進(jìn)行其吸聲系數(shù)的測定。

現(xiàn)有一共振吸聲體，薄板采用膠合板，面密度m0為3.5 kg/m2，薄板與硬反射面之間的空氣層厚度D為 5 cm，根據(jù)公式（5）、（6）可以計(jì)算得出：在空氣層填充多孔材料時(shí)，共振頻率f0為145 Hz；在空氣層填充多孔材料時(shí)，共振頻率f0為205 Hz。

通過駐波管法測定該共振吸聲體的吸聲系數(shù)，其實(shí)測結(jié)果，如圖3所示。

圖3　共振吸聲體吸聲系數(shù)實(shí)測值

由圖3可以看出，空氣層填充有多孔吸聲材料時(shí)，能夠顯著提高吸聲系數(shù)的最大值。在此圖中，填充有吸聲材料的最大吸聲值是未填充吸聲材料的近兩倍，同時(shí)最大的吸收移向更低的頻率范圍。

3　共振吸聲體參數(shù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)薄板共振吸聲體時(shí)，需要首先預(yù)測出聲源的聲壓頻譜，以便明確噪聲聲壓級頻譜最大值位于哪個(gè)頻率帶內(nèi)，然后根據(jù)公式（5）、公式（6）將共振頻率 f0等于該峰值頻率。且在已知薄板面密度 m0時(shí)，即可求得空氣層的厚度D。此時(shí)，該共振吸聲體的固有振動頻率與噪聲聲壓級峰值的頻率相吻合，則引起共振，即可最大程度地吸收噪聲聲壓級的峰值，從而使噪聲明顯下降。

由于薄板共振吸聲體吸收峰值的頻帶寬度決定于薄板的面密度 m0和空氣層的厚度 D，因此如果要將其吸聲范圍擴(kuò)大至低頻，則需要增大面密度m0和空氣層的厚度D。如果m0較大，則靠近共振吸收頻率范圍將會縮窄，且D值不宜過大，否則會造成侵占冰箱室內(nèi)空間過多，影響空間的利用。如果要將吸聲范圍移至高頻，則只需減小m0和D。

為了增大薄板共振吸聲體的吸聲系數(shù)及擴(kuò)大吸聲的頻率范圍，一般采用兩種方法可實(shí)現(xiàn)：第一種，利用多孔材料配置在薄板固定處的四周，使薄板減振，或者在薄板后面的空氣層中全部以疏松的材料填充；第二種，可以采用雙層或三層共振吸聲體［10］，即多層共振吸聲體，也能起到很好的吸聲效果。

接下來對某冰箱風(fēng)道噪聲設(shè)計(jì)共振吸聲體，以降低風(fēng)道的噪聲。首先如圖4所示，在背景噪聲為18 dB的半消聲室內(nèi)測量風(fēng)道組件的噪聲，其聲壓頻譜圖，如圖5所示。

圖4　風(fēng)道組件聲壓測試圖

圖5　風(fēng)道噪聲頻譜圖

由圖5可以明顯的看出，風(fēng)道組件的峰值頻帶在500 Hz，為更好地提高吸聲能力，共振吸聲體內(nèi)添加多孔吸聲材料，則由公式（3）可以求得空氣層厚度，且選用薄板的面密度m0為1 kg/m2，則空氣層厚度D約為1.5 cm。

共振吸聲體安裝于風(fēng)道組件內(nèi)后，重新測量風(fēng)道組件的聲壓頻譜，并與裝載吸聲體前的聲壓頻譜對比，如圖6所示。

圖6　風(fēng)道噪聲頻譜對比圖

由圖 6可以明顯的看出，在頻帶 250 Hz～800 Hz，風(fēng)道聲壓級均有明顯的降低，且在共振頻率500 Hz處，聲壓值下降尤為明顯，下降達(dá)12 dB。

為驗(yàn)證共振吸聲體結(jié)構(gòu)的吸聲效果，排除空氣層內(nèi)吸聲材料的干擾，現(xiàn)將上述風(fēng)道中共振吸聲體內(nèi)的吸聲材料取出，再次測量此時(shí)風(fēng)道噪聲，頻譜如圖7所示。

圖7　無填充材料與原風(fēng)道頻譜對比圖

由圖7可以看出，頻譜在630 Hz、800 Hz處的聲壓下降明顯，而該共振減振體將空氣層中的多孔材料去除，按照公式（5）計(jì)算，則此時(shí)共振吸聲體的共振吸聲頻率為 700 Hz，正好驗(yàn)證了中心頻率在630 Hz、800 Hz處頻帶聲壓降低最明顯。

通過在共振吸聲體空氣層內(nèi)部添加和不添加多孔材料風(fēng)道噪聲實(shí)驗(yàn)，風(fēng)道噪聲在相應(yīng)共振吸聲頻帶均得到明顯下降，從而說明了該結(jié)構(gòu)共振吸聲的降噪機(jī)理，而非由于多孔材料的添加，由此進(jìn)一步充分驗(yàn)證了該共振吸聲體顯著的吸聲降噪效果。

4　結(jié)論

本文介紹了一種共振吸聲體的設(shè)計(jì)方法，它是利用吸聲體的共振頻率與噪聲聲壓級峰值頻率相吻合引起共振的方法，最大限度地吸收噪聲聲壓級的峰值，進(jìn)而顯著降低噪聲。文章介紹了吸聲體在空氣層有無填充多孔吸聲材料的計(jì)算方法，并對這兩種方法設(shè)計(jì)的吸聲體進(jìn)行了吸聲系數(shù)的測定，表明空氣層填充多孔吸聲材料，能夠顯著提高吸聲系數(shù)的最大值，且吸聲頻率范圍得到擴(kuò)展。最后根據(jù)風(fēng)道噪聲的頻譜特點(diǎn)，確定了吸聲體的尺寸參數(shù)，裝配后風(fēng)道噪聲共振頻帶的噪聲聲壓級明顯下降，進(jìn)而表明了共振吸聲體顯著的吸聲降噪效果。

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Research and Application of Resonance Sound Absorber in Noise Reduction

ZHANG Ya-hu*， REN Wei
（User &Product Center Refrigerator Division， Midea Group， Hefei， Anhui 230601， China）

When the frequency of the incident sound wave is near the natural frequency of resonance sound absorber， it drives the board of the body deformation in the sound field because of the resonance， which transforms part of the sound energy into heat energy to weaken the sound energy and then to reduce the noise. The sound absorption effect is at maximum when the frequency of the sound absorber is close to the resonance frequency. In the present study， the structure and the sound absorption principle of the resonance sound absorber were introduced， and then the measurements for the absorption coefficient of the designed resonance sound absorbers were performed. Finally the resonance sound absorber is applied to the the air duct of a refrigerator， and the air duct noise was drastically reduced， which shows the function and effect of the resonance sound absorbing body on noise reduction.

Resonance sound absorber； Resonance frequency； Absorption coefficient； Air duct noise

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.202

*張亞虎（1986-），男，噪音工程師，碩士。研究方向：噪聲源識別與低噪聲設(shè)計(jì)。聯(lián)系地址：安徽省合肥市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)錦繡大道176號美的冰箱事業(yè)部，郵編：230601。聯(lián)系電話：0551-62213365。E-mail：zhangyh7@midea.com.cn。