管道中微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能測試與分析

呂金磊，彭　強(qiáng)，王海鋒

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點(diǎn)試驗室，四川 綿陽 621000)

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管道中微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能測試與分析

呂金磊，彭強(qiáng)，王海鋒

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點(diǎn)試驗室，四川 綿陽 621000)

摘要：文章采用實(shí)驗和數(shù)值仿真的方法，對影響微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能的設(shè)計參數(shù)，包括板厚，開孔孔徑，開孔率等進(jìn)行深入細(xì)致的研究。其中實(shí)驗內(nèi)容主要在駐波管以及一個管道型的測試平臺上進(jìn)行，駐波管相關(guān)的研究內(nèi)容用于佐證管道實(shí)驗的準(zhǔn)確性；數(shù)值仿真采取一種求極值點(diǎn)的算法，利用這一算法可以繞開對經(jīng)典方程的求解，而直接確定微孔的聲共振點(diǎn)，也即最大噪聲吸收位置，通過共振點(diǎn)附近兩條曲線的疊加確定吸聲帶寬的變化規(guī)律。實(shí)驗和仿真結(jié)果的變化趨勢一致。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；噪聲；微穿孔板；風(fēng)洞

微穿孔板自身具有一定聲阻和聲抗，如果在其背面設(shè)置一定厚度的空腔，就可以得到一種全金屬降噪結(jié)構(gòu)，其降噪理論最早由馬大猷于1975年提出，并分別于1985年和1997年進(jìn)一步完善了該理論[1–3]。國內(nèi)的科研工作者圍繞這一理論開展了大量的實(shí)驗研究與應(yīng)用開發(fā)工作。1987年成功將微穿孔用于通風(fēng)百葉窗的降噪設(shè)計，該項目使用了具有透明空腔，孔徑0.8 mm的微穿孔板，平行排列，降噪量達(dá)到10 dB(A)～15 dB(A)。進(jìn)入90年代，微穿孔板被廣泛應(yīng)用于噪聲控制工程、廳堂音質(zhì)的改善、大型體育場館的吸聲吊頂?shù)确矫?。另外，需要清潔環(huán)境的精密生產(chǎn)車間、通風(fēng)系統(tǒng)，路橋聲屏障等都有使用微穿孔板進(jìn)行降噪設(shè)計的成功案例。但是，微穿孔板設(shè)計參數(shù)對于其整體聲學(xué)性能的影響很大，以致于這種結(jié)構(gòu)很少用于強(qiáng)噪聲環(huán)境的噪聲治理。

近年來，一些研究機(jī)構(gòu)針對微穿孔板的降噪機(jī)理開展研究，沈蘇等采用了外加旁路的方式分析了微穿孔板參數(shù)對管道負(fù)載聲阻抗的作用[4]；何飛燕等研究了孔的形狀對微穿孔板吸聲系數(shù)和頻帶的影響[5]；周城光等利用實(shí)驗驗證了雙層微穿孔板在高聲強(qiáng)下的聲學(xué)性能[6]。但是這些研究還只停留在實(shí)驗室內(nèi)，距工程實(shí)際應(yīng)用還有距離。

本文介紹微穿孔板在管道降噪過程中的嘗試，結(jié)合數(shù)值仿真結(jié)果，對影響其聲學(xué)特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行深入的分析。

1　實(shí)驗結(jié)果及分析

實(shí)驗研究包括兩部分內(nèi)容，分別為駐波管測試和聲學(xué)性能管道平臺測試，其中駐波管測試所使用的試件較為簡單，與實(shí)際使用的狀態(tài)有一定的差別，用于輔助證明平臺測試和數(shù)值仿真結(jié)果的正確性；管道測試共對六種實(shí)驗狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗測試。

實(shí)驗中采用四種微穿孔板，見表1，所有微孔孔徑均為0.8 mm。

表1　微穿孔板參數(shù)

1.1駐波管測試

駐波管是一種測量材料吸聲系數(shù)的儀器，見圖1，其主要部分是一根內(nèi)壁光滑，截面均勻的管子，管子的末端安裝被測材料樣品，由揚(yáng)聲器向管子中輻射聲波。當(dāng)管中聲波傳播的頻率與管子橫截面幾何尺寸滿足下列關(guān)系時，則只有沿管軸向傳播的平面波f<(1.84/π)×(c0/d)(1)

式中d——圓管直徑；

c0——空氣中的聲速。

圖1　駐波管示意圖

平面波在材料表面反射回來，其結(jié)果是在管中建立了駐波聲場，在測試儀器上測出聲壓極大與極小的聲級差便可確定垂直入射吸聲系數(shù)。本實(shí)驗中使用的測量管直徑96 mm，長1 000 mm，按照公式（1）以及峰谷數(shù)量的限制，測試頻率范圍90 Hz～2 075 Hz，實(shí)際采樣范圍90 Hz～1 600 Hz。其測量原理性公式為

式中α——吸聲系數(shù)；

r——反射系數(shù)；

s——駐波比。

材料或結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)直接由駐波管測得的噪聲聲壓級峰值和谷值計算得到。

圖2—圖4是對微穿孔板試件的測試結(jié)果。圖2采用1#試件，不同背腔厚度D時試件的聲學(xué)性能，可以看出，背腔是微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對其聲學(xué)性能的影響非常明顯，無背腔結(jié)構(gòu)（D=0）時，結(jié)構(gòu)不具備吸聲功能，隨著D數(shù)值的增大，較低頻段的吸聲效果變好，同時在更高頻區(qū)域中有變好的趨勢（D=150，駐波管所能設(shè)置的最大背腔深度）。從圖3可知，1 600 Hz以下頻率范圍內(nèi)，背腔D=100 mm條件下，2#試件具有最好的聲學(xué)性能。圖4對比了相同穿孔率，不同厚度微穿孔板的吸聲系數(shù)。

圖2　駐波管實(shí)驗對比曲線

圖3　駐波管實(shí)驗對比曲線

圖4　駐波管實(shí)驗對比曲線

1.2管道測試

測試管道是根據(jù)某風(fēng)洞實(shí)際使用工況設(shè)計的一種可變參數(shù)管道消聲器測試平臺，與實(shí)際風(fēng)洞不同的是其內(nèi)部氣體介質(zhì)沒有流動，見圖5。測試平臺由管道主體，插入式背腔，微穿孔板，定頻標(biāo)準(zhǔn)聲源，噪聲采集系統(tǒng)，管道出口吸聲組件等六個部分組成。出口吸聲組件用以規(guī)避管道內(nèi)部駐波的產(chǎn)生，而噪聲主要以平面波的形式存在，以便實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的采集。

管道主體為鋼結(jié)構(gòu)，測試截面300 mm×400 mm，允許的最大試件長度1 000 mm。共設(shè)計了六個實(shí)驗狀態(tài)，分別為無孔的基板，1#，2#，3#，4#以及1#（上）、2#（下）的雙層組合結(jié)構(gòu)，所有單層試件采用恒定的背腔，D＝295 mm，1#、2#雙層組合結(jié)構(gòu)中，1# 與2#微穿孔板間距100 mm。

圖5　管道測試平臺

測試時，噪聲強(qiáng)度由麥克風(fēng)測量，在每個截面的上下左右表面各設(shè)置一個測點(diǎn)，以四個點(diǎn)的平均值代替該截面的噪聲強(qiáng)度，聲源放置于管道的一端（封閉端），所輻射噪聲強(qiáng)度由麥克風(fēng)1測量，經(jīng)過吸聲功能段，到達(dá)麥克風(fēng)2。麥克風(fēng)1、2測得的聲壓級之差即為消聲器的傳聲損失。

圖6給出了微穿孔板吸聲性能與普通薄鋼板的噪聲衰減曲線，由于微穿孔板自身阻抗的作用，吸聲體對整個測試頻率范圍內(nèi)的噪聲都有一定的抑制作用，而厚度以及連接條件與微穿孔板完全一樣的無孔普通鋼板，對噪聲的影響很小。

圖6　微穿孔板與普通鋼板聲學(xué)性能對比曲線

圖7對比了不同穿孔率的影響，1#試件穿孔率2%，2#為1%，從實(shí)驗對比曲線看不出二者明顯的差異；圖8是使用相同穿孔率，不同板厚微穿孔板試件的降噪性能對比曲線，三條曲線高頻差異明顯，3#（板厚0.8 mm）、2#（板厚0.6 mm）、4#（板厚1 mm）降噪效果遞減。圖9是單層與雙層微穿孔板降噪結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能，其中單層結(jié)構(gòu)采用1#試件，雙層結(jié)構(gòu)表面采用1#微穿孔板，內(nèi)部采用2#。與單層結(jié)構(gòu)相比，雙層結(jié)構(gòu)的作用頻帶明顯變寬，但是峰值部分有所減弱。

圖7　不同穿孔率對吸聲系數(shù)的影響曲線

圖8　不同板厚對吸聲系數(shù)的影響曲線

圖9　單層與雙層微穿孔板降噪結(jié)構(gòu)對比曲線

2　仿真分析

決定微穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲性能的參數(shù)為微孔直徑d，孔板厚度t，孔間距b，以及孔板背后空腔H。微穿孔板的評價參數(shù)為吸聲系數(shù)α，帶寬Δf，高吸聲系數(shù)，寬作用帶寬分別與高聲阻，低聲質(zhì)量相聯(lián)系，如何匹配結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到這一要求是設(shè)計成敗的關(guān)鍵。

按照經(jīng)典理論，微穿孔板正入射吸聲系數(shù)可表示為[1]

聲阻

聲質(zhì)量穿孔常數(shù)式中

ω——角頻率；

t——板厚，mm；

d——穿孔直徑，mm；

f0——孔板共振頻率，Hz；

p——孔板穿孔率百分比，%；

D——板后空腔，m。

當(dāng)滿足下面條件為吸聲系數(shù)達(dá)到最大。此時的吸聲系數(shù)為

對試件模型進(jìn)行仿真，可得到圖10、圖11，圖中正切曲線與直線的交點(diǎn)處滿足式（12）條件，吸聲系數(shù)達(dá)到峰值。從圖10可以看出空腔厚度與吸聲作用頻帶的關(guān)系，空腔越深，第一個吸聲峰值對應(yīng)的頻率越低，與前面的實(shí)驗結(jié)果完全一致。而另一方面，空腔的深度是不影響系統(tǒng)的聲阻的，也即吸聲峰值大小與空腔深度無關(guān)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對峰值和頻率的雙重控制。

圖10　吸聲體共振發(fā)生頻率仿真曲線1

圖11仿真的模型參數(shù)與1#—4#四種微穿孔板試件相對應(yīng)，從曲線上可以看出，在高頻部分，吸聲結(jié)構(gòu)的作用頻帶迅速收窄，這一規(guī)律正好可以解釋實(shí)驗頻譜中出現(xiàn)多處尖峰的現(xiàn)象。四種試件對比，1#，4#，2#，3#的吸聲頻依次收窄，但是實(shí)驗中沒有觀察到類似的現(xiàn)象，具體原因還有待進(jìn)一步探討。

圖11　吸聲體共振發(fā)生頻率仿真曲線2

根據(jù)仿真結(jié)果，四種試件的聲學(xué)性能參數(shù)列于表2，吸聲系數(shù)略低于實(shí)驗結(jié)果，但是兩者具有一致的變化趨勢。

表2　微穿孔板吸聲體仿真結(jié)果

3結(jié)　語

通過研究，得到以下四點(diǎn)結(jié)論：

(1)微穿孔板吸聲體背腔直接影響著微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的作用頻帶，背腔厚度越大，吸聲系數(shù)的第一個峰值越向低頻區(qū)域移動；相對于開孔率，微穿孔板的板厚對最終吸聲性能的影響更大；1#、2#雙層組合結(jié)構(gòu)可以有效增加吸聲帶寬；

(2)所設(shè)計的多個試件，2#的低頻聲學(xué)性能優(yōu)于其他幾件，3#在高頻區(qū)域降噪效果更好，可以根據(jù)不同的聲源有針對性的選擇使用；

(3)通過與駐波管實(shí)驗的對比，以及數(shù)值仿真，證明測試平臺的方案合理，可以用于開展下一步的降噪設(shè)計工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬大猷.微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的理論和設(shè)計[J].中國科學(xué)，1975（1）：38-50.

[2]MAA D Y.Microperforated-panel wideband absorbers[J]. Noise Control Eng.J.,1987,29(3):77-84.

[3]MAA D Y.Potential of microperforated panel absorbers [C].J.Acoust.Soc.Am,1998,104:2861-2866.

[4]沈蘇，Goran Pavic，劉碧龍，等.微穿孔板結(jié)構(gòu)在管道聲源特性測量中的應(yīng)用分析[J].聲學(xué)學(xué)報，2011，36（3）：281-290.

[5]何飛燕，扈西枝，陳挺.孔截面變化對厚微穿孔板吸聲性能的影響[J].噪聲與振動控制，2010，30(1)：141-144.

[6]周城光，李曉東，田靜.雙層穿孔板共振器的非線性聲學(xué)特性研究[J].聲學(xué)技術(shù)，2007，26（5）：980-981.

中圖分類號：O422.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.042

文章編號：1006-1355(2016)01-0200-04

收稿日期：2015-05-13

作者簡介：呂金磊（1980-），男，河南杞縣人，中國空氣動力研究與發(fā)展中心工程師，碩士，主要從事噪聲與振動控制工程研究。E-mail:36065024@QQ.com

Acoustics Property Measurement andAnalysis of Micro-perforated PanelAbsorber in Pipeline

LV Jin-lei,PENGQiang,WANG Hai-feng

(State Key Laboratory ofAerodynamics,ChinaAerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000,Sichuan China)

Abstract:Methods of experimental and numerical simulation were used to study the effects of the design parameters, such as thickness,aperture and perforation rate,on the acoustic performance of the absorbers with the micro-perforated panels.The experiment contents were mainly processed on a stationary-wave tube and a pipe-type test platform.The experiment contents relevant to the stationary wave tube were used to prove the correctness of the experiments.An algorithm for finding extreme points was taken in numerical simulation.Using this algorithm could help to directly determine the resonance points,i.e.the maximum noise absorption positions in the pores without solving the classical equations.On the other hand,the variation of sound absorption bandwidth could be determined by superimposing the two curves near the resonance points.The variation trends of the experimental and simulation results were consistent.

Key word:acoustics;noise;micro-perforated panel;wind tunnel