L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能研究

蓋曉玲， 李賢徽， 邢 拓， 張 斌， 蔡澤農(nóng)， 王 芳， 韓 鈺

(1.環(huán)境噪聲與振動北京市重點實驗室， 北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所， 北京 100054；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院， 北京 102211)

微穿孔板最早是由我國著名科學(xué)家，中科院院士馬大猷教授[1-2]在20世紀(jì)60年代提出的共振吸聲結(jié)構(gòu)，通過近年的發(fā)展，已取得豐碩的研究成果。微穿孔板具有清潔、無污染、耐高溫、耐腐蝕、能承受高速氣流沖擊的特點，是一種高聲阻、低聲質(zhì)量的共振吸聲體，具有良好的吸聲特性。在共振吸聲結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)具有寬吸聲頻帶的特性，因此，在吸聲降噪和改善室內(nèi)音質(zhì)方面有著十分廣泛的應(yīng)用[3-5]。當(dāng)前，關(guān)于微穿孔板的研究工作主要集中在對微穿孔板吸聲性能的預(yù)測和提高微穿孔板吸聲性能方面[6-14]。在提高微穿孔板吸聲性能方面，人們在微孔的作用方面做了很多工作。盧偉健等[10]研究了微孔截面在一定位置發(fā)生突變的微穿孔板的吸聲性能。研究發(fā)現(xiàn)變截面微穿孔板的吸聲性能主要由孔徑較小的部分決定，孔徑較大的部分主要是增加了板的厚度，對板的吸聲性能貢獻(xiàn)較小。Randeberg[11]研究了錐形微穿孔板的吸聲性能，發(fā)現(xiàn)錐形穿孔的微穿孔板的吸聲帶寬比圓柱型穿孔的微穿孔板的吸聲帶寬有所拓寬。何立燕等[12]研究了孔截面變化對厚微穿孔板吸聲性能的影響，實驗結(jié)果表明當(dāng)直通孔變?yōu)樽兘孛婵缀?，吸聲頻帶有所拓寬。Qian等[13]研究了超微孔微穿孔板的吸聲性能，發(fā)現(xiàn)超微孔微穿孔板具有更好的吸聲性能。呂亞東等[14]對微穿孔板吸聲體的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，在微穿孔板理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計了等管束式穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)，有助于提高高頻吸聲效果，拓寬吸聲頻帶。李唐[15]對不等腔微穿孔板組合吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲特性進(jìn)行了研究，給出了不等腔微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)垂直入射吸聲系數(shù)的計算方法，發(fā)現(xiàn)不等腔微穿孔板吸聲體的共振頻率不是單一的值，加寬了吸聲頻帶寬度。Tao等[16]研究了帶有分流揚聲器的微穿孔板的聲學(xué)性能，可以在一定程度上拓寬微穿孔板的吸聲帶寬。Gai等[17-18]研究了微穿孔板結(jié)合薄膜單元的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能，發(fā)現(xiàn)增加薄膜單元后可以改善微穿孔板結(jié)構(gòu)的吸聲性能。鑲嵌亥姆霍茲共振器的微穿孔板結(jié)構(gòu)也能在低頻處引入額外的共振峰，改善單層微穿孔板的吸聲性能。

在研究不同分割背腔的微穿孔板結(jié)構(gòu)時，發(fā)現(xiàn)很多分割背腔結(jié)構(gòu)沒有充分利用好微穿孔板后的背腔空間，鑒于此，本文設(shè)計了一種L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，基于微穿孔板吸聲理論和聲電等效電路原理，建立了L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲電等效電路模型，利用數(shù)值模擬和實驗研究的方法對L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

在聲波垂直入射情況下， L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖及相應(yīng)的等效電路圖如圖1和2所示。

圖1 2腔L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 A schematic diagram of MPP with L type two cavity structure

圖2 2腔L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲-電等效電路圖Fig.1 The equivalent circuit of MPP with L type two cavity structure

根據(jù)L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲-電等效電路圖可以求得L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲阻抗率：

L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)：

2 L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能

圖3 為實驗制備的2腔L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，D1=70 mm,D=100 mm。微穿孔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)為，穿孔率σ=4.2%，穿孔直徑d=0.2 mm，穿孔板厚度t=1 mm。圖4 為加 L 型分隔背腔前后微穿孔板吸聲性能的對比曲線。從圖中可以看出，增加L 型分隔背腔以后，微穿孔板的的低頻和中頻的性能都得到了改善。圖5 為阻抗管實驗測得的L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能與數(shù)值模擬的結(jié)果的比較。結(jié)果顯示數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致。圖6和7 給出了加 L型分割背腔前后的微穿孔板結(jié)構(gòu)聲阻抗的變化。圖6顯示，當(dāng)頻率低于690 Hz時，加 L型分割背腔后，吸聲結(jié)構(gòu)的聲阻高于單層微穿孔板結(jié)構(gòu)。當(dāng)頻率高于690 Hz時， L型分割背腔結(jié)構(gòu)的聲阻低于單層微穿孔板結(jié)構(gòu)的聲阻。圖7顯示，當(dāng)頻率大于234 Hz時，分隔背腔結(jié)構(gòu)能提供更高的聲抗。

圖3 2腔L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的背腔(D1=70 mm, D=100 mm)Fig.3 The cavity of MPP with L type cavity structure(D1=70 mm, D=100 mm)

圖4 加 L型分割背腔前后的微穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能Fig.4 Sound absorption of MPP with L type two cavitiesstructure and withoutdivision cavity structure

圖5 L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能Fig.5 Comparison of the experimental values of absorptioncoefficient and the predicted values for theMPP with L type two cavities structure

圖6 加 L型分割背腔前后的微穿孔板結(jié)構(gòu)聲阻的變化Fig.6 Measured resistance of MPP with L type twocavities structure and without division cavity structure

圖7 加 L型分割背腔前后的微穿孔板結(jié)構(gòu)聲抗的變化Fig.7 Measured reactance of MPP with L type twocavities structure and without division cavity structure

3 N腔L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能

在聲波垂直入射情況下，L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的的結(jié)構(gòu)示意圖及相應(yīng)的等效電路圖如圖8和9所示。

圖8 N腔L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 A schematic diagram of MPP with L type multiple cavities

圖9 N腔L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲-電等效電路圖Fig.9 The equivalent electrical circuit of MPP with Ltype multiple cavities structure

根據(jù)N腔L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲-電等效電路圖可以求得N腔L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲阻抗率：

圖10為實驗制備的3腔L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，D1=55 mm，D2=75 mm，D=100 mm。微穿孔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)為，穿孔率σ=4.2%，穿孔直徑d=0.2 mm，穿孔板厚度t=1 mm。圖11為3腔L 型分隔背腔微穿孔板的等效腔深。圖12為加3腔L 型分隔背腔前后微穿孔板吸聲性能的對比曲線。從圖中可以看出，增加3腔L 型分隔背腔以后，微穿孔板的的低頻和中頻的性能都得到了改善。相對于分割兩腔結(jié)構(gòu)，分割三腔結(jié)構(gòu)在1 400 Hz附近吸聲系數(shù)有所提高。圖13和14 給出了加3腔L型分割背腔前后的微穿孔板結(jié)構(gòu)聲阻抗的變化。圖15顯示，實驗結(jié)果和數(shù)值仿真結(jié)果比較接近。

圖10 3腔 L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的背腔(D1=55 mm，D2=75 mm，D=100 mm)Fig.10 The cavity of the MPP with L type three cavities structure

圖11 3腔L型分割背腔的等效腔深(mm)Fig.11 Schematic diagram of sample structure andthe equivalent cavity depth(mm)

圖12 3腔L型分割背腔前后的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線Fig.12 Sound absorption of MPP with L typethree cavities structure

圖13 3腔L型分割背腔前后的微穿孔板結(jié)構(gòu)聲阻的變化Fig.13 Measured resistance of MPP with L type three cavitiesstructure and without division cavity struture

圖14 3腔L型分割背腔前后的微穿孔板結(jié)構(gòu)聲抗的變化Fig.14 Measured resistance of MPP with L type threecavities structure and without cavity struture

圖15 3腔L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能Fig.15 Comparison of the experimental values of the absorptioncoefficient and predicted values by the MPP withL type three cavities structure

4 結(jié) 論

設(shè)計了一種L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，基于微穿孔板吸聲理論和聲電等效電路原理，建立了L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲電等效電路模型。實驗結(jié)果顯示增加了L型分隔背腔結(jié)構(gòu)后，微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲阻和聲抗發(fā)生了明顯的變化。數(shù)值模擬的吸聲性能曲線和阻抗管實驗測得的吸聲性能曲線非常接近。從目前的實驗結(jié)果看：相對微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)吸聲特性，L型分隔背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲峰值略微降低，但吸聲帶寬明顯拓寬。所以，L型分割背腔的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)能很好的改善單層微穿孔板結(jié)構(gòu)低頻吸聲性能。