错位穿孔板吸声性能的实验研究

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错位穿孔板吸声性能的实验研究

文章出处：技术资讯网责任编辑admin 阅读量：发表时间：2021-03-16 10:07

作为未来吸声材料与吸声结构设计的重要发展方向，微穿孔吸声结构已经被广泛应用于消声、吸声领域。1975年，马大猷先生结合克兰德尔有关圆管内的声波传播理论与殷伽有关于声阻抗的修正研究，开创性地提出了微穿孔吸声结构这一概念及相关理论。微穿孔板理论提出的四十余年来，在经典理论的基础上，研究人员从材质、结构等角度出发针对微穿孔板吸声性能的优化做了大量工作。
随着有关微穿孔吸声结构研究的不断深入，有研究人员开始通过实验或者理论推导探讨变截面微穿孔板的声学特性。2000年，Randeberg分别应用积分法、有限差分法与有限元的方法研究了孔形为喇叭状的微穿孔板的吸声性能。有限差分法对喇叭状微穿孔板的仿真结果证明，通过合理设计喇叭穿孔的形状，有可能制得高吸声系数且宽吸声带宽的微穿孔板。然而由于仿真精度有待提高，该结果仅表明喇叭形微穿孔板的吸声性能非常具有“潜力”，其可行性还有待验证。2008年， Sakagami设计了一种较厚的锥形孔穿孔板作为室内装饰吸声材料，并通过实验证明这种穿孔板能够达到有效的吸声效果。2009年，何立燕通过溶芯浇注的方法制备了10mm厚的变截面穿孔板，并对变截面穿孔板的阻抗进行理论分析，实验证明大锥形孔截面能够拓宽吸声频带、增大各频带的吸声系数，小锥形孔与阶梯形孔仅将共振频率略向低频移动。2009年，卢伟健在马大猷理论基础上，分析了（突）变截面微穿孔板的吸声性能，通过阻抗管实验验证0.3mm厚的变截面微穿孔板得到了较好的效果、与0.1mm厚的穿孔板效果类似。2012年，吕忠达设计了一种变截面双空腔吸声结构，通过混响室试验测定，该吸声结构在250-1000Hz中低频的吸声系数在0.65以上，总体降噪系数大于0.60，较微穿孔板的降噪效果有显著提升。2013年， Herdtle应用CFD计算流体力学建立了圆形、锥形孔洞微穿孔板模型，并以案例的形式比较了马大猷、Guo、Bolton and Kim的理论计算结果与CFD的计算结果。2014年，王静云利用粒子群优化算法，在R. T. Randeberg变截面微穿孔板的半解析模型的基础上，优化设计锥形孔、对数形孔厚微穿孔板的结构参数，对板厚、锥形孔大直径、锥形孔小直径、孔间距分别进行了1~4个参数优化。2017年，Auriemma设计了一种微槽吸声结构，该结构由上下两层不同结构的薄板组成，与典型微穿孔吸声结构相比，该结构在线性与非线性区域的吸声表现均优于传统微穿孔吸声结构。
以上研究表明，通过对微穿孔板孔型截面进行设计优化，有可能在增加板厚的同时保持或者提高微穿孔板的吸声性能。基于变截面微穿孔板的以上优势，本文设计提出了一种通过错位穿孔方法得到的变截面微穿孔吸声结构，并通过阻抗管实验研究其板厚对其吸声性能的影响。
1 错位穿孔吸声结构设计
根据经典微穿孔板理论，理想的微穿孔吸声结构设计应尽量在增加吸声结构阻的过程中尽可能的减小抗的增加。同时在实际应用中，虽然微穿孔板的吸声性能已经达到甚至优于使用需求，但是往往因为微穿孔板厚度过薄、强度过小而不能使用。出于上述考虑，本文对错位穿孔吸声结构进行了设计及优化，错位吸声孔由两层孔径为d的基础大孔所形成的开放空间与一个含有无厚度的错位宽度为dc的微孔阶梯结构构成，在保留阻的同时尽可能的减小抗的作用。
本文所设计的错位穿孔吸声结构如图1-3所示，错位穿孔吸声结构由两层依次排列的穿孔板组成，相邻子板之间紧密地相贴合，穿孔板上基础穿孔错位连通，形成错位孔隙。该结构使得上下两层孔基础大孔作为开放空间的同时形成一个含有无厚度微孔的阶梯结构，在保留阻的同时尽可能的减小抗的作用。由于声流动进入、流出该阶梯结构需要摩擦板面从而消耗能量增加声阻，而声波穿过的微孔厚度为零，因此考虑其对应质量抗极小。与此同时，该错位穿孔结构由两层普通穿孔板叠加而成，能够很好的解决微穿孔板过薄所需要面临的强度问题。

2 实验研究
为研究错位穿孔吸声结构的吸声性能，本文设计加工了一组树脂材料的微穿孔吸声结构，根据ISO（10534-2）标准采用BK阻抗管实验测得声波正入射条件下的吸声系数，具体参数如表1所示。本文对24个不同结构参数的错位穿孔吸声结构进行了实验，其中基础孔径为1mm或2mm、孔间距为2.5mm或 8mm、错位孔径为0.3-0.6mm，比较错位板在各组条件下的吸声效果。

选取6组错位距离为0.3mm、背腔深度为10mm的实验进行分析，其中图4（a）板厚为1mm和2mm、基础孔径为1mm、孔间距为2.5mm，图4（b）板厚为1mm和2mm、基础孔径为1mm、孔间距为8mm，图4（c）板厚为1mm和2mm、基础孔径为2mm、孔间距为8mm。
由图4易知，错位穿孔吸声结构通过设计均能够具备较好的吸声性能。图4（a）薄厚板两条吸声曲线的吸声峰值在3000Hz前后，薄板的吸声峰值高于厚板、带宽宽于薄板；图4（b）和图4（c），薄厚板两条吸声曲线的吸声峰值均大于0.8、在1000Hz-1500Hz之间，吸声峰值及带宽基本一致，但薄板在频率3000Hz左右出现额外的共振峰，考虑本实验所采用的样品由树脂材料制成，初步分析该峰为薄板自身材质因素引起的板振现象。

统计24个样品的实验结果，分析板厚与基础孔径对错位穿孔吸声结构的影响。首先分析板厚对吸声性能的影响，将实验结果分为12组，对比分析错位板在各组条件下板厚为1mm或2mm的吸声效果。在12组中有83.3%情况下薄板厚板吸声效果相似；在9组最大吸声系数大于0.8对比组中，有77.8%的情况两者吸声效果相似。由此可知，在错位穿孔吸声结构的设计中，薄板更具备吸声优势，然而在多数情况下厚板与薄板的吸声效果一致、且能达到较好的吸声效果。
而后分析基础孔径对吸声性能的影响，将实验结果分为10组，对比分析错位板在各组条件下基础孔径为1mm或2mm的吸声效果。在10个对比组中，小基础孔径效果更好的为4组：其中3组板厚1mm、1组板厚2mm；2组错位孔径0.5mm，2组错位孔径0.6mm。大基础孔径效果更好的为3组：3组板厚均为2mm；错位孔径分别为0.3/0.4/0.5mm。大、小基础孔径效果相似的为3组：3组板厚均为1mm；错位孔径分别为0.3/0.4/0.6mm。由此可知，与传统微穿中孔径与板厚的关系类似，想要得到更好的吸声效果，板厚越厚所对应的孔径越大。对于薄板，在某些条件下，基础孔径的大小对吸声效果的影响不大，也就是大基础孔径可以得到与小基础孔径类似的吸声效果。
3 结论
根据经典微穿孔板吸声理论，板厚、孔径均小于1 mm的薄板微穿孔吸声结构能够达到较为理想的吸声效果，然而薄板、微孔不仅需要高精度的加工工艺，同时也带来了吸声结构强度差的实际工程问题。从这一问题出发，本文尝试将两块大孔径有一定刚度、厚度的穿孔板以小于毫米级的长度错位叠放，使得上下两层大孔作为开放空间的同时形成一个含有无厚度微孔的阶梯吸声结构。基于本实验，可以初步认为厚板、大基础孔径的错位穿孔吸声结构，通过设计能达到较好的吸声效果，从而实现降低加工难度、增大穿孔板强度的目的。与传统微穿孔板相比，错位穿孔板在吸声效果、结构强度方面呈现了更为优良的性质，具有良好的研究价值和应用前景。

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