提升微穿孔板吸声结构低频吸声性能的研究

摘要

微穿孔板吸声结构利用穿孔自身的声阻来控制结构的相对声阻率，不需填充吸声材料，避免了二次污染，而且可以应用在对清洁度要求高、高温等条件下，是一种理想的绿色吸声体。自从马大猷教授建立微穿孔板理论以来，对其研究一直受到关注。微穿孔板结构是一种共振吸声结构，要在低频取得理想的吸声性能需要较大的背腔，整个吸声结构也需占据较大的空间，然而实际的噪声控制工程中，由于空间条件的限制，微穿孔板结构的低频吸声性能不理想。本文致力于提高微穿孔板结构的低频吸声性能，具体工作如下：
　　 总结了微穿孔板结构基本声学单元的声阻抗。声电类比法是目前计算微穿孔板结构的常用方法，该方法采用集总参数进行计算；使用传递矩阵法计算微穿孔板结构的吸声系数是新发展的计算方法，该方法考虑到空腔中声的传播。通过实验对比了这两种算法，结果表明声电类比法适用于空腔较短、频率较低的情况，传递矩阵法更为合理，计算更为准确，该方法把复杂的结构分解为若干个基本单元进行处理，更适合于微穿孔板多层结构的计算和与机械阻尼的结合结构的计算。通过上述对比，为后面的研究提供基础。
　　 传统微穿孔板结构背板是刚性的，有短管和空腔两个基本声学单元，考虑设法增加一个声学单元，来改善其低频吸声性能。增加的声学单元是机械阻尼结构，其在共振频率处有吸声效果，首先对这种结构进行研究。具体做法是把一层粘弹性材料粘贴在刚性的背板上，此机械阻尼结构可看成是单自由度振动系统，通过其运动方程可求得结构的力阻抗，进而得到计算结构吸声系数所需的声阻抗。对于结构声阻抗中的未知参数阻尼系数和刚度，本文采用半功率带宽法测量。对这种机械阻尼结构进行观察，合理地设计阻尼系数和刚度后，其在共振频率附近有一个明显的吸声峰，偏离了共振频率则没有明显的吸声效果。
　　 把机械阻尼结构的共振频率设计在较低频率处，利用微穿孔板结构和机械阻尼结构在吸声频带上的不同，把两种结构结合在一起，综合考察其吸声性能。利用传递矩阵法计算结构的吸声系数，在驻波管上进行实验验证。实验结果表明结合后的结构在低频段利用机械阻尼吸声，在中高频利用微穿孔板结构的共振效应吸声，使其在一个宽广的频带范围内都有良好的吸声性能。实际工程使用中，弹性背板后是刚性壁面，所以在弹性背板后还存在一个空腔单元，论文讨论了这一空腔长度的影响。加上空腔之后，结构的低频共振频率会向较高频率移动，背后空腔越小，其对结构低频段吸声的影响越大，考虑到节约空间，这一空腔的厚度可以采用20mm左右，这样加入机械阻抗以后，整个结构与传统微穿孔板结构相比并不会增加很多，但该结构却能同时兼顾低频和中高频的吸声。通过与机械阻尼结构的结合，提高了微穿孔板结构的低频吸声性能，适用于空间距离有限而又对低频和中高频都有吸声要求的工程问题。