管道中微穿孔板吸声结构声学性能测试与分析

吕金磊，彭　强，王海锋

（中国空气动力研究与发展中心 空气动力学国家重点试验室，四川 绵阳 621000)



管道中微穿孔板吸声结构声学性能测试与分析

吕金磊，彭强，王海锋

（中国空气动力研究与发展中心 空气动力学国家重点试验室，四川 绵阳 621000)

摘要：文章采用实验和数值仿真的方法，对影响微穿孔板吸声结构声学性能的设计参数，包括板厚，开孔孔径，开孔率等进行深入细致的研究。其中实验内容主要在驻波管以及一个管道型的测试平台上进行，驻波管相关的研究内容用于佐证管道实验的准确性；数值仿真采取一种求极值点的算法，利用这一算法可以绕开对经典方程的求解，而直接确定微孔的声共振点，也即最大噪声吸收位置，通过共振点附近两条曲线的叠加确定吸声带宽的变化规律。实验和仿真结果的变化趋势一致。

关键词：声学；噪声；微穿孔板；风洞

微穿孔板自身具有一定声阻和声抗，如果在其背面设置一定厚度的空腔，就可以得到一种全金属降噪结构，其降噪理论最早由马大猷于1975年提出，并分别于1985年和1997年进一步完善了该理论[1–3]。国内的科研工作者围绕这一理论开展了大量的实验研究与应用开发工作。1987年成功将微穿孔用于通风百叶窗的降噪设计，该项目使用了具有透明空腔，孔径0.8 mm的微穿孔板，平行排列，降噪量达到10 dB(A)～15 dB(A)。进入90年代，微穿孔板被广泛应用于噪声控制工程、厅堂音质的改善、大型体育场馆的吸声吊顶等方面。另外，需要清洁环境的精密生产车间、通风系统，路桥声屏障等都有使用微穿孔板进行降噪设计的成功案例。但是，微穿孔板设计参数对于其整体声学性能的影响很大，以致于这种结构很少用于强噪声环境的噪声治理。

近年来，一些研究机构针对微穿孔板的降噪机理开展研究，沈苏等采用了外加旁路的方式分析了微穿孔板参数对管道负载声阻抗的作用[4]；何飞燕等研究了孔的形状对微穿孔板吸声系数和频带的影响[5]；周城光等利用实验验证了双层微穿孔板在高声强下的声学性能[6]。但是这些研究还只停留在实验室内，距工程实际应用还有距离。

本文介绍微穿孔板在管道降噪过程中的尝试，结合数值仿真结果，对影响其声学特性的结构参数进行深入的分析。

1　实验结果及分析

实验研究包括两部分内容，分别为驻波管测试和声学性能管道平台测试，其中驻波管测试所使用的试件较为简单，与实际使用的状态有一定的差别，用于辅助证明平台测试和数值仿真结果的正确性；管道测试共对六种实验状态进行实验测试。

实验中采用四种微穿孔板，见表1，所有微孔孔径均为0.8 mm。

表1　微穿孔板参数

1.1驻波管测试

驻波管是一种测量材料吸声系数的仪器，见图1，其主要部分是一根内壁光滑，截面均匀的管子，管子的末端安装被测材料样品，由扬声器向管子中辐射声波。当管中声波传播的频率与管子横截面几何尺寸满足下列关系时，则只有沿管轴向传播的平面波f<(1.84/π)×(c0/d)(1)

式中d——圆管直径；

c0——空气中的声速。

图1　驻波管示意图

平面波在材料表面反射回来，其结果是在管中建立了驻波声场，在测试仪器上测出声压极大与极小的声级差便可确定垂直入射吸声系数。本实验中使用的测量管直径96 mm，长1 000 mm，按照公式（1）以及峰谷数量的限制，测试频率范围90 Hz～2 075 Hz，实际采样范围90 Hz～1 600 Hz。其测量原理性公式为

式中α——吸声系数；

r——反射系数；

s——驻波比。

材料或结构的吸声系数直接由驻波管测得的噪声声压级峰值和谷值计算得到。

图2—图4是对微穿孔板试件的测试结果。图2采用1#试件，不同背腔厚度D时试件的声学性能，可以看出，背腔是微穿孔板吸声结构的重要组成部分，对其声学性能的影响非常明显，无背腔结构（D=0）时，结构不具备吸声功能，随着D数值的增大，较低频段的吸声效果变好，同时在更高频区域中有变好的趋势（D=150，驻波管所能设置的最大背腔深度）。从图3可知，1 600 Hz以下频率范围内，背腔D=100 mm条件下，2#试件具有最好的声学性能。图4对比了相同穿孔率，不同厚度微穿孔板的吸声系数。

图2　驻波管实验对比曲线

图3　驻波管实验对比曲线

图4　驻波管实验对比曲线

1.2管道测试

测试管道是根据某风洞实际使用工况设计的一种可变参数管道消声器测试平台，与实际风洞不同的是其内部气体介质没有流动，见图5。测试平台由管道主体，插入式背腔，微穿孔板，定频标准声源，噪声采集系统，管道出口吸声组件等六个部分组成。出口吸声组件用以规避管道内部驻波的产生，而噪声主要以平面波的形式存在，以便实现更加准确的采集。

管道主体为钢结构，测试截面300 mm×400 mm，允许的最大试件长度1 000 mm。共设计了六个实验状态，分别为无孔的基板，1#，2#，3#，4#以及1#（上）、2#（下）的双层组合结构，所有单层试件采用恒定的背腔，D＝295 mm，1#、2#双层组合结构中，1# 与2#微穿孔板间距100 mm。

图5　管道测试平台

测试时，噪声强度由麦克风测量，在每个截面的上下左右表面各设置一个测点，以四个点的平均值代替该截面的噪声强度，声源放置于管道的一端（封闭端），所辐射噪声强度由麦克风1测量，经过吸声功能段，到达麦克风2。麦克风1、2测得的声压级之差即为消声器的传声损失。

图6给出了微穿孔板吸声性能与普通薄钢板的噪声衰减曲线，由于微穿孔板自身阻抗的作用，吸声体对整个测试频率范围内的噪声都有一定的抑制作用，而厚度以及连接条件与微穿孔板完全一样的无孔普通钢板，对噪声的影响很小。

图6　微穿孔板与普通钢板声学性能对比曲线

图7对比了不同穿孔率的影响，1#试件穿孔率2%，2#为1%，从实验对比曲线看不出二者明显的差异；图8是使用相同穿孔率，不同板厚微穿孔板试件的降噪性能对比曲线，三条曲线高频差异明显，3#（板厚0.8 mm）、2#（板厚0.6 mm）、4#（板厚1 mm）降噪效果递减。图9是单层与双层微穿孔板降噪结构的声学性能，其中单层结构采用1#试件，双层结构表面采用1#微穿孔板，内部采用2#。与单层结构相比，双层结构的作用频带明显变宽，但是峰值部分有所减弱。

图7　不同穿孔率对吸声系数的影响曲线

图8　不同板厚对吸声系数的影响曲线

图9　单层与双层微穿孔板降噪结构对比曲线

2　仿真分析

决定微穿孔板结构吸声性能的参数为微孔直径d，孔板厚度t，孔间距b，以及孔板背后空腔H。微穿孔板的评价参数为吸声系数α，带宽Δf，高吸声系数，宽作用带宽分别与高声阻，低声质量相联系，如何匹配结构参数达到这一要求是设计成败的关键。

按照经典理论，微穿孔板正入射吸声系数可表示为[1]

声阻

声质量穿孔常数式中

ω——角频率；

t——板厚，mm；

d——穿孔直径，mm；

f0——孔板共振频率，Hz；

p——孔板穿孔率百分比，%；

D——板后空腔，m。

当满足下面条件为吸声系数达到最大。此时的吸声系数为

对试件模型进行仿真，可得到图10、图11，图中正切曲线与直线的交点处满足式（12）条件，吸声系数达到峰值。从图10可以看出空腔厚度与吸声作用频带的关系，空腔越深，第一个吸声峰值对应的频率越低，与前面的实验结果完全一致。而另一方面，空腔的深度是不影响系统的声阻的，也即吸声峰值大小与空腔深度无关，这样就可以实现对峰值和频率的双重控制。

图10　吸声体共振发生频率仿真曲线1

图11仿真的模型参数与1#—4#四种微穿孔板试件相对应，从曲线上可以看出，在高频部分，吸声结构的作用频带迅速收窄，这一规律正好可以解释实验频谱中出现多处尖峰的现象。四种试件对比，1#，4#，2#，3#的吸声频依次收窄，但是实验中没有观察到类似的现象，具体原因还有待进一步探讨。

图11　吸声体共振发生频率仿真曲线2

根据仿真结果，四种试件的声学性能参数列于表2，吸声系数略低于实验结果，但是两者具有一致的变化趋势。

表2　微穿孔板吸声体仿真结果

3结　语

通过研究，得到以下四点结论：

(1)微穿孔板吸声体背腔直接影响着微穿孔板吸声结构的作用频带，背腔厚度越大，吸声系数的第一个峰值越向低频区域移动；相对于开孔率，微穿孔板的板厚对最终吸声性能的影响更大；1#、2#双层组合结构可以有效增加吸声带宽；

(2)所设计的多个试件，2#的低频声学性能优于其他几件，3#在高频区域降噪效果更好，可以根据不同的声源有针对性的选择使用；

(3)通过与驻波管实验的对比，以及数值仿真，证明测试平台的方案合理，可以用于开展下一步的降噪设计工作。

参考文献：

[1]马大猷.微穿孔板吸声结构的理论和设计[J].中国科学，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]沈苏，Goran Pavic，刘碧龙，等.微穿孔板结构在管道声源特性测量中的应用分析[J].声学学报，2011，36（3）：281-290.

[5]何飞燕，扈西枝，陈挺.孔截面变化对厚微穿孔板吸声性能的影响[J].噪声与振动控制，2010，30(1)：141-144.

[6]周城光，李晓东，田静.双层穿孔板共振器的非线性声学特性研究[J].声学技术，2007，26（5）：980-981.

中图分类号：O422.6

文献标识码：A

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

文章编号：1006-1355(2016)01-0200-04

收稿日期：2015-05-13

作者简介：吕金磊（1980-），男，河南杞县人，中国空气动力研究与发展中心工程师，硕士，主要从事噪声与振动控制工程研究。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