L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的吸声性能研究
2018-09-03盖晓玲李贤徽蔡泽农
盖晓玲， 李贤徽， 邢 拓， 张 斌， 蔡泽农， 王 芳， 韩 钰
(1.环境噪声与振动北京市重点实验室， 北京市劳动保护科学研究所， 北京 100054；2.全球能源互联网研究院， 北京 102211)
微穿孔板最早是由我国著名科学家，中科院院士马大猷教授[1-2]在20世纪60年代提出的共振吸声结构，通过近年的发展，已取得丰硕的研究成果。微穿孔板具有清洁、无污染、耐高温、耐腐蚀、能承受高速气流冲击的特点，是一种高声阻、低声质量的共振吸声体，具有良好的吸声特性。在共振吸声结构中，该结构具有宽吸声频带的特性，因此，在吸声降噪和改善室内音质方面有着十分广泛的应用[3-5]。当前，关于微穿孔板的研究工作主要集中在对微穿孔板吸声性能的预测和提高微穿孔板吸声性能方面[6-14]。在提高微穿孔板吸声性能方面，人们在微孔的作用方面做了很多工作。卢伟健等[10]研究了微孔截面在一定位置发生突变的微穿孔板的吸声性能。研究发现变截面微穿孔板的吸声性能主要由孔径较小的部分决定，孔径较大的部分主要是增加了板的厚度，对板的吸声性能贡献较小。Randeberg[11]研究了锥形微穿孔板的吸声性能，发现锥形穿孔的微穿孔板的吸声带宽比圆柱型穿孔的微穿孔板的吸声带宽有所拓宽。何立燕等[12]研究了孔截面变化对厚微穿孔板吸声性能的影响，实验结果表明当直通孔变为变截面孔后，吸声频带有所拓宽。Qian等[13]研究了超微孔微穿孔板的吸声性能，发现超微孔微穿孔板具有更好的吸声性能。吕亚东等[14]对微穿孔板吸声体的发展进行了总结，在微穿孔板理论的基础上，设计了等管束式穿孔板共振吸声结构，有助于提高高频吸声效果，拓宽吸声频带。李唐[15]对不等腔微穿孔板组合吸声结构的吸声特性进行了研究，给出了不等腔微穿孔板吸声结构垂直入射吸声系数的计算方法，发现不等腔微穿孔板吸声体的共振频率不是单一的值，加宽了吸声频带宽度。Tao等[16]研究了带有分流扬声器的微穿孔板的声学性能，可以在一定程度上拓宽微穿孔板的吸声带宽。Gai等[17-18]研究了微穿孔板结合薄膜单元的复合吸声结构的吸声性能，发现增加薄膜单元后可以改善微穿孔板结构的吸声性能。镶嵌亥姆霍兹共振器的微穿孔板结构也能在低频处引入额外的共振峰，改善单层微穿孔板的吸声性能。
在研究不同分割背腔的微穿孔板结构时，发现很多分割背腔结构没有充分利用好微穿孔板后的背腔空间，鉴于此，本文设计了一种L型分割背腔的微穿孔板吸声结构，基于微穿孔板吸声理论和声电等效电路原理，建立了L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的声电等效电路模型，利用数值模拟和实验研究的方法对L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的声学性能进行了研究。
1 L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的数学模型
在声波垂直入射情况下， L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的结构示意图及相应的等效电路图如图1和2所示。
图1 2腔L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的结构示意图Fig.1 A schematic diagram of MPP with L type two cavity structure
图2 2腔L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的声-电等效电路图Fig.1 The equivalent circuit of MPP with L type two cavity structure
根据L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的声-电等效电路图可以求得L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的声阻抗率：
L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的吸声系数：
2 L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的吸声性能
图3 为实验制备的2腔L型分割背腔的微穿孔板吸声结构，D1=70 mm,D=100 mm。微穿孔板的结构参数为，穿孔率σ=4.2%，穿孔直径d=0.2 mm，穿孔板厚度t=1 mm。图4 为加 L 型分隔背腔前后微穿孔板吸声性能的对比曲线。从图中可以看出，增加L 型分隔背腔以后，微穿孔板的的低频和中频的性能都得到了改善。图5 为阻抗管实验测得的L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的吸声性能与数值模拟的结果的比较。结果显示数值模拟结果与实验结果基本一致。图6和7 给出了加 L型分割背腔前后的微穿孔板结构声阻抗的变化。图6显示，当频率低于690 Hz时，加 L型分割背腔后，吸声结构的声阻高于单层微穿孔板结构。当频率高于690 Hz时， L型分割背腔结构的声阻低于单层微穿孔板结构的声阻。图7显示，当频率大于234 Hz时，分隔背腔结构能提供更高的声抗。
图3 2腔L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的背腔(D1=70 mm, D=100 mm)Fig.3 The cavity of MPP with L type cavity structure(D1=70 mm, D=100 mm)
图4 加 L型分割背腔前后的微穿孔板结构吸声结构的吸声性能Fig.4 Sound absorption of MPP with L type two cavitiesstructure and withoutdivision cavity structure
图5 L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的吸声性能Fig.5 Comparison of the experimental values of absorptioncoefficient and the predicted values for theMPP with L type two cavities structure
图6 加 L型分割背腔前后的微穿孔板结构声阻的变化Fig.6 Measured resistance of MPP with L type twocavities structure and without division cavity structure
图7 加 L型分割背腔前后的微穿孔板结构声抗的变化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声结构的吸声性能
在声波垂直入射情况下，L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的的结构示意图及相应的等效电路图如图8和9所示。
图8 N腔L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的结构示意图Fig.8 A schematic diagram of MPP with L type multiple cavities
图9 N腔L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的声-电等效电路图Fig.9 The equivalent electrical circuit of MPP with Ltype multiple cavities structure
根据N腔L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的声-电等效电路图可以求得N腔L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的声阻抗率：
图10为实验制备的3腔L型分割背腔的微穿孔板吸声结构，D1=55 mm，D2=75 mm，D=100 mm。微穿孔板的结构参数为，穿孔率σ=4.2%，穿孔直径d=0.2 mm，穿孔板厚度t=1 mm。图11为3腔L 型分隔背腔微穿孔板的等效腔深。图12为加3腔L 型分隔背腔前后微穿孔板吸声性能的对比曲线。从图中可以看出，增加3腔L 型分隔背腔以后，微穿孔板的的低频和中频的性能都得到了改善。相对于分割两腔结构，分割三腔结构在1 400 Hz附近吸声系数有所提高。图13和14 给出了加3腔L型分割背腔前后的微穿孔板结构声阻抗的变化。图15显示，实验结果和数值仿真结果比较接近。
图10 3腔 L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的背腔(D1=55 mm，D2=75 mm，D=100 mm)Fig.10 The cavity of the MPP with L type three cavities structure
图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)
图12 3腔L型分割背腔前后的微穿孔板吸声结构的吸声性能曲线Fig.12 Sound absorption of MPP with L typethree cavities structure
图13 3腔L型分割背腔前后的微穿孔板结构声阻的变化Fig.13 Measured resistance of MPP with L type three cavitiesstructure and without division cavity struture
图14 3腔L型分割背腔前后的微穿孔板结构声抗的变化Fig.14 Measured resistance of MPP with L type threecavities structure and without cavity struture
图15 3腔L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的吸声性能Fig.15 Comparison of the experimental values of the absorptioncoefficient and predicted values by the MPP withL type three cavities structure
4 结 论
设计了一种L型分割背腔的微穿孔板吸声结构，基于微穿孔板吸声理论和声电等效电路原理，建立了L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的声电等效电路模型。实验结果显示增加了L型分隔背腔结构后，微穿孔板吸声结构的声阻和声抗发生了明显的变化。数值模拟的吸声性能曲线和阻抗管实验测得的吸声性能曲线非常接近。从目前的实验结果看：相对微穿孔板吸声结构吸声特性，L型分隔背腔的微穿孔板吸声结构的吸声峰值略微降低，但吸声带宽明显拓宽。所以，L型分割背腔的微穿孔板吸声结构能很好的改善单层微穿孔板结构低频吸声性能。
