錯位穿孔板吸聲性能的實驗研究

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錯位穿孔板吸聲性能的實驗研究

文章出處：技術資訊網責任編輯admin 閱讀量：發表時間：2021-03-16 10:07

作為未來吸聲材料與吸聲結構設計的重要發展方向，微穿孔吸聲結構已經被廣泛應用于消聲、吸聲領域。1975年，馬大猷先生結合克蘭德爾有關圓管內的聲波傳播理論與殷伽有關于聲阻抗的修正研究，開創性地提出了微穿孔吸聲結構這一概念及相關理論。微穿孔板理論提出的四十余年來，在經典理論的基礎上，研究人員從材質、結構等角度出發針對微穿孔板吸聲性能的優化做了大量工作。
隨著有關微穿孔吸聲結構研究的不斷深入，有研究人員開始通過實驗或者理論推導探討變截面微穿孔板的聲學特性。2000年，Randeberg分別應用積分法、有限差分法與有限元的方法研究了孔形為喇叭狀的微穿孔板的吸聲性能。有限差分法對喇叭狀微穿孔板的仿真結果證明，通過合理設計喇叭穿孔的形狀，有可能制得高吸聲系數且寬吸聲帶寬的微穿孔板。然而由于仿真精度有待提高，該結果僅表明喇叭形微穿孔板的吸聲性能非常具有“潛力”，其可行性還有待驗證。2008年， Sakagami設計了一種較厚的錐形孔穿孔板作為室內裝飾吸聲材料，并通過實驗證明這種穿孔板能夠達到有效的吸聲效果。2009年，何立燕通過溶芯澆注的方法制備了10mm厚的變截面穿孔板，并對變截面穿孔板的阻抗進行理論分析，實驗證明大錐形孔截面能夠拓寬吸聲頻帶、增大各頻帶的吸聲系數，小錐形孔與階梯形孔僅將共振頻率略向低頻移動。2009年，盧偉健在馬大猷理論基礎上，分析了（突）變截面微穿孔板的吸聲性能，通過阻抗管實驗驗證0.3mm厚的變截面微穿孔板得到了較好的效果、與0.1mm厚的穿孔板效果類似。2012年，呂忠達設計了一種變截面雙空腔吸聲結構，通過混響室試驗測定，該吸聲結構在250-1000Hz中低頻的吸聲系數在0.65以上，總體降噪系數大于0.60，較微穿孔板的降噪效果有顯著提升。2013年， Herdtle應用CFD計算流體力學建立了圓形、錐形孔洞微穿孔板模型，并以案例的形式比較了馬大猷、Guo、Bolton and Kim的理論計算結果與CFD的計算結果。2014年，王靜云利用粒子群優化算法，在R. T. Randeberg變截面微穿孔板的半解析模型的基礎上，優化設計錐形孔、對數形孔厚微穿孔板的結構參數，對板厚、錐形孔大直徑、錐形孔小直徑、孔間距分別進行了1~4個參數優化。2017年，Auriemma設計了一種微槽吸聲結構，該結構由上下兩層不同結構的薄板組成，與典型微穿孔吸聲結構相比，該結構在線性與非線性區域的吸聲表現均優于傳統微穿孔吸聲結構。
以上研究表明，通過對微穿孔板孔型截面進行設計優化，有可能在增加板厚的同時保持或者提高微穿孔板的吸聲性能。基于變截面微穿孔板的以上優勢，本文設計提出了一種通過錯位穿孔方法得到的變截面微穿孔吸聲結構，并通過阻抗管實驗研究其板厚對其吸聲性能的影響。
1 錯位穿孔吸聲結構設計
根據經典微穿孔板理論，理想的微穿孔吸聲結構設計應盡量在增加吸聲結構阻的過程中盡可能的減小抗的增加。同時在實際應用中，雖然微穿孔板的吸聲性能已經達到甚至優于使用需求，但是往往因為微穿孔板厚度過薄、強度過小而不能使用。出于上述考慮，本文對錯位穿孔吸聲結構進行了設計及優化，錯位吸聲孔由兩層孔徑為d的基礎大孔所形成的開放空間與一個含有無厚度的錯位寬度為dc的微孔階梯結構構成，在保留阻的同時盡可能的減小抗的作用。
本文所設計的錯位穿孔吸聲結構如圖1-3所示，錯位穿孔吸聲結構由兩層依次排列的穿孔板組成，相鄰子板之間緊密地相貼合，穿孔板上基礎穿孔錯位連通，形成錯位孔隙。該結構使得上下兩層孔基礎大孔作為開放空間的同時形成一個含有無厚度微孔的階梯結構，在保留阻的同時盡可能的減小抗的作用。由于聲流動進入、流出該階梯結構需要摩擦板面從而消耗能量增加聲阻，而聲波穿過的微孔厚度為零，因此考慮其對應質量抗極小。與此同時，該錯位穿孔結構由兩層普通穿孔板疊加而成，能夠很好的解決微穿孔板過薄所需要面臨的強度問題。

2 實驗研究
為研究錯位穿孔吸聲結構的吸聲性能，本文設計加工了一組樹脂材料的微穿孔吸聲結構，根據ISO（10534-2）標準采用BK阻抗管實驗測得聲波正入射條件下的吸聲系數，具體參數如表1所示。本文對24個不同結構參數的錯位穿孔吸聲結構進行了實驗，其中基礎孔徑為1mm或2mm、孔間距為2.5mm或 8mm、錯位孔徑為0.3-0.6mm，比較錯位板在各組條件下的吸聲效果。

選取6組錯位距離為0.3mm、背腔深度為10mm的實驗進行分析，其中圖4（a）板厚為1mm和2mm、基礎孔徑為1mm、孔間距為2.5mm，圖4（b）板厚為1mm和2mm、基礎孔徑為1mm、孔間距為8mm，圖4（c）板厚為1mm和2mm、基礎孔徑為2mm、孔間距為8mm。
由圖4易知，錯位穿孔吸聲結構通過設計均能夠具備較好的吸聲性能。圖4（a）薄厚板兩條吸聲曲線的吸聲峰值在3000Hz前后，薄板的吸聲峰值高于厚板、帶寬寬于薄板；圖4（b）和圖4（c），薄厚板兩條吸聲曲線的吸聲峰值均大于0.8、在1000Hz-1500Hz之間，吸聲峰值及帶寬基本一致，但薄板在頻率3000Hz左右出現額外的共振峰，考慮本實驗所采用的樣品由樹脂材料制成，初步分析該峰為薄板自身材質因素引起的板振現象。

統計24個樣品的實驗結果，分析板厚與基礎孔徑對錯位穿孔吸聲結構的影響。首先分析板厚對吸聲性能的影響，將實驗結果分為12組，對比分析錯位板在各組條件下板厚為1mm或2mm的吸聲效果。在12組中有83.3%情況下薄板厚板吸聲效果相似；在9組最大吸聲系數大于0.8對比組中，有77.8%的情況兩者吸聲效果相似。由此可知，在錯位穿孔吸聲結構的設計中，薄板更具備吸聲優勢，然而在多數情況下厚板與薄板的吸聲效果一致、且能達到較好的吸聲效果。
而后分析基礎孔徑對吸聲性能的影響，將實驗結果分為10組，對比分析錯位板在各組條件下基礎孔徑為1mm或2mm的吸聲效果。在10個對比組中，小基礎孔徑效果更好的為4組：其中3組板厚1mm、1組板厚2mm；2組錯位孔徑0.5mm，2組錯位孔徑0.6mm。大基礎孔徑效果更好的為3組：3組板厚均為2mm；錯位孔徑分別為0.3/0.4/0.5mm。大、小基礎孔徑效果相似的為3組：3組板厚均為1mm；錯位孔徑分別為0.3/0.4/0.6mm。由此可知，與傳統微穿中孔徑與板厚的關系類似，想要得到更好的吸聲效果，板厚越厚所對應的孔徑越大。對于薄板，在某些條件下，基礎孔徑的大小對吸聲效果的影響不大，也就是大基礎孔徑可以得到與小基礎孔徑類似的吸聲效果。
3 結論
根據經典微穿孔板吸聲理論，板厚、孔徑均小于1 mm的薄板微穿孔吸聲結構能夠達到較為理想的吸聲效果，然而薄板、微孔不僅需要高精度的加工工藝，同時也帶來了吸聲結構強度差的實際工程問題。從這一問題出發，本文嘗試將兩塊大孔徑有一定剛度、厚度的穿孔板以小于毫米級的長度錯位疊放，使得上下兩層大孔作為開放空間的同時形成一個含有無厚度微孔的階梯吸聲結構。基于本實驗，可以初步認為厚板、大基礎孔徑的錯位穿孔吸聲結構，通過設計能達到較好的吸聲效果，從而實現降低加工難度、增大穿孔板強度的目的。與傳統微穿孔板相比，錯位穿孔板在吸聲效果、結構強度方面呈現了更為優良的性質，具有良好的研究價值和應用前景。

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