寬頻帶微穿孔板吸聲體及其性能預(yù)測(cè)方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境噪聲控制、室內(nèi)聲學(xué)裝修的吸聲領(lǐng)域，具體來說為一種寬頻帶高 性能微穿孔板吸聲體及其性能預(yù)測(cè)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，典型的微穿孔板吸聲體由表面單層的均布穿孔的微穿孔板與其對(duì)應(yīng)的單個(gè) 板后背腔組成。不同于傳統(tǒng)多孔材料和纖維類材料的吸聲材料，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)體可由多 種材料，如金屬、塑料、木板甚至玻璃等制作而成。優(yōu)點(diǎn)包括長時(shí)間使用不碎肩化，表面能抗 沖擊，防潮防水，能適應(yīng)高速氣流等，是一種環(huán)境友好型的新型吸聲材料。但是該類吸聲體 在應(yīng)用中存在的一個(gè)突出問題是其相對(duì)傳統(tǒng)多孔、纖維類吸聲材料窄很多的有效吸聲頻帶 范圍。
[0003] 微穿孔板吸聲體設(shè)計(jì)方法及其吸聲性能理論是由中國學(xué)者[馬大猷，"微穿孔板 吸聲結(jié)構(gòu)的理論和設(shè)計(jì)"，中國科學(xué)，卷1，38-50 (1975)]首創(chuàng)，并在其1990年發(fā)表的論文 "組合微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)"中進(jìn)一步描述了一種由兩層微穿孔板組成的"雙共振串聯(lián)"結(jié)構(gòu) 吸聲體，這種結(jié)構(gòu)的吸聲體能產(chǎn)生兩個(gè)明顯的吸聲峰，一定程度上增加了吸聲的有效帶寬， 但多層"串聯(lián)"結(jié)構(gòu)要求背腔深度較大，會(huì)占用較多的室內(nèi)空間。香港學(xué)者[ChunqiWang andLixiHuang,Ontheacousticpropertiesofparallelarrangementofmultiple micro-perforatedpanelabsorberswithdifferentcavitydepths'，，J.Acoust.Soc. Am，130 (1)，208-218 (2011)]采用有限元仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，討論了一種簡(jiǎn)化的"并聯(lián)" 背腔結(jié)構(gòu)的微穿孔板吸聲體的吸聲機(jī)理，包括三個(gè)深度不等的、平行排列的子背腔，但他們 的研究?jī)H局限于該簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)體的吸聲機(jī)理分析，尚未涉及具有不等深度背腔的微穿孔板吸 聲體完整結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。
[0004]CN1311380A公開了一種特寬頻帶微穿孔板吸聲體及其制造方法和設(shè)備，包括微 穿孔板、與微穿孔板構(gòu)成一體的具有后腔深度D的盒形構(gòu)件，盒形構(gòu)件內(nèi)設(shè)有支撐擋板格， 通過降低微穿板的穿孔板常數(shù)K來達(dá)到增加實(shí)際應(yīng)用的吸聲頻帶的目的，實(shí)現(xiàn)高頻吸聲性 能，但是其盒形構(gòu)件的背腔深度恒定，無法形成不同頻段的局部共振效應(yīng)；CN102968985A 公開了一種復(fù)合多層機(jī)械阻抗板的薄型寬頻吸聲結(jié)構(gòu)，包括吸聲材料和支架，以及至少兩 層的機(jī)械阻抗板，吸聲材料可以是傳統(tǒng)多孔材料和微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，用于吸收高頻噪聲， 而低頻噪聲則由機(jī)械阻抗板的振動(dòng)來耗散；CN102646414A公開了一種基于微穿孔和腔內(nèi) 共振系統(tǒng)的組合吸聲結(jié)構(gòu)，包括微穿孔板、背腔和腔內(nèi)共振系統(tǒng)，旨在調(diào)整腔內(nèi)共振系統(tǒng)的 參數(shù)（平板質(zhì)量、力阻、彈簧勁度系數(shù)）、微穿孔板的參數(shù)（孔徑、板厚、穿孔率）和背腔深 度，以實(shí)現(xiàn)較寬頻帶的吸聲；CN102332259A公開了一種自適應(yīng)微穿孔板吸聲器及其微孔實(shí) 時(shí)調(diào)節(jié)方法，包括壓電薄膜微穿孔板、主動(dòng)控制電路、自適應(yīng)控制器和噪聲探測(cè)器，能夠根 據(jù)入射噪聲實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓電薄膜微穿孔板上微孔孔徑的大小，以有效擴(kuò)展微穿孔板共振吸聲 結(jié)構(gòu)的吸聲頻帶。
[0005] 微穿孔板吸聲體的現(xiàn)有技術(shù)與設(shè)計(jì)，尚未發(fā)現(xiàn)有基于"并聯(lián)"排列不等深度背腔設(shè) 計(jì)的寬頻帶微穿孔板吸聲體的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提出一種占用空間小的寬頻帶微穿孔板吸聲體及其性能預(yù)測(cè) 方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
[0007] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0008] 本發(fā)明所述的一種寬頻帶微穿孔板吸聲體，包括：微穿孔板，在微穿孔板上設(shè)有深 度各不相同的子背腔，且所述子背腔立于微穿孔板上，與相鄰微穿孔板的側(cè)面相觸及。
[0009] 本發(fā)明所述的一種寬頻帶微穿孔板吸聲體的性能預(yù)測(cè)方法，所述性能由吸聲系數(shù) 頻譜α(ΘJ表征，其特征在于，所述吸聲系數(shù)頻譜α(ΘJ由公式1得到，
[0010]
[0011] 式中，Θe表示聲波的入射角，Θe= 〇°表示正入射為有效聲壓，取值為IPa; An為振幅系數(shù)，η為整數(shù)且η=···，-2,-1，0,1，2，…；λ為聲波波長，λ=c/f，單位m，C 為聲音在空氣中的傳播速度，f表示聲音的頻率，單位Hz;T表示周期性背腔結(jié)構(gòu)的周期寬 度
_ __Ν為一個(gè)周期內(nèi)子背腔的數(shù)量，1^表示各個(gè)子背腔的寬度，單位：米。
[0012] 本發(fā)明所述的一種寬頻帶微穿孔板吸聲體的性能預(yù)測(cè)方法，，其特征在于，所述振 幅系數(shù)總采用公式2得到：
[0013]
[0014] 兵甲：
[0015] γη為吸聲體表面豎直方向的空間諧波的波數(shù)：
[0016]
[0017] j表示虛數(shù)單位，kQ=ω/c表示波數(shù)，ω= 2πf表示角頻率，f表示聲音的頻率， 單位Hz;
[0018] F(x)是吸聲體的等效表面導(dǎo)納，且：
[0019]
Λ---00義.V
[0020] g為變量，G(x)為子背腔的表面導(dǎo)納J
%微穿孔板的表面 相對(duì)聲阻抗，ζ(1J為板后子背腔的相對(duì)聲阻抗，1"表示微穿孔板板后各個(gè)子背腔的深度，m= 1，2. ..Ν，Ν表示一個(gè)周期的子背腔的數(shù)量。
[0021] 本發(fā)明所述的一種利用性能預(yù)測(cè)方法進(jìn)行吸聲體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，包括以下 步驟：
[0022] 步驟1取得擬被吸收的聲頻譜，進(jìn)而取得所述吸聲系數(shù)頻譜中目標(biāo)的有效吸聲頻 譜范圍；
[0023] 步驟2選取微穿孔板及子背腔材料，設(shè)定微穿孔板表面聲阻抗為空氣聲阻抗的 0. 5~1. 5倍，采用微穿孔板聲阻抗計(jì)算方法，確定微穿孔板參數(shù)穿孔直徑d、板厚t和穿孔 率σ的初值；
[0024] 步驟3設(shè)計(jì)該吸聲體的一個(gè)周期內(nèi)的子背腔的深度矩陣，深度矩陣由下式得出：
[0025] -m ......一,
[0026] 式中，ξ；表示背腔的深度矩陣，mod表示求余函數(shù)：
N表示一個(gè)周期的 子背腔的數(shù)量；
[0027] 步驟4用實(shí)際應(yīng)用環(huán)境可能的最大垂直安裝空間深度除以空腔深度矩陣I；中的 最大值，得到子背腔的單位深度的初值，并以"周期性背腔結(jié)構(gòu)在一個(gè)周期內(nèi)的總寬度不大 于中頻段400Hz的1/4倍波長"的原則，確定吸聲體一個(gè)周期的總寬度；
[0028] 步驟5基于吸聲體的性能預(yù)測(cè)方法，驗(yàn)證并優(yōu)化子背腔序列的單位深度，具體方 法為：以步驟4確定的單位深度為計(jì)算初值，采用性能預(yù)測(cè)方法，得到計(jì)算初值所對(duì)應(yīng)的吸 聲系數(shù)頻譜α(ΘJ，從中預(yù)測(cè)出所對(duì)應(yīng)的有效吸聲頻譜范圍，如果所對(duì)應(yīng)的有效吸聲頻譜 范圍能夠覆蓋目標(biāo)有效吸聲頻譜范圍，則進(jìn)入步驟7 ;否則，以"背腔深度越淺，有效吸聲頻 譜范圍越向高頻移動(dòng)，反之，有效吸聲頻譜范圍越向低頻移動(dòng)"為原則，調(diào)整單位深度大小， 進(jìn)入步驟6 ;
[0029] 步驟6采用性能預(yù)測(cè)方法，得到調(diào)整后的單位深度所對(duì)應(yīng)的吸聲系數(shù)頻譜 α(ΘJ，從中預(yù)測(cè)出所對(duì)應(yīng)的有效吸聲頻譜范圍，如果所對(duì)應(yīng)的有效吸聲頻譜范圍能夠覆 蓋目標(biāo)有效吸聲頻譜范圍，則進(jìn)入步驟7 ;否則，以"背腔深度越淺，有效吸聲頻譜范圍越向 高頻移動(dòng)，反之，有效吸聲頻譜范圍越向低頻移動(dòng)"為原則，再調(diào)整單位深度大小，并重復(fù)步 驟6 ;
[0030] 步驟7從所對(duì)應(yīng)的有效吸聲頻譜范圍能夠覆蓋目標(biāo)有效吸聲頻譜范圍的吸聲系 數(shù)頻譜a(0J中，取得最大吸聲系數(shù)，如果最大吸聲系數(shù)大于0.9,則以產(chǎn)生最大吸聲系 數(shù)大于〇. 9的吸聲系數(shù)頻譜α(ΘJ所對(duì)應(yīng)的微穿孔板板厚t、孔徑d、穿孔率。及周期性 背腔結(jié)構(gòu)的吸聲體總寬度、各個(gè)子背腔的深度為吸聲體的最終結(jié)構(gòu)參數(shù)；否則，則進(jìn)入步驟 8 ；
[0031] 步驟8以"板厚越大，吸聲系數(shù)越小，吸聲頻帶越向低頻移動(dòng)；孔徑越大，吸聲頻帶 越向低頻移動(dòng)；穿孔率越大，吸聲頻帶越向高頻移動(dòng)，吸聲系數(shù)越小"為原則，調(diào)整微穿孔板 的板厚t，孔徑d和穿孔率〇，采用性能預(yù)測(cè)方法再次試算吸聲體的最新吸聲系數(shù)頻譜并 取得當(dāng)前最大吸聲系數(shù)，如果當(dāng)前最大吸聲系數(shù)大于〇. 9,則以產(chǎn)生當(dāng)前最大吸聲系數(shù)大于 〇. 9的吸聲系數(shù)頻譜α(ΘJ所對(duì)應(yīng)的微穿孔板板厚t、孔徑d、穿孔率。及周期性背腔結(jié) 構(gòu)的吸聲體總寬度、各個(gè)子背腔的深度為吸聲體的最終結(jié)構(gòu)參數(shù)；否則，重復(fù)步驟8。
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：
[0033] 采用優(yōu)化的吸聲體參數(shù)組合，包括微穿孔板的穿孔直徑d、板厚t、穿孔率〇，和板 后多個(gè)"并聯(lián)"的背腔的深度、寬度和排列方式，得到了一種在400-3000ΗΖ最主要的公共活 動(dòng)音頻段，吸聲系數(shù)不低于〇. 45,最大吸聲系數(shù)不低于0. 9的寬頻帶微穿孔板吸聲體。 [0034] 本發(fā)明所述吸聲體的結(jié)構(gòu)由單層的微穿孔板和板后多個(gè)采用"并聯(lián)"方式平行排 列的深度互不相等的子背腔組成，各個(gè)子背腔的開口端與微穿孔板直接連接。這種結(jié)構(gòu) 形式的微穿孔板吸聲體解決了以下三點(diǎn)問題：（1)單層