呂金磊，彭　強(qiáng)，王海鋒

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000)

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管道中微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能測(cè)試與分析

呂金磊，彭強(qiáng)，王海鋒

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000)

摘要：文章采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真的方法，對(duì)影響微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括板厚，開孔孔徑，開孔率等進(jìn)行深入細(xì)致的研究。其中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要在駐波管以及一個(gè)管道型的測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行，駐波管相關(guān)的研究?jī)?nèi)容用于佐證管道實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性；數(shù)值仿真采取一種求極值點(diǎn)的算法，利用這一算法可以繞開對(duì)經(jīng)典方程的求解，而直接確定微孔的聲共振點(diǎn)，也即最大噪聲吸收位置，通過(guò)共振點(diǎn)附近兩條曲線的疊加確定吸聲帶寬的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)一致。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；噪聲；微穿孔板；風(fēng)洞

微穿孔板自身具有一定聲阻和聲抗，如果在其背面設(shè)置一定厚度的空腔，就可以得到一種全金屬降噪結(jié)構(gòu)，其降噪理論最早由馬大猷于1975年提出，并分別于1985年和1997年進(jìn)一步完善了該理論[1–3]。國(guó)內(nèi)的科研工作者圍繞這一理論開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用開發(fā)工作。1987年成功將微穿孔用于通風(fēng)百葉窗的降噪設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目使用了具有透明空腔，孔徑0.8 mm的微穿孔板，平行排列，降噪量達(dá)到10 dB(A)～15 dB(A)。進(jìn)入90年代，微穿孔板被廣泛應(yīng)用于噪聲控制工程、廳堂音質(zhì)的改善、大型體育場(chǎng)館的吸聲吊頂?shù)确矫妗Ａ硗?，需要清潔環(huán)境的精密生產(chǎn)車間、通風(fēng)系統(tǒng)，路橋聲屏障等都有使用微穿孔板進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)的成功案例。但是，微穿孔板設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于其整體聲學(xué)性能的影響很大，以致于這種結(jié)構(gòu)很少用于強(qiáng)噪聲環(huán)境的噪聲治理。

近年來(lái)，一些研究機(jī)構(gòu)針對(duì)微穿孔板的降噪機(jī)理開展研究，沈蘇等采用了外加旁路的方式分析了微穿孔板參數(shù)對(duì)管道負(fù)載聲阻抗的作用[4]；何飛燕等研究了孔的形狀對(duì)微穿孔板吸聲系數(shù)和頻帶的影響[5]；周城光等利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙層微穿孔板在高聲強(qiáng)下的聲學(xué)性能[6]。但是這些研究還只停留在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，距工程實(shí)際應(yīng)用還有距離。

本文介紹微穿孔板在管道降噪過(guò)程中的嘗試，結(jié)合數(shù)值仿真結(jié)果，對(duì)影響其聲學(xué)特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行深入的分析。

1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)研究包括兩部分內(nèi)容，分別為駐波管測(cè)試和聲學(xué)性能管道平臺(tái)測(cè)試，其中駐波管測(cè)試所使用的試件較為簡(jiǎn)單，與實(shí)際使用的狀態(tài)有一定的差別，用于輔助證明平臺(tái)測(cè)試和數(shù)值仿真結(jié)果的正確性；管道測(cè)試共對(duì)六種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)中采用四種微穿孔板，見表1，所有微孔孔徑均為0.8 mm。

表1　微穿孔板參數(shù)

1.1駐波管測(cè)試

駐波管是一種測(cè)量材料吸聲系數(shù)的儀器，見圖1，其主要部分是一根內(nèi)壁光滑，截面均勻的管子，管子的末端安裝被測(cè)材料樣品，由揚(yáng)聲器向管子中輻射聲波。當(dāng)管中聲波傳播的頻率與管子橫截面幾何尺寸滿足下列關(guān)系時(shí)，則只有沿管軸向傳播的平面波f<(1.84/π)×(c0/d)(1)

式中d——圓管直徑；

c0——空氣中的聲速。

圖1　駐波管示意圖

平面波在材料表面反射回來(lái)，其結(jié)果是在管中建立了駐波聲場(chǎng)，在測(cè)試儀器上測(cè)出聲壓極大與極小的聲級(jí)差便可確定垂直入射吸聲系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中使用的測(cè)量管直徑96 mm，長(zhǎng)1 000 mm，按照公式（1）以及峰谷數(shù)量的限制，測(cè)試頻率范圍90 Hz～2 075 Hz，實(shí)際采樣范圍90 Hz～1 600 Hz。其測(cè)量原理性公式為

式中α——吸聲系數(shù)；

r——反射系數(shù)；

s——駐波比。

材料或結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)直接由駐波管測(cè)得的噪聲聲壓級(jí)峰值和谷值計(jì)算得到。

圖2—圖4是對(duì)微穿孔板試件的測(cè)試結(jié)果。圖2采用1#試件，不同背腔厚度D時(shí)試件的聲學(xué)性能，可以看出，背腔是微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)其聲學(xué)性能的影響非常明顯，無(wú)背腔結(jié)構(gòu)（D=0）時(shí)，結(jié)構(gòu)不具備吸聲功能，隨著D數(shù)值的增大，較低頻段的吸聲效果變好，同時(shí)在更高頻區(qū)域中有變好的趨勢(shì)（D=150，駐波管所能設(shè)置的最大背腔深度）。從圖3可知，1 600 Hz以下頻率范圍內(nèi)，背腔D=100 mm條件下，2#試件具有最好的聲學(xué)性能。圖4對(duì)比了相同穿孔率，不同厚度微穿孔板的吸聲系數(shù)。

圖2　駐波管實(shí)驗(yàn)對(duì)比曲線

圖3　駐波管實(shí)驗(yàn)對(duì)比曲線

圖4　駐波管實(shí)驗(yàn)對(duì)比曲線

1.2管道測(cè)試

測(cè)試管道是根據(jù)某風(fēng)洞實(shí)際使用工況設(shè)計(jì)的一種可變參數(shù)管道消聲器測(cè)試平臺(tái)，與實(shí)際風(fēng)洞不同的是其內(nèi)部氣體介質(zhì)沒有流動(dòng)，見圖5。測(cè)試平臺(tái)由管道主體，插入式背腔，微穿孔板，定頻標(biāo)準(zhǔn)聲源，噪聲采集系統(tǒng)，管道出口吸聲組件等六個(gè)部分組成。出口吸聲組件用以規(guī)避管道內(nèi)部駐波的產(chǎn)生，而噪聲主要以平面波的形式存在，以便實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的采集。

管道主體為鋼結(jié)構(gòu)，測(cè)試截面300 mm×400 mm，允許的最大試件長(zhǎng)度1 000 mm。共設(shè)計(jì)了六個(gè)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，分別為無(wú)孔的基板，1#，2#，3#，4#以及1#（上）、2#（下）的雙層組合結(jié)構(gòu)，所有單層試件采用恒定的背腔，D＝295 mm，1#、2#雙層組合結(jié)構(gòu)中，1# 與2#微穿孔板間距100 mm。

圖5　管道測(cè)試平臺(tái)

測(cè)試時(shí)，噪聲強(qiáng)度由麥克風(fēng)測(cè)量，在每個(gè)截面的上下左右表面各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，以四個(gè)點(diǎn)的平均值代替該截面的噪聲強(qiáng)度，聲源放置于管道的一端（封閉端），所輻射噪聲強(qiáng)度由麥克風(fēng)1測(cè)量，經(jīng)過(guò)吸聲功能段，到達(dá)麥克風(fēng)2。麥克風(fēng)1、2測(cè)得的聲壓級(jí)之差即為消聲器的傳聲損失。

圖6給出了微穿孔板吸聲性能與普通薄鋼板的噪聲衰減曲線，由于微穿孔板自身阻抗的作用，吸聲體對(duì)整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)的噪聲都有一定的抑制作用，而厚度以及連接條件與微穿孔板完全一樣的無(wú)孔普通鋼板，對(duì)噪聲的影響很小。

圖6　微穿孔板與普通鋼板聲學(xué)性能對(duì)比曲線

圖7對(duì)比了不同穿孔率的影響，1#試件穿孔率2%，2#為1%，從實(shí)驗(yàn)對(duì)比曲線看不出二者明顯的差異；圖8是使用相同穿孔率，不同板厚微穿孔板試件的降噪性能對(duì)比曲線，三條曲線高頻差異明顯，3#（板厚0.8 mm）、2#（板厚0.6 mm）、4#（板厚1 mm）降噪效果遞減。圖9是單層與雙層微穿孔板降噪結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能，其中單層結(jié)構(gòu)采用1#試件，雙層結(jié)構(gòu)表面采用1#微穿孔板，內(nèi)部采用2#。與單層結(jié)構(gòu)相比，雙層結(jié)構(gòu)的作用頻帶明顯變寬，但是峰值部分有所減弱。

圖7　不同穿孔率對(duì)吸聲系數(shù)的影響曲線

圖8　不同板厚對(duì)吸聲系數(shù)的影響曲線

圖9　單層與雙層微穿孔板降噪結(jié)構(gòu)對(duì)比曲線

2　仿真分析

決定微穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲性能的參數(shù)為微孔直徑d，孔板厚度t，孔間距b，以及孔板背后空腔H。微穿孔板的評(píng)價(jià)參數(shù)為吸聲系數(shù)α，帶寬Δf，高吸聲系數(shù)，寬作用帶寬分別與高聲阻，低聲質(zhì)量相聯(lián)系，如何匹配結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到這一要求是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

按照經(jīng)典理論，微穿孔板正入射吸聲系數(shù)可表示為[1]

聲阻

聲質(zhì)量穿孔常數(shù)式中

ω——角頻率；

t——板厚，mm；

d——穿孔直徑，mm；

f0——孔板共振頻率，Hz；

p——孔板穿孔率百分比，%；

D——板后空腔，m。

當(dāng)滿足下面條件為吸聲系數(shù)達(dá)到最大。此時(shí)的吸聲系數(shù)為

對(duì)試件模型進(jìn)行仿真，可得到圖10、圖11，圖中正切曲線與直線的交點(diǎn)處滿足式（12）條件，吸聲系數(shù)達(dá)到峰值。從圖10可以看出空腔厚度與吸聲作用頻帶的關(guān)系，空腔越深，第一個(gè)吸聲峰值對(duì)應(yīng)的頻率越低，與前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。而另一方面，空腔的深度是不影響系統(tǒng)的聲阻的，也即吸聲峰值大小與空腔深度無(wú)關(guān)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)峰值和頻率的雙重控制。

圖10　吸聲體共振發(fā)生頻率仿真曲線1

圖11仿真的模型參數(shù)與1#—4#四種微穿孔板試件相對(duì)應(yīng)，從曲線上可以看出，在高頻部分，吸聲結(jié)構(gòu)的作用頻帶迅速收窄，這一規(guī)律正好可以解釋實(shí)驗(yàn)頻譜中出現(xiàn)多處尖峰的現(xiàn)象。四種試件對(duì)比，1#，4#，2#，3#的吸聲頻依次收窄，但是實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到類似的現(xiàn)象，具體原因還有待進(jìn)一步探討。

圖11　吸聲體共振發(fā)生頻率仿真曲線2

根據(jù)仿真結(jié)果，四種試件的聲學(xué)性能參數(shù)列于表2，吸聲系數(shù)略低于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是兩者具有一致的變化趨勢(shì)。

表2　微穿孔板吸聲體仿真結(jié)果

3結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)研究，得到以下四點(diǎn)結(jié)論：

(1)微穿孔板吸聲體背腔直接影響著微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的作用頻帶，背腔厚度越大，吸聲系數(shù)的第一個(gè)峰值越向低頻區(qū)域移動(dòng)；相對(duì)于開孔率，微穿孔板的板厚對(duì)最終吸聲性能的影響更大；1#、2#雙層組合結(jié)構(gòu)可以有效增加吸聲帶寬；

(2)所設(shè)計(jì)的多個(gè)試件，2#的低頻聲學(xué)性能優(yōu)于其他幾件，3#在高頻區(qū)域降噪效果更好，可以根據(jù)不同的聲源有針對(duì)性的選擇使用；

(3)通過(guò)與駐波管實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，以及數(shù)值仿真，證明測(cè)試平臺(tái)的方案合理，可以用于開展下一步的降噪設(shè)計(jì)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬大猷.微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的理論和設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科學(xué)，1975（1）：38-50.

[2]MAA D Y.Microperforated-panel wideband absorbers[J]. Noise Control Eng.J.,1987,29(3):77-84.

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[4]沈蘇，Goran Pavic，劉碧龍，等.微穿孔板結(jié)構(gòu)在管道聲源特性測(cè)量中的應(yīng)用分析[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2011，36（3）：281-290.

[5]何飛燕，扈西枝，陳挺.孔截面變化對(duì)厚微穿孔板吸聲性能的影響[J].噪聲與振動(dòng)控制，2010，30(1)：141-144.

[6]周城光，李曉東，田靜.雙層穿孔板共振器的非線性聲學(xué)特性研究[J].聲學(xué)技術(shù)，2007，26（5）：980-981.

中圖分類號(hào)：O422.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

文章編號(hào)：1006-1355(2016)01-0200-04

收稿日期：2015-05-13

作者簡(jiǎn)介：呂金磊（1980-），男，河南杞縣人，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心工程師，碩士，主要從事噪聲與振動(dòng)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