黃月芹，黃顯淞，秦軍旭

（1.廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院，廣西 柳州545000；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

噪聲、振動(dòng)及舒適性（簡稱NVH）是汽車最重要的性能指標(biāo)之一[1]，而NVH性能測試與分析離不開聲學(xué)試驗(yàn)室，特別是消聲室，消聲室為NVH試驗(yàn)提供一個(gè)良好的聲學(xué)環(huán)境，對汽車NVH開發(fā)具有重要的意義。消聲室建設(shè)的核心內(nèi)容是聲學(xué)指標(biāo)的設(shè)計(jì)，這其中包含自由聲場要求與吸聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。目前國際國內(nèi)主要的汽車公司及相關(guān)的汽車研發(fā)中心的消聲室聲學(xué)結(jié)構(gòu)為金屬尖劈結(jié)構(gòu)及共振吸聲結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)在實(shí)際的應(yīng)用中各有其優(yōu)缺點(diǎn)，金屬尖劈在中高頻率段具有良好的吸聲效果及較好的聲場均勻性，但是自由聲場的大小與金屬尖劈長度有關(guān)，所要求的截止頻率越低，其尖劈長度就越長，消聲室室內(nèi)的空間利用率就越低，而且尖劈越長，其結(jié)構(gòu)就越容易變形，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)聲場不均勻；共振吸聲結(jié)構(gòu)在低頻率段具有很好的吸聲作用，但是在中高頻段吸聲效果及聲場均勻性較差。本文主要從理論及實(shí)際應(yīng)用的角度來探討金屬尖劈及共振吸聲結(jié)構(gòu)在聲學(xué)試驗(yàn)室建設(shè)中的重要作用，并在此基礎(chǔ)上提出一種新型復(fù)合共振金屬尖劈吸聲結(jié)構(gòu)。

1 自由聲場

消聲室的聲學(xué)指標(biāo)一般采用最低截止頻率、自由聲場半徑及聲場的均勻性來進(jìn)行評價(jià)，為了獲得準(zhǔn)確的聲源的特性，應(yīng)該把聲源放在一個(gè)沒有干擾的理想空間中，這個(gè)空間無限延伸，也就是說聲傳播的各個(gè)方向無干擾，聲波直線傳播沒有反射聲，也無其他聲波的干擾，但是實(shí)際上消聲室空間有限，通過在消聲室各個(gè)面鋪設(shè)強(qiáng)吸聲材料，吸收入射聲波，形成局部無反射的空間，該空間即所謂的自由場空間。由于點(diǎn)聲源的聲波是以球形波的形式傳播，即為發(fā)散式直線傳播，如圖1所示，在傳播過程中球形波如果遇到障礙物將會(huì)進(jìn)行反射或是衍射，任何反射或衍射都將破壞該自由場。所謂的自由場半徑指的是在此半徑范圍內(nèi)沒有任何聲波的反射存在，用于衡量聲學(xué)自由場空間大小[2]。消聲室聲學(xué)自由場半徑及最低截止頻率與消聲室室內(nèi)鋪設(shè)的吸聲材料及吸聲結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，通過對吸聲材料及吸聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以設(shè)計(jì)出不同的自由場半徑及不同的最低截止頻率。要求的截止頻率越低及自由場半徑越大，也就意味著半消聲室聲學(xué)指標(biāo)越好。

圖1 點(diǎn)聲源與球形波傳播

2 金屬尖劈吸聲結(jié)構(gòu)

尖劈屬于被動(dòng)式吸聲的一種，內(nèi)部填充多孔吸聲材料。尖劈吸聲系統(tǒng)從頂部到底部逐漸增大的結(jié)構(gòu)，在滿足較大的吸聲面積的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與空氣阻抗的匹配（即逐漸過渡理論），從而滿足對低頻的有效吸收。一般認(rèn)為，當(dāng)吸聲材料出現(xiàn)在聲波波峰位置（1/4波長）的時(shí)候，將會(huì)出現(xiàn)最大的吸收率（≥0.99%）。尖劈的聲學(xué)特性常用聲壓反射系數(shù)表示，反射系數(shù)≤0.1時(shí)（吸聲系數(shù)≥0.99）所對應(yīng)的最低頻率，稱為截止頻率[3]。尖劈吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲特性主要取決于尖劈的長度和形狀，尖劈的長度L決定了截止頻率，通常尖劈的長度不小于對應(yīng)截止頻率的1/4波長，這種吸聲尖劈的長度L（mm）可以根據(jù)以下公式計(jì)算：

其中：L為金屬尖劈長度；c為空氣中聲速（340 m/s），f為下限截止頻率，λ 為波長。

根據(jù)該公式，半消聲室要求截止頻率為50 Hz時(shí)，尖劈的長度為1 700 mm，這就是著名的四分之一波長理論[4]。要求的截止頻率越低尖劈的長度就越長，占用消聲室的空間就越大，實(shí)物如圖2所示。如果金屬尖劈內(nèi)部填充的是巴斯夫棉吸聲材料，其吸聲系數(shù)與截止頻率關(guān)系如圖3所示，當(dāng)截止頻率為50 Hz時(shí)，吸聲系數(shù)為0.81，當(dāng)截止頻率為100 Hz時(shí)，吸聲系數(shù)為0.99，從試驗(yàn)的角度直接說明金屬尖劈在中高頻率吸聲效果良好，而在低頻吸聲效果較差。由于金屬尖劈結(jié)構(gòu)牢固不易變形，吸聲效果可以長時(shí)間保持穩(wěn)定，其使用壽命年限大于20年以上，又因?yàn)榘胂暿业慕ㄔO(shè)成本比較高，一個(gè)通過半消聲室的建設(shè)費(fèi)用通常要以千萬人民幣為單位，出于建設(shè)費(fèi)用及使用壽命方面的因素考慮，在消聲室要求的截止頻率不低（中高頻率可滿足大部分試驗(yàn)要求）的情況下目前國際國內(nèi)比較流行采用金屬尖劈作為其吸聲結(jié)構(gòu)框架。

圖2 金屬尖劈

圖3 截止頻率與吸聲系數(shù)

3 共振吸聲器

板式共振吸聲結(jié)構(gòu)為反應(yīng)吸聲方式。梅歇爾1994年著文中[5]，論述一種“彈性”板式共振吸聲器，但板共振器只在窄帶范圍起作用的。經(jīng)過多次改進(jìn)后，正如富克斯2001年圖4描述的那樣發(fā)展為寬頻帶的復(fù)合板共振吸聲器，除了質(zhì)量一彈簧共振之外，同時(shí)也可以激發(fā)大量彎曲振動(dòng)。圖4中，一塊0.5~3 mm厚的鋼板，它的整個(gè)面板直至邊界都能受到自由受激自由振動(dòng)。對于這種重量的鋼板（一般重量為5＜m″＜25 kg/m-2），在構(gòu)造深度只有 50 mm~100 mm 的情況下，如果要求在50 Hz~100 Hz或者更低于的頻率，比如31.5 Hz下起作用，顯然僅靠空腔填充松散得吸聲材料，與面板無接觸是不可能達(dá)到最佳的吸聲效果（吸聲系數(shù)接近于1。）克雷默等1974年提出讓幾層面板以很小的內(nèi)摩擦（如鋼板）結(jié)合，再與高內(nèi)摩擦的、不影響板振動(dòng)的彈性材料組合肯定是有利的，同時(shí)最好還讓整塊板在彈性層上“浮動(dòng)”，根據(jù)這個(gè)原則，可以對只在窄帶范圍起作用的板式共振吸聲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)一步優(yōu)化，經(jīng)過多次的改進(jìn)發(fā)展成為寬頻帶的復(fù)合共振吸聲器，除了質(zhì)量-彈簧共振之外，可以同時(shí)激發(fā)大量的彎曲振動(dòng)。復(fù)合板共振吸聲器與板式共振吸聲器的區(qū)別在于：

盡量使用薄的、彈性強(qiáng)的板，根據(jù)需要也可以用很重的面板；

一般構(gòu)造的深度很小，對于主要應(yīng)用頻率范圍為（31~125 Hz）最大深度為d=100 mm

振動(dòng)板的面積趨向于SA>1 m2；

矩形效果更佳，兩個(gè)邊長約為：1.5 m≤LX>LY≥1 m；

結(jié)構(gòu)1與4之間沒有閉合的空氣層；

結(jié)構(gòu)1和2之間長效彈性點(diǎn)連接；

把吸聲器在墻上或是頂板上的固定安裝構(gòu)造，不得妨礙板的振動(dòng)；

可按需要調(diào)整吸聲器的框架側(cè)面板的穿孔率，使得聲波從側(cè)面進(jìn)入多孔層2，起到另一個(gè)附加吸聲體的作用，在頻率范圍A之后，銜接到范圍B（125 Hz以上）。板式共振吸聲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 板式共振吸聲結(jié)構(gòu)

4 新型復(fù)合共振金屬尖劈吸聲結(jié)構(gòu)

為了滿足工業(yè)界用戶對低頻測試的要求，國內(nèi)所有的新建的通過噪聲半消聲室都大部分已經(jīng)要求能夠進(jìn)行低至截止頻率至少為40 Hz（通過噪聲測量），這是技術(shù)發(fā)展的方向。同時(shí)如考慮通過噪聲聲源排序，問題源尋找，結(jié)合車輛通過噪聲的聲源（進(jìn)氣、排氣、發(fā)動(dòng)機(jī)、胎噪、風(fēng)噪等主要聲源），特別是尾排噪聲，通常要考慮到 31.5 Hz，所以試驗(yàn)室通常也會(huì)要求提供截止頻率31.5 Hz滿足尾排測試點(diǎn)自由場半徑的要求[6]。國外的整車噪聲消聲室，如德國大眾、保時(shí)捷、荷蘭DAF等，可以在一定范圍內(nèi)測量到25 Hz。如果要到達(dá)到31.5 Hz，采用尖劈，尖劈差不多要2.7 m，房間兩側(cè)加起來需要5.4 m，這要求房間的體積很大，造成空間上及大的浪費(fèi)。

根據(jù)金屬尖劈的吸聲特點(diǎn)及復(fù)合共振板吸聲結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，研制出了一種占用空間小但是在低、中、高頻上都具有很好吸聲作用的復(fù)合共振金屬尖劈新型吸聲結(jié)構(gòu)。為了與普通金屬尖劈進(jìn)行比較，還是以半消聲室截至頻率為50 Hz進(jìn)行比較，按照四分之一波長理論計(jì)算，截至頻率為50 Hz時(shí)，尖劈的長度為1 700 mm，如果采用的是新型的復(fù)合共振金屬尖劈結(jié)構(gòu)，同樣是50 Hz的截至頻率，結(jié)構(gòu)總長（L）為650 mm，安裝空腔50 mm，金屬穿孔鋼板采用0.8 mm厚鍍鋅鋼板，如圖所示5所示。

圖5 復(fù)合共振金屬尖劈節(jié)點(diǎn)

復(fù)合共振金屬尖劈結(jié)構(gòu)外部采用的對聲波無阻礙的金屬?zèng)_孔外殼，內(nèi)部由進(jìn)口聚酯纖維及Basotect巴斯夫吸聲材料以及對低頻噪音起吸聲作用共振頻率為50 Hz的共振板構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)具有簡潔美觀，節(jié)約空間，吸聲性能出眾和抗沖擊性高的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合共振金屬尖劈結(jié)構(gòu)的組成：

（1）最外部是由0.8 mm鍍鋅沖孔板加工成的外殼罩面；開孔率大于等于40%左右；

（2）沖孔板后緊貼絕熱阻燃纖維布，增加摩擦阻力，增加吸聲效果；

（3）纖維布后為防潮層；該防潮層是為滿足南方潮濕天氣設(shè)計(jì)的；

（4）接下來增加進(jìn)口聚酯纖維環(huán)保吸聲材料，作為在中高頻段的吸聲材料；

（5）在進(jìn)口聚酯纖維環(huán)保吸聲材料層后面是1.5~2.0 mm的鋼板，作為共振板；

（6）共振板后面是進(jìn)口Basotec，巴斯夫吸聲棉，增加共振板振動(dòng)的阻尼損耗，提高吸聲效果使共振板的共振頻率范圍變寬。

復(fù)合共振金屬尖劈新型吸聲結(jié)構(gòu)既包含了金屬尖劈空氣阻抗及聲阻抗逐漸過渡的吸聲原理所帶來的中高頻的吸聲優(yōu)勢，也融合了共振器對低頻吸聲吸聲帶來的附加價(jià)值。為了改善系統(tǒng)的低頻特性，根據(jù)復(fù)合板共振吸聲器的特點(diǎn)，可以在位于金屬尖劈內(nèi)部設(shè)計(jì)薄板共振結(jié)構(gòu)，板后預(yù)留一定的空間，形成共振聲學(xué)聲腔。在此結(jié)構(gòu)中，薄板的彈性和其后的空間層彈性共同構(gòu)成了共振結(jié)構(gòu)的彈性，而質(zhì)量由薄板結(jié)構(gòu)的質(zhì)量確定。在低頻時(shí)，可以將這種共振結(jié)構(gòu)理解成單自由度的振動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)聲波的激率頻率與薄板結(jié)構(gòu)的共振率一致時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生共振，薄板產(chǎn)生較大的變形，薄板在變形的過程中，將吸收聲波能量，起到消聲作用。在共振器后面的空腔中填充一定量的多孔材料，可以增加共振版振動(dòng)的阻尼損耗，提高吸聲效果，使共振版的共振吸聲頻率范圍變寬。

薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率計(jì)算公式為：

式中 ρ為空氣密度（kg/m3）；c為聲速（m/s）；m為板的面密度（kg/m3）；D為板與剛性壁之間空氣厚度（m）；K為剛度因素，kg/（m2·s2）

K與板的彈性、骨架結(jié)構(gòu)、安裝情況有關(guān)、對于矩形薄板（邊長為a和b，厚度為h），有：

式中E為板材的楊氏模量，δ為泊松比。

當(dāng)復(fù)合共振金屬尖劈吸聲結(jié)構(gòu)同樣采用進(jìn)口巴斯夫棉作為吸聲材料時(shí)，采用駐波管法進(jìn)行試驗(yàn)得出其截止頻率與吸聲系數(shù)關(guān)系如圖6所示。截止頻率為40 Hz時(shí)，吸聲系數(shù)已經(jīng)達(dá)到0.89，而當(dāng)截止頻率為50 Hz時(shí)，系數(shù)系數(shù)可達(dá)到0.99，截止頻率為100 Hz時(shí)，吸聲吸聲接近于1，從理論與實(shí)驗(yàn)的角度充分說明復(fù)合共振金屬尖劈結(jié)構(gòu)在低中高頻率都具有較好的吸聲作用，并且其吸聲結(jié)構(gòu)的長度與金屬尖劈結(jié)構(gòu)相比大大縮短，大大提高消聲室房間空間的利用率。其最終的復(fù)合共振金屬尖劈吸聲機(jī)構(gòu)實(shí)物如圖7所示。

圖6 新型吸聲結(jié)構(gòu)截止頻率與吸聲系數(shù)

圖7 新型復(fù)合共振金屬尖劈吸聲結(jié)構(gòu)實(shí)物

5 結(jié)束語

通過分析研究兩種不同的吸聲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)代NVH測試發(fā)展的需求，消聲室截止頻率至少為40 Hz及以下（通過噪聲測量），研制出的新型復(fù)合共振金屬尖劈吸聲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)既包含了金屬尖劈空氣阻抗及聲阻抗逐漸過渡的吸聲原理所帶來的中高頻的吸聲優(yōu)勢，也融合了共振器對低頻吸聲吸聲帶來的附加價(jià)值，因此，該結(jié)構(gòu)在低中高全頻率段上有優(yōu)勢的吸聲效果。同時(shí)該結(jié)構(gòu)使得空間利用率最大化，目前該吸聲結(jié)構(gòu)已經(jīng)成功運(yùn)用到國內(nèi)某一汽車整車半消聲試驗(yàn)室，獲得重大成功。