（车辆工程专业论文）通透微穿孔板吸声结构的设计及研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着现代工业和交通运输业的发展，铁路运输和交通轨道在带来巨大的社 会效益、经济效益的同时，也带来了许多环境问题，其中噪声污染是比较突出的 问题。 噪声污染已经成为人们讨论的焦点，它严重影响人们正常的工作、学习和生 活，给人的身心造成极大的危害，因此必须对噪声进行有效的控制。微穿孔板吸 声结构是近几年发展起来的对噪声控制的有效途径，已经得到广泛的应用。 本文介绍了微穿孔板吸声结构吸声降噪的原理及基本理论，并结合大量国内 外资料以及实测数据，给出了微穿孔板结构的设计参数，详细分析了影响其吸声 降噪的主要因素，并对其进行理论和实验研究，通过对实验结果的分析，确定其 吸声系数是否达到所需的要求，同时提出了相应的完善措施。 在实验方面，选用有机玻璃作为实验材料，按要求对其进行打孔等操作，利 用自己设计的参数数据，在所建立的小型隔声室内用混响室法和传递函数法进行 吸声系数实验测定，以验证通透微穿孔板吸声结构的吸声系数是否达到所需要求。 本文提出的声屏障内部通透微穿孔板吸声结构的设计与实验验证，对我国铁 路方面噪声的控制具有很重要的意义。 关键词：噪声污染；微穿孔板；吸声结构；吸声降噪；有机玻璃；吸声系数；隔 声室；通透；混响室法： 分类号：t b 5 3 3 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r ya n dt r a f f i ct r a n s p o r t a t i o n b u s i n e s s ，w h i l et h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o na n dt h et r a f f i ct r a c k a r eb r i n g i n gt h e e n o r m o u ss o c i a lb e n e f i ta n de c o n o m i cb e n e f i t s ，s o m ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，s u c ha s t h en o i s ep o l l u t i o nb e c o m e s m o r eo u t s t a n d i n gp r o b l e m t h en o i s ep o l l u t i o nh a sa l r e a d yb e c o m et h ef o c u st h a tp e o p l eh a v eb e e nd i s c u s s i n g i ti n f l u e n c e sp e o p l e sn o r m a lw o r k ，s t u d ya n dl i v i n gs e r i o u s l ya n dc a u s e sg r e a td a n g e rt o s o m e b o d y sb o d ya n dm i n d s ow em u s tc a r r yo ne f f e c t i v ec o n t r o lt ot h en o i s e ，b u tt h e a b s o r b i n gs t r u c t u r eo fm i c r o p e r f r a t e dp a n e li s t h ee f f e c t i v ew a yt on o i s ec o n t r o l l i n g w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s ，w h i c hh a sa l r e a d yw i d e l yu s e d t h i st e x tc o n s u l tr e l e v a n tm a t e r i a l sa n du n d e r s t a n dt h ep r i n c i p l ea n db a s i ct h e o r i e s o fs o u n da b s o r p t i o na n dn o i s er e d u c t i o no ft h ea b s o r b i n gs t r u c t u r eo fm i c r o p e r f r a t e d p a n e lp r i n c i p l ea tf i r s t ，c o m b i n e sal a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm a t e r i a l s a n dt h es u r v e y i n gd a t a s ，a n dp r o v i d e st h ed e s i g n i n gp a r a m e t e ro ft h ea b s o r b i n gs t r u c t u r e o fm i c r o p e r f r a t e dp a n e l ，t h u sw h i c hs e t t l e st h es o l i df o u n d a t i o nf o rd e s i g n i n go ft h e s t r u c t u r el a t e r t h et e x td e t a i l e d l ya n a l y s e st h em a i nr e a s o no fs o u n da b s o r p t i o na n d n o i s er e d u c t i o nf i n a l l y , a n dc a r r yo ns t u d y i n gt h et h e o r ya n de x p e r i m e n t t h r o u g ha n a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t ，t h a tc o n f i r m e st h ev a r i o u sm a i nf a c t o r so fi n f l u e n c i n g t h ep e r f o r m a n c eo fs o u n da b s o r p t i o na n dp u t sf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o l m e a s u r ea tt h es a m et i m e i ne x p e r i m e n t ，a tf i r s tw er e g a r dl u c i t ea st h ee x p e r i m e n tm a t e r i a la n dm a k eu s eo ft h e p a r a m e t e rd a t a sw h i c ha r ed e s i g n e db yo n e s e l f , c a r r yo nr e l e v a n ts t e p so fp u n c h i n ge t c t ot h ee x p e r i m e n tm a t e r i a l ；t h e nw ec a r r yo nt h ee x p e r i m e n to ft h et e s to ft h es o u n d a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tb yt h er e v e r b e r a t i o nr o o mm e t h o di nt h es m a l l - s c a l es o u n d i n s u l a t i o nr o o mw h i c hi ss e tu p ，i ti sm a i n l yt os t u d yw h e t h e rt h es o u n da b s o r p t i o n c o e f f i c i e n to ft h ea b s o r b i n gs t r u c t u r eo fc l a r i t ym i c r o p e r f r a t e dp a n e lr e a c h e st h e p r e s c r i p t i v er u q u e s t t h ed e s i g n i n ga n dt h ee x p e r i m e n tv a l i d a t i n go ft h ea b s o r b i n gs t r u c t u r eo fc l a r i t y m i c r o p e r f r a t e dp a n e lw i t h i nt h es o u n db a r r i e rt h a tt h i st e x tp u t sf o r w a r dp e n e t r a t i n g l y , w h i c hp l a y sav e r yi m p o r t a n tp a r ti nc o n t r o l l i n gt h er a i l w a yn o i s eo fo u rc o u n t r y k e y w o r d s ：n o i s e p o l l u t i o n ；m i e r o p e r f r a t e dp a n e l ；s t r u c t u r eo fs o u n da b s o r p t i o n ； v l l 北京交通人学硕十学位论文 n o i s er e d u c t i o na n ds o u n da b s o r p t i o n ；l u c i t e ；s o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ；s o u n d i n s u l a t e dr o o m ；t r a n s p a r e n t ；r e v e r b e r a t i o nr o o mm e t h o d ； c l a s s n 0 ：t b 5 3 3 l l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：多镪 签字r 期：小。宫年角彩同 导师签名：瓣呜 签字同期：私财年舌月汐a 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：叛悉、 签字日期：扣雷罗年月矿日 致谢 本文的研究工作是在恩师宋雷鸣副教授的悉心指导和督促下完成的。从论文 的选题、模型的建立、理论的指导和讲解、实验的实施到论文的编排和最后出稿 的整个过程，宋老师都倾注了大量的心血。宋老师一直倡导理论与实际相结合， 坚持多学科相融合的治学之道。他渊博的知识、严谨务实的治学态度和科学的工 作方法给了我极大的鼓舞和帮助，为我树立了从事科学工作的榜样。在此，我谨 向宋老师表示由衷的感谢! 还要向实验室的张新华老师表示衷心的感谢! 他对我平时的学习、生活和工 作，给予了许多关怀和帮助。在实验过程中给予我悉心的指导和极大的启发，并 对论文提出了宝贵的意见。 在实验室工作及撰写论文期间，感谢实验室的各位师兄师姐以及师弟们对我 论文中的实验实施工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后我要感谢我的亲人和朋友们的奉献和支持，谨以此文向他们致以最诚挚 的谢意。 l 绪论 1 1 选题背景 1 绪论 近几年来，随着我国国民经济、社会生产的迅速发展和人们环保意识的提高， 环境污染愈来愈引起社会的重视，而噪声污染则是环境污染的焦点之一，它已经 成为全世界都十分关注的问题，与水污染、垃圾污染、空气污染并列为现代环境 的四大公害。噪声污染不仅影响人们正常的工作、学习和休息，而且危害到人们 的身心健康。据科学分析，一方面，强噪声可以引起耳部的不适，干扰休息和睡 眠，对视力产生损害，严重时甚至损害心血管，引起神经系统紊乱和精神障碍， 使工作效率降低，甚至导致事故的发生。另一方面，噪声还会对交通系统相应的 设备和结构以及周边建筑物和设备产生疲劳破坏，缩短有效使用寿命，严重的可 能影响人们的生命财产安全【1 】【2 】【3 】。因此环境噪声的控制也越来越受到人们的重视， 己经成为环境保护的一项重要内容。 噪声控制研究可从声源、传播途径和接收点( 人或仪器仪表) 三个基本方面 入手。即研究噪声发生机理，从声源上根治噪声；在噪声传播途径上采取措施， 控制噪声传播；在接收点采取防护措施控制噪声。在实际中噪声控制必须综合考 虑，应该把对人的保护、对生产的影响以及可能达到的技术指标等因素都联系起 来考虑，得到最佳方案。从控制途径上讲，噪声控制主要有主动控制、被动控制 两种方法1 4 】。传统的噪声控制大多是通过被动控制技术对噪声采用声学控制方法， 被动噪声控制又称为“无源”噪声控制( p a s s i v en o i s ec o n t r 0 1 ) ，其方法多种多样， 主要有隔声处理、吸声处理、加装消声器、振动的隔离、阻尼减振等。前三者的 消声机理在于，通过噪声声波与声学材料或声学结构的相互作用来消耗声能，振 动的隔离和阻尼减振的消声机理在于，通过降低结构振动来降低声辐射。经过长 期理论研究与技术实践，被动噪声控制技术已较为成熟，广泛应用于多个领域。 相对应地，从二十世纪中期至今，噪声控制已得到了长足的发展。广大声学 科技工作者经过长期不懈的努力，在噪声控制研究和工程实践中，做出了令人瞩 目的成绩，不仅使噪声污染得到有效的控制，同时促进了工业的发展和产品的进 步【5 】o 因此为了有效的控制噪声，必须研究能够降低噪声的结构，而噪声治理的有 效措施之一就是在线路的两侧设置声屏障，声屏障设计作为一种控制噪声的有效 手段在国外得到广泛应用1 6 1 。目前声屏障特别是透明的声屏障主要是利用吸声材料 来达到降低噪声的目的i _ 7 1 ，所以为了提高降噪的效果，增强对噪声的控制能力，研 北京交通人学硕十学位论文 究与设计一种具有吸声性能通透微穿孔板结构来代替吸声材料的任务也更加重要 和迫切。 1 2 国内外研究现状【8 】【9 】f 1 0 】【l l 】【1 2 】【1 3 】 声屏障技术在降噪应用中，是一种最简单有效的方法，也是最经济的方法。 通过在声屏障内部添加吸声材料或者吸声结构来达到吸声降噪效果，从而减少道 路交通噪声的干扰，已经引起了国内外广泛的关注和研究。 1 2 1 国外研究现状 一些发达国家如日本、德国、法国、英国、加拿大等国早在2 0 世纪6 0 年代 就开始研究道路声屏障技术，到7 0 、8 0 年代已在声屏障的设计和施工方面进行了 深入研究和大量实践，积累了丰富的经验。 f 1 本把“公路上采取的环保措施，主要针对噪声防治和景观保护，修建公路 声屏障是主要的防噪措旋”写进国家干线公路环境保护规范。日本新干线统一 采用距离铁路线路中心线2 5m 处，距地面1 2m 高的测点评价不同声屏障降噪效 果。德国、英国铁路采用距离铁路线路中心线2 5m 处，距轨面3 5m 高的测点评 价不同声屏障降噪效果，该测量点位是根据i s 0 3 0 9 5 标准规定的测点位置。同本 在1 9 8 3 年的统计资料显示日本城市中高速公路声屏障设置率高达8 0 。至1 9 9 0 年同本仅高速公路上的声屏障就长达1 1 3 7 公里，全部道路的声屏障总长度已达 1 5 7 3 公罩。到9 0 年代美国己修建公路声屏障约7 2 0 0 公里，投入约3 0 亿美元，还 设计了公路声屏障专家设计优化系统，进一步提高了道路声屏障的设计水平。德 国早在1 9 7 4 年就颁布污染防治法，要求在公路选线时，极力避免对周围环境产生 有害的影响。如找不到更有利的公路路线，则要修建声屏障，将公路与住宅区隔 丌。在1 9 9 7 年，其修建的道路声屏障的总长度已达到5 0 0 0 多公里。 近年来，国外道路声屏障技术不断发展，总的来说有如下趋势： 1 、注重道路声屏障与景观协调设计 2 、多用低成本材料建造道路声屏障 3 、声屏障构造形式的有效性 4 、提倡在声屏障内、前后种植各类植物 在噪声控制方面，据国外经验，由于铁路交通噪声的频谱、声源方向和 2 l 绪论 位置情况与公路交通噪声不同，并且声屏障能较好地降低铁路运行噪声的高频部 分和铁路声屏障的位置要比公路更靠近声源，因此采用同样的声屏障对降低铁路 噪声要比降低公路噪声效果明显得多。早在上世纪6 0 年代之间的日本便丌始了声 屏障的研究和实践。声屏障技术在上世纪7 0 年代中期有较大发展，特别是在新干 线开通后对声屏障的结构和型式进行了很多研究和实践。主要采用直立型和倒l 型声屏障，取得了很好的效果。图1 1 和图1 2 分别给出了日本新干线高架桥在有、 无声屏障时测得的声场分布曲线，通过对两图比较可以清楚地看出，由于声屏障 对噪声的遮挡作用，高架桥的外围声场的噪声水平在有声屏障时比无声屏障时有 明显的降低。 7 ；r j ?覃 口五r m饿i f 月 舀傍 一】 _ l o ，7 i ；i o l尹簋晒厂弋 o 。 竹_么 r 厂 钳 掣i 。 r ， 舅。 铺+ 一踊脚! )， 一 二 一1f嬲 e 、_ _ 。多 l 泰 啖、一p t 墨国 、 庸h t 旺 满 _ _。a 重 - 毫、7 一 图1 1 日本新干线高架桥的声场分布( 无声屏障时) f i g1 1s o u n df i e l do ft h er a i l w a yb r i d g eo f t h es h i n k a n s e n ( n o n - b a r r i e r ) m 图1 2 日本新干线高架桥的声场分布( 有声屏障时) f i g1 2s o u n df i e l do ft h er a i l w a yb r i d g eo ft h es h i n k a n s e n ( w i t hab a r r i e r ) 北京交通人学硕十学位论文 1 2 2 国内研究现状 随着我国高等级公路建设的迅速发展，以及高速铁路和轻轨建设的全面丌始， 车辆噪声对周围环境的影响已引起了社会上广泛的重视。在我国8 0 年代末，由于 城市道路的发展和环保法规的完善，在一些城市相继出现了一些声屏障，这些声 屏障的建造为我国道路声屏障设计、施工提供了宝贵的经验。1 9 9 2 年贵州省贵阳 一黄果树高速公路贵州工学院路段上安装了百米的试验性声屏障，这是我国将声 屏障应用于道路上作为降噪措施的先例。1 9 9 3 年在陕西省西一三一级公路罗李小 学段修建了国内第二座公路声屏障。此后，上海的内环线、成都路高架桥、杨浦 大桥沿线1 3 个区段约几十公早的道路均已设置了声屏障：北京西三坏路局部路段 安装了长3 米、高2 6 米的声屏障。广州内环线路也先后设置了声屏障。另外，南 京惠民大道声屏障工程，浙江省杭州上塘高架路声屏障工程也于2 0 0 0 年先后竣工， 国内其他一些城市也相继建造了一些公路或铁路声屏障。因此声屏障工程作为缓 解交通噪声已经在国内得到广泛的应用。 我国对铁路噪声的研究起始于上世纪七十年代末八十年代初。上个世纪九十 年代以来，以北方交通大学噪声振动研究室为代表的铁路院校，科研单位，铁路 局等有关部门对铁路噪声的理论研究与治理措施的研究已经全面展开。涉及的内 容有：机车低噪声风笛的研究( 北方交大) ，广深准高速铁路石龙特大桥折角式吸 声型声屏障的声学设计( 北方交大) ，京沪线高速铁路环境影响分析可行性研究( 铁 道部劳卫所、西南交大) 。进入2 l 世纪，我国对铁路噪声的研究有了更大的进展， 如由铁道部主持的，北京交通大学( 原北方交大) 振动与噪声研究室承担的秦沈、 宝兰二线、内昆线环境后评价的研究，铁路机车车辆动车组运行辐射噪声标准参 数的研究等等。 同时，使用各种声学材料和结构制成声屏障目前成为降低轨道交通噪声的有 效手段。如北方交通大学张新华等人针对广深1 6 0 k m h 准高速铁路桥梁而设计的 声屏障；上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室蒋伟康等在研究了轻轨 交通噪声的频率特征后设计的阻抗复合型声屏障；同济大学声学研究所毛东兴等 应用微穿孔板理论，提出了以微穿孔板共振吸声结构为基础的带有顶部吸声柱体 的新型吸声隔声屏障。 在国内，s h p w 型微穿孔板共振吸声屏障经前期的科学研究和样品试制后， 在延安路高架道路西段进行了实际应用，取得了良好的效果，得到了用户的好评。 将透明微穿孔板吸声结构作为一种户外降噪声屏障，属国内外首创，达到圈际先 进水平，该产品的试制和应用的成功，为我国户外道路交通噪声和设备噪声控制 4 1 绪论 提供了新的降噪元件，对改善城市环境声质量和环保产业的发展具有重要意义。 1 3 课题主要研究内容 目前看来，关于在声屏障内部放置具有吸声性能通透声屏障微穿孔板结构的 研发与设计还在初级阶段，特别是在我国应用的更少，主要是在内部放透明吸声 材料。虽然道路上的通透声屏障不少，但是具有吸声性能的不是很多。本文将围 绕国内外通透声屏障的研究现状，设计一种具有吸声性能的微穿孔板结构。 1 3 1 主要研究内容 l 微穿孔板吸声结构的理论分析与研究 通过对微穿孔板吸声结构吸声降噪基本原理及相关理论的研究，了解了影响 微穿孔板吸声结构吸声性能的结构参数，为通透微穿孔板吸声结构的设计打下了 坚实的理论基础。 2 通透微穿孔板吸声结构结构参数的设计 通过参考国内外相关资料及吸声降噪的基本原理，初步设计了微穿孔板吸声 结构的结构参数。 3 实验前的准备工作 主要是实验条件的确定和实验材料，实验仪器的准备，这是实验进行的关键 部分。 4 实验测试阶段 主要是在建立的小型隔声室里用混响室法以及在阻抗管中用传递函数法对微 穿孔板吸声结构的吸声系数进行实验测量。 5 对测得的实验数据用声学平台、信号分析等软件处理，得到微穿孔板吸声 结构的混响时间和传递函数，通过公式求出微穿孔板吸声结构的吸声系数，并分 析其吸声降噪的效果以及确定其吸声系数是否达到所需的0 7 以上。 6 最后，总结全文内容，提出了进一步完善本文工作所需要解决的问题。 1 3 2 主要研究意义 l 到目前为止，国内对于在通透声屏障内部放置具有吸声性能通透微穿孔板 北京交通人学硕十学位论文 吸声结构的研究还方兴未艾，本课题的研究将大大丰富了这个领域的现有理论及 实践应用。 2 本文对通透微穿孔板吸声结构的研究与设计，将提高铁路和公路旁声屏障 对于噪声的控制以及增大其吸声降噪的效果，减少噪声对环境的影响。 3 本文设计的微穿孔板吸声结构的成本低，各方面的性能都比较好，对噪声 控制费用的节俭起到了一定的指导作用，对声屏障的设置和今后声屏障的应用与 研发所使用的费用起到了更好的节俭与控制。 6 2 微穿孔板吸声结构的基本原理及理论分析 2 微穿孑l 板吸声结构的基本原理及理论分析 2 1 微穿孑l 板吸声结构的基本原理 微穿孔板吸声结构的理论是在普通穿孔板结构的基础上提出来的。 由于普通穿孔板( 穿孔直径大于l o m m ) 的声阻很小，因此吸声频带很窄。为使 普通穿孔板吸声结构在较宽的范围内有效地吸声，必须在穿孔板背后填充大量的 多孔材料或敷上声阻较高的纺织物。但是，如果把穿孔直径减小到lm m 以下，则 不需另加多孔材料也可以使它的声阻增大，吸声系数明显提高，吸声带宽明显增 大，这就是微穿孔板【l 引。微穿孔板是指在薄板上穿以孔直径小于1m m 的微孔，穿 孔率一般为0 5 一5 ，后部留有一定厚度空气层( 也称空腔) 。空气层内不填任何 吸声材料。微穿孔板主要是利用声波传过时空气在小孔中来回摩擦消耗声能，并 利用腔的大小来控制峰的共振频率，腔越大，共振频率越低【1 5 】【1 6 】。 2 2 微穿孔板的声阻抗率【1 7 】【1 8 1 微穿孔板吸声结构体系由大量丝米级小孔的薄板，再加上板后的空腔组成， 可以看作具有声阻和声抗的声学元件，其结构及其等效电路如图2 1 所示。 p ， 目 髭壁 d 墓 丑。， b ) 等效电路 图2 1 微穿孔板吸声结构及等效电路图 f i g2 1a b s o r b i n gs t r u c t u r ea n de q u i v a l e n tc i r c u i to fm i c r o p e r f r a t e dp a n e l 北京交通人学硕十学位论文 微穿孔板可以看作大量的微管的并联，如果孑l i b j t f 离比孔径大多时，可以假 设各孔( 及各微管) 的特性互不影响，微穿孔板的声阻抗简单地即等于单孔的声阻 除以孔数。在另一方面，当孔间距比波长小得多时，孔问面板对声波的反射也可 忽略不计。根据c r a n d a l l 的基本理论可获得微穿孔声阻抗的计算公式，把圆管中 的空气看成由大量厚度极薄的同轴圆柱层形成，每层沿轴向的运动要受其惯性和 与轴向速度在径向的梯度成下比的粘滞阻力的限制。如微管两端问的声压差为 a p ，运动方程式即为： 厂、 册一里旦l 旦“1 - 丝 ( 2 1 ) 。 砒i 钆t 式中p 为空气密度，q 为空气粘滞系数， 径向的函数，在管壁上为零，管心上最大， 时间微分可以代以j 缈乘积，而写做 u 为空气沿轴向的质点的速度，u 为 t 为管长，考虑j 下弦运动，( 2 1 ) 式 睁播榭卜鲁 协2 ， k 2 ：一坐笙 玎 比卜卦榴 协3 ， 因为在管壁上，巧= 所以质点速度必须为零。式中j 。代表零阶b e s s e l 函数 会寺弘孵一老跨2 糕 协4 ， 式中以为一阶b e s s e l 函数，根据声阻抗定义( 声阻抗为媒质中某点的有效声 压与该点的质点速度的比值) ，微管的声阻抗为： 孕a 甜p = f l o p t 恃i 榴j - l 5 ， 甜庀、f 一 i 七一，ll 式中k 为 片铲挣吾 2 微穿孔板吸卢结构的基本原理及理论分析 厚黼性附面层厚度，故k 为压半径与附面层厚舭为运动粘滞融 d 为孔的直径。 ( 2 5 ) 式在细管和粗管的近似值分别为： 乙寸；掣+ 丁3 2 p l j t 育j 一- p t 岫w 孓q + n 管的粗细是按k 值的大小区分的。z l 的实部是声阻率局， o j m 。( m 。是声质量率) 。由以上结果可以看出 兄 6 茄_ 乒 而 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 虚部是声抗率 ( 2 - 8 ) 击o j m 一袁1 ( 2 - 9 ) lb 1 0 + 詹 在k = l ，r , 6 0 m 。= 6 时吸收频带宽度可以达到很大的值。而在k = l o 时， 羁缈m 。= o 1 4 ，吸收频带就非常窄了。普通穿孔板结构须另加吸声材料，原因就在 与此。微穿孔板使k 约在1 与1 0 之间，因而不用其它的吸声材料就使吸收频带较 宽。构造一个z l 等式，在k 小时趋近( 2 6 ) 式，而在k 大时趋近( 2 7 ) 式，可得 乙：等压+ 翮 ( 2 1 0 ) 将此值与准确值( 2 5 ) 式比较，二者符合甚好，最大误差为6 。( 2 1 0 ) 式 适合于任何k 值，可代替( 2 6 ) 、( 2 - 7 ) 二式为更好的近似值。k 当然不能太大， 在管中出现横波时，上面的式子就无用了。管长t ( 即穿孔板厚度) 如不是比管径d 大的多，就须加上末端改正值。声质量的末端改正值是由末端的声辐射而来，使 有效管长增加0 8 5 d ( 计算两端辐射) 。声阻的末端改正是由于空气出入微管时有一 部分障板流动，因而产生磨擦损失所致，因此可求得f ，两端都是无穷面障板时， 声阻率增加2 2 印7 7 。这两部分都应加于( 2 1 0 ) 式。 微穿孔板的声阻率，如果假没各孔问互不影响，就等于单管的声阻抗率( 括末 端改正值) 除以穿孔率p ( 每单位板面积上孔的总面积) 。以空气的特性声阻胪 9 虑 卜t l 北京交通人学硕十学位论文 和 ( c 为声速) 为单位，微穿孔板的相对声阻抗就等于： z = l = r + j o m 其中相对声阻和相对声质量分别为： ，= 器 鹰+ 钏 f m = 一 p c1 + 虐地8 5 孚 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 将己知值代入以上两式，并取c = 3 4 0m s ，u = 1 5 x l o m s ，d ，t 的单位用 毫米，p = 7 8 5 d 2 b 2 ( p 为百分数) ，b 为孔问距离( 毫米) 。于是得 r ：了0 1 4 7 三t ( 2 1 4 ) d p 聊= 0 2 4 9 1 0 - 3 一t k ( 2 1 5 ) p 其中声阻常数和声质量常数分别为： k = 1 + + 0 8 sa _( 2 1 6 ) f 以= + 孚号 协，7 ， 而 尼= 詈吾= d 焉 c 2 - t 8 ， 以上各式只限于非金属板，传导系数非常小的情况。微穿孔板如果用金属或 和热传导大的薄板制造，还应计入热传导的影响。对于金属管的声学特性，c r a n d a l l 曾有比较详细的讨论。在正常声场中，空气的压缩是绝热过程。但是在金属管中， 接近管壁的空气即保持恒温，任何热量变化，立即被管壁传开。如果管非常细， 整个管内的空气就处于恒温状态。热量的传导代表能量的损失，因此管内的阻尼 要加大。这项加大等于把以上各式的u 值改为u + v ，v 为空气的温度传导系数( 温 l o 2 微穿孔板吸卢结构的基本原理及理论分析 度梯度为1 0c m 时，每秒钟单位厚度的温度增加) 为2 1 0 。5 米秒两者相加，| l + v = 3 5 6 x 1 0 5m 2 s ，把这个值代入( 2 1 2 ) ，( 2 1 3 ) 二式，就得到金属微穿孔板的 公式： 砖和k 仍为( 2 - 1 6 ) 和( 2 - 1 7 ) 尼= o 2 1 a r f 2 3 微穿孔板吸声结构的基本方程 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 微穿孔板吸声结构是共振吸声体，由图2 一l 的等效电路可以求得其吸声特性。 图z d 为板后空腔的声阻抗率，其值按一般计算为： z d = 一j p c c t g o d c ( 2 2 2 ) 在正入射的条件下，吸声系数( 被吸收的声功率与入射功率的比值，亦被吸收 的声功率与其极大值得比) 为： ，4rpc 口= | 可 ( r + 胪) 2 + ( 甜m p c c t g c o d i c ) 2 4 ，| ( 1 + 厂) 2 + ( 缈聊一c 辔( 加c ) ) 2 ( 2 2 3 ) 4 ， ( 1 + ，) 2 + ( 2 z g y c t 9 2 z y ) 2 式中 y 2 d i e = d a ( 入：波长) ( 2 2 4 ) g = m c d ( 2 2 5 ) 在共振频率时，有： 0 0 m + o o d l 3 c c d = 0 ( 2 2 6 ) 可求得微穿孔板吸声结构的共振频率为： k ，一p t r p 册 5 9 型 珥 3 一矿 眨 n o = = r m 北京交通人学硕十学位论文 ， 1 j o2 i z 万 吸卢系数a 在共振频率时为最大 定义微穿孔板的阻抗比： 半吸收频率的相对半带宽为： 共振频率五满足 4 r 2 丽 厂8k 。 铲一c o r n2 了x 蒜 一k 一 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 肛a 厶f = ( t a n 一1 ( 州 ( 2 - 3 。) c o o m - c t g ( a ) o d c 1 - - 0 ( 2 - 3 1 ) fd1 = c o t li 、 f y = c o o m _ | i 时 误差很快加大。因此，近似理论的应用范围以a l 时增加r 值，吸声系数要降低，但频带显著加宽。 2 5 微穿孔板结构的基本方程的精确解法 求微穿孔板吸声体的共振特性需解( 2 3 2 ) 式，在这之前由表2 1 司以看出变 化关系，这就是带宽随o ) o d c 和r 的增加而增加。由图2 1 可知m 减少时c o o d c 增加的极限是1 2 万，而半吸收点是对称地在吉万千t a i l 1 ( 1 + 厂) ，由此就得到吸声频带 半宽度 , , f i f o = ( 4 n ) t a n 。1 ( 1 + r ) ( 2 4 5 ) 而频程 左一 石c t g 。1 ( 1 + r ) ( 2 - 4 6 ) 此值列于表2 2 中，由此可见微穿孔板吸声体在宽带吸声方面的潜力极为可观。 北京交通人学硕：十：学位论文 表2 2 微穿孔极可达至u 的吸卢带宽 t a b2 2t h ea b s o r b i n gb a n d w i d t ho fm i c r o p e r f r a t e dp a n e l rl2345 鸡f o 1 4 1 01 5 9 01 6 8 81 7 9 4 91 7 9 0 k l 、 5 7 8 8 7 61 1 8 21 4 9 11 8 0 2 要求吸收带宽的精确通解，就只能求( 2 3 2 ) 式的数字解。做法是令 q = o o a 哆= 6 ，( 2 3 2 ) 式就成为 ( 口) 聊一c 喀( ( 以) d c ) = 一( 1 + ，) ( 2 4 7 ) 和 ( b 6 0 0 ) m c 留( ( 6 ) d c ) = ( 1 + ，一) ( 2 4 8 ) 如果o ) o m 和o ) o d c 已知，这两个式子就可以用试误法求解。从1 起逐渐增加a 和b ，这样做在短时间内就可以求得三、四位有效数字的解。吸声的半带宽就是 f o = 6 1 a ( 2 - 4 9 ) 和频程 六石= a b ( 2 - 5 0 ) 结果绘于图2 3 中取r - 1 2 。 图2 3 微穿孔扳吸卢结构吸声带 f i g2 3t h ea b s o r b i n gs t r i po fa b s o r b i n gs t r u c t u r eo fm i c r o p e r f r a t e dp a n e l 1 6 m 8 6 4 2 o 2 微穿孔板吸卢结构的基本原理及理论分析 值得注意的是，在k 大致小于1 时，结果几乎和表2 2 中所给的极限值相等。 微穿孔板设计的灵活性很大，同时可把结果根据表2 2 推广到较大的r 值。在k 较 大时( 大约大于2 或3 时，与r 值有关) 结果就和近似理论接近了。同时，在k 值增 加时，共振频率逐渐由上下半吸收的平均值降低为其几何中值【2 4 】【2 5 】。 2 6 微穿孔板吸声结构的漫入射特性 前几章节只讨论了微穿孔板吸声结构在正入射时的吸声特性。当声波与法线 成秒角斜入射时，吸声性质是不同的。微穿孔板本身是所谓“局部作用”的吸声体， 即其中的空气振动只能沿法线方向( 沿微穿孔的轴向) ，因而法向相对声阻抗 r - i - j c o m 是不随声入射方向而改变的。空腔的作用则不同，除非微穿孔板后面加一 层蜂窝板把各孔分开，否则各孔透过的声波会共同形成和原来入射波方向相同波 在空腔内部传播。在这个波遇到后墙后，反射回到穿孑l 板面，与那罩的入射波相 加形成半驻波。经计算，在空腔内的反射波与入射波的行程差为2 d c o s 0 。因此空 腔在斜入射时的法向声阻抗率为： ：黑c 留c o d c o s 0 ( 2 5 1 ) 因而吸声系数( 2 2 3 ) 式变为： 口。：塑翌生一一一 ( 2 5 2 ) 2(1+rcos0)：+(27rgycoso-ct92zrycoso)2 2 把( 2 5 2 ) 式和( 2 2 3 ) 式相比，知斜入射时，r 减小为r c o s t 9 时，y 减小为y c o s 0 而 g 不变。如r 原大于1 ，最大吸声系数即加大，反之则减小。y o ，乃，款都加大， 吸收频率范围提高，而相对吸收带宽五f = y 2 y , ，则不受斜入射的影响。在斜 入射的情况下，仍可求微穿孔板吸声结构的吸收特性，只是要把r 改成r c o s ，而 y 改成y c o s 0 2 6 1 。 北京交通人学硕十学位论文 2 7 本章小结 本章主要介绍了微穿孔板吸声结构的基本理论知识，主要包括下面几个内容： 1 微穿孔板吸声机构的基本原理及其阻抗率的介绍。 2 微穿孔板吸声结构吸声系数的理论计算方法、共振频率和共振频率下最大 吸声系数的计算公式。 3 介绍了微穿孔板结构的基本方程的解法以及一些参数之间的相瓦关系 3 微穿孔板吸声结构的设计及测试方法 3 微穿孑l 板吸声结构的设计及测试方法 3 1 降噪方案的选择 3 1 1 降噪方案【2 7 】网 如前所述，近几年来，随着我国国民经济和交通运输的发展，环境污染特别 是噪声污染越来越引起人们的重视，它已经成为社会发展和人们生活的公害。为 了降低噪声对社会和人们的影响，必须找到更有效的方法来抑止其传播。目前利 用声屏障来降低铁路及公路上的噪声是主要的方式，其中在通透声屏障内部采用 吸声结构是最有效的方法。而吸声结构的选取主要按以下两个原则来进行，( 1 ) 要 有合理的吸声指标；( 2 ) 要考虑吸声结构的工作条件和环境要求( 主要是指风力等) 。 声屏障降噪吸声常用的结构形式有：( 1 ) 阻性吸声结构( 典型的是各类吸声材 料的使用) ；( 2 ) 微穿孔板吸声结构。 ( 1 ) 阻性吸声结构，是利用吸声材料的吸声作用，使穿过声屏障的噪声不断 被吸收而逐渐衰弱的装置。把吸声材料固定在噪声通过的声屏障内部，或按一定 的方式在声屏障中排列起来，就构成阻性吸声结构。当声波进入声屏障中，便引 起声屏障内多孔材料中的空气和纤维振动，由于摩擦阻力和粘滞阻力使一部分声 能转化为热能而散失掉，从而起到吸声降噪的作用。穿孔面板加吸声材料结构是 一种比较典型的阻性吸声结构，常用的多孔吸声材料主要有玻璃棉、矿渣棉、甘 蔗板，木丝板等，吸声材料( 其厚度一般为5 0 1 0 0 毫米左右) 与声屏障的前面和 背面的连接方式有胶结( 即用点粘接到硬面) 、板条( 钉在板条上) 、直接摆放、吊 装等。由于阻性吸声结构吸声频带宽、吸声量较大、制作简单并且性能稳定，所 以在一些领域应用较广泛。但是，这种吸声结构主要缺点是低频吸声效果差，对 于高温、高湿、油污、粉尘以及特殊要求洁净的环境不适于使用。 ( 2 ) 微穿孔板吸声结构是在普通穿孔板吸声结构的基础上发展起来的，它通过 把穿孔直径减少到一毫米以下，使它流阻增大，从而不需要另加外加多孔型材料。 这种吸声结构具有声阻和声抗效果，因此它是阻抗复合式吸声结构。相对比较， 微穿孔板吸声结构，构造简单，重量较轻，而且，微穿孔板的穿孔率较低，表面 光洁，吸声效果较好，使用于室外噪声的吸声。但是这种吸声结构的缺点是加工 比较复杂。 1 9 北京交通人。学硕十学位论文 3 1 2 几种降噪方法的比较分析【2 9 】 针对噪声通过通透声屏障后吸声降噪效果的好坏，对上述几种形式的吸声结 构做出对比分析，得出初步分析结论如下： ( 1 ) 阻性吸声结构，目前广泛使用的传统的多孔纤维性吸声材料，特别是矿物 纤维材料，近年来已受到环境保护和卫生保健专家们的批评，其污染环境对人体 有害。对噪声污染治理的同时，又对人们需要的清洁卫生的环境造成新的污染， 这是不可取的。 ( 2 ) 微穿孔板吸声结构，从降噪效果、加工制作等方面来看，都是比较理想的 可选方案，但是目前我们所需要的这种吸声结构主要的困难是需要找到吸声系数 能够达到0 7 以上且透明的吸声材料。根据目前技术状况，我们可以利用有机玻璃 作为吸声材料。因此这种方案是可选方案。 微穿孔板吸声结构是一种低声质量、高声阻的新型吸声结构。另外，也具有 不受材料限制、清洁、无污染的特点，得到广泛的应用。但现有结构在应用中存 在着吸收频带不够宽的特点。鉴于机械加工能力和手段的不断提高，我国著名声 学专家、科学院院士马大酞教授对这一理论又有新的开拓和发展，得到了微穿孔 板吸声结构精确理论，使得该结构吸收频带大为拓宽，有望成为当前理想的无纤 维“绿色”吸声材料。微穿孔板吸声结构可以作为降低噪声吸声结构的首选方案， 如果考虑在声屏障内采用分层设计，可使其具有更好的降噪效果。但是，这种结 构的主要困难是大量的微孔( 孔径小于l 毫米) 的加工和整个吸声结构的工艺问题。 ( 3 ) 技术关键以及可行性分析 主要技术关键是：吸声结构的优化设计技术。 对于微穿孔板构成的吸声结构，微穿孔板的优化设计是技术的关键，根据掌 握的技术和资料以及国内同类技术发展水平，这个关键技术是