（环境工程专业论文）新型声学结构及其宽带降噪机理研究.pdf

摘要 随着工业和国防的发展，人们生活质量不断提高，噪声污染逐渐成为一个迫 切需要解决的问题，日益受到研究者及工程人员的关注。在工程实际中，我们经 常遭到低频宽带噪声盼干扰，不但影响人们前身俸健康，严重时会影响机械的正 常工作状态，造成事故，因此低频宽带噪声的抑制已成为一个迫切需要解决的问 题。 在噪声污染控制中，常采用消声、吸声和隔声措施来有效消除噪声污染。本 文为有效吸收和隔离低频宽带噪声，而提出了新型声学结构，该结构是带插管共 振吸声结构、特种隔声结构、高性能吸声材料的有机组合。论文首先研究了附加 吸声材料的带插管赫姆霍兹共振吸声器这一新结构，对此结构进行了理论分析研 究和仿真计算。进而研究了宽带共振吸声结构，详细分析了该结构用于壁板吸声 时的吸声特性，讨论了多个不同几何参数和多个相同几何参数的附加吸声材料的 带插管赫姆霍兹共振吸声器组成的宽带共振吸声结构，以及多个优化组合的宽带 共振吸声结构，对吸声系数、吸声带宽的影响进行理论分析和仿真计算。在此基 础上，进一步研究了多功能复合声学结构的隔声性能，并讨论了空气层厚度、隔 声材料及其厚度对隔声性能的影响。最后分析了新型声学结构，该结构是带插管 宽带共振吸声结构、特种隔声结构、高性能吸声材料的有机组合，此新型声学结 构集吸声、隔声于一体。论文对其进行结构参数优化及吸声性能仿真计算，并对 其吸声性能的仿真结果和实验数据进行了比较，两者良好的一致性验证了本文理 论计算的正确性。对其隔声性能的m a t l a b 仿真结果与a u t o s e a 2 软件分析结 果进行了比较，两者良好的一致性验证了本文新型声学结构隔声性能理论的准确 性。 关键词赫姆霍兹共振器，低频，宽带，吸声，隔声 w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r ya n dn a t i o n a ld e f e n s e , a n dt h ei m p r o v e m e n to f t h eh a m a n l i v i n gs t a n d a r d s ，n o i s eg r a d u a l l yb e a ：o m e $ as e r i o u sp o l l u t i o n , w h i c hn e 七, d s a n a r g e n ts o l u t i o na n dr e c e i v e sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sf r o ms c i e n t i s t sa n d e n g i n e e i s i nr e a l i t y , w eo f t e ns u f f e rf r o mt h ei n t e r f e r e n c eo fl o w f r e q u e n c ya n d b r o a d b a n dn o i s e , w h i c hh a sab a di n f l u e n c eo i lh u m a nh e a l t h ，a n dm o r es e r i o u s l y , p m b a b l ya f f e c t st h en o r m a lo p e r a t i o no fm a c h i n e sa n dl e a d st os e r i o u sa c c i d e n t s t h e r e f o r e , i ti sb a d l yu r g e n tt oc o n t r o lt h ep o l l u t i o no fl o w - f r e q u e n c ya n db r o a d b a n d n o i s e s o m em e a s a r e m e n t so fn o i s er e d u c t i o n , s o u n da b s o r p t i o na n di n s u l a t i o na r e u s u a l l yu s e d t oc o n t r o ln o i s e p o l l u t i o n t oe f f e c t i v e l y a b s o r ba n di n s u l a t e l o w - f r e q u e n c ya n db r o a d b a n dn o i s e , t h ep r e s e n tp a p e rp 1 0 p o s c d an e wa c o u s t i c s t r u c t u r e ，w h i c hc o m b i n e sr e s o n a t o ra b s o r p t i o ns t r u c t u r ew i t he x t e n d e dn e c k s , s p e c i a l s o u n di n s u l a t i o na n ds o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a l t h en e ws t r u c t u r en a m e da s h e i m h o i t zr e s o n a t o rw i t hn e wa b s o r p t i o nm a t e r i a l sw a ss t u d i e d , a n dt h et h e o r e t i c a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nw e r ea l s oc o n d u c t e d a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h eb r o a d b a n d r e s o n a t o ra b s o r p t i o ns t r u c t u r e , w ea n a l y z e dt h es o u n da b s o r p t i o np r o p e r t i e so ft h i s s t r u c t u r eo i lt h ea p p l i c a t i o no fw a l ls o u n da b s o r p t i o n t h ei n f l u e n c eo fg e o m e t r i c p a r a m e t e m0 吐t h en e wh e i m h o l t zr e s o n a t o rw i t hn e wa b s o r p t i o nm a t e r i a l sa n d e x t e n d e dn e c k s , a n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n 鲫b r o a d b a n dr e s o n a t o r a b s o r p t i o ns t r u c t u r ew e r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l yw i t ht h eh e l po ft h e o r e t i ca n a l y s i s a n ds i m u l a t i o n b a s e d0 1 1t h er e s u l t so b t a i n e d , t h ei n s u l a t i o n p r o p e r t i e s o f m u l t i f u n c t i o n a lc o m p l e xa c o u s t i cs t r u c t u r ew e r ef u i t h e rs t u d i e dw i t hv a r i e dt h i c ：i 【l l 嘟 0 fa i rl a y e ra n dd i f f e r e n ti n s u l a t i o nm a t e r i a l s f i n a l l y , t h ea c o u s t i cs t r u c t u r ew a s 蝴l y z e d , w h i c hc o m b i n e db r o a d b a n d r e s o n a t o r a b s o r p t i o ns t r u c t u r e ，s p e c i a l i n s u l a t i o ns t r u c t u r e , a n dh i g h - p e r f o r m a n c ea b s o r p t i o nm a t e r i a l s t h i ss t r u c t u r ei st h e i n t e g r a t i o no fs o u n da b s o r p t i o na n di n s u l a t i o ni no n es t r u c t u r e w eo p t i m i z e dt h e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n ds i m u l a t e dt h es o u n da b s o r p t i o np r o p e r t i e s t h eg o o d a g r e e m e n to ft h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lr e s u l t sc o n f i r m e dt h et h e o r yp r o p o s e d i nt h i sp a p e ri sr i g h t , a n dt h e9 0 0 da g r e e m e n to ft h em a t l a ba n da u t o s e a 2r e s u l t s c o n f i r m e dt h es o u n di n s u l a t i o nt h e o r yp r o p o s e di nt h i sp a p e ri sr i g h t k e y w o r d s ：h e l m h o l t zr e s o n a t o r , l o w - f r e q u e n c y ，b r o a d b a n d , s o u n da b s o r p t i o n , s o u n di n s u l a t i o n 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：凇菱 叼年月f 日 指导教师签名： 年 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交 的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽 我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人 或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：；啤一 弘叼年午月岁日 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 国家把环境保护作为基本国策之一，既是从大局、从长远出发的一种决策， 又是从现实、从具体工程实施考虑的一种依据。环境保护被国家列为高新技术， 不少城市将环保产业作为支柱产业之一，正在大力发展。从事环境保护是利在当 代、功在千秋的大事业。噪声和振动污染防治与水污染防治、大气污染防治、固 体废物污染防治一样，是环境保护的重要内容之一 1 1 论文研究的背景及意义 在我们的生活环境中，存在着各种各样的声音，例如人们的讲话声，机器的 运转声，车辆的奔驰声，乐器演奏的音乐声，林中的鸟鸣声等。在所有这些声音 中，凡是我们所不需要的就是噪声。故噪声被定义为不需要的声音，即物体做非 周期性、无节奏的振动而产生的声音，噪声没有固定的频率和波形，是刺耳难听 的声音。噪声对周围环境造成不良影响，就形成噪声污染。噪声污染属于物理性 污染，噪声广泛地影响着人们的生活，是影响面最广的环境污染之一 一 随着现代工业、交通运输事业和建筑业的飞速发展，噪声污染日趋严重，噪 声控制已成为当今国际科学界的研究热点。噪声污染对环境的影响特别是对人及 动物的影响，已经引起社会各界的关注，研究者己开展了大量的研究工作。噪声 对人类的影响和危害，概括起来可以划分为两大方面：( 1 ) 噪声可以诱发各种疾 病。( 2 ) 噪声可以引起人们的烦恼，干扰语言交谈，影响人们睡眠质量和休息， 以致对人们的工作、学习和生活带来较大的不利影响。 随着科技的发展，特别是道路交通等的飞速发展，低频噪声的污染，已经给 人类造成了不同程度的损害，而且日益严重。人耳可闻的声音范围在2 毗0 0 0 0 h 匕 之间，其中5 0 0 i - i z 以下的噪声被称作低频噪声。低频噪声由于可直达入的耳内 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 结构，会使人的交感神经紧张，心动过速，血压升高，内分泌失调。入被迫接收 这种噪声，容易烦恼激动、易怒、甚至失去理智。低频噪声多由振动发音，与人 的生理频率接近，若长期接触，人体器官易与之共振。如果长期受到低频噪声袭 扰，容易造成神经衰弱、失眠、头痛等各种神经官能症，甚至影响到孕妇腹中的 胎儿，严重的甚至导致内出血。因此，低频噪声对人体是种慢性损伤，决不容忽 视1 1 删。 噪声污染危害入类健康、污染环境，它直接干扰人类的正常生活、工作、学 习、休息和睡眠。随着人们的环境意识e t 益加强，自身的生活质量和生存环境的 优劣显得尤为重要。消除噪声污染、解决噪声公害和改善环境的声质量，成为全 社会共同的呼声。为此，如何治理和控制噪声污染，为人们创造一个美好、舒适 的工作、生活、休息的环境就成为现代环境保护的一个迫切需要解决的问题。 二十世纪下半叶至今，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。 1 2 国内外研究现状 目前主要采用吸声和隔声等措施来消除噪声污染，其中共振吸声是噪声控制一 的重要手段之一，其基本原理来源于赫姆霍兹共振吸声器，之后，发展成为穿孔 板共振吸声结构等一系列吸声结构 7 - 2 7 1 赫姆霍兹共振吸声器( h e l m h o l t zr e s o n a t o r ) 1 2 8 , 2 9 1 于1 5 0 年前由赫姆霍兹发 明，至今它仍是噪声控制的一种常用结构。改变赫姆霍兹共振吸声器的参数可对 不同频率的噪声进行吸声处理，不过其共振很尖锐，在共振频率吸声能力非常强， 但在其他频率处吸声能力就迅速降低。所以它适合固定频率的噪声。对于低频宽 带噪声，难以达到很好的抑制效果。 2 0 世纪7 0 年代初，微穿孔板( m p a ) 和微缝板( m s a ) 吸声结构的发展引 起人们的广泛关注 3 e - 3 2 1 。微穿孔板和微缝板基于赫姆霍兹共振吸声器的原理， 可以看作单个吸声元件的并联，能更有效地吸收声能。马大猷教授于1 9 7 5 年开 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 始撰写关于微穿孔板吸声结构的理论和设计的论文i 弘3 6 1 ，对微穿孔板吸声结构 的理论进行了详细的研究，创建了微穿孔理论。微穿孔板吸声结构是由穿以大量 丝米级小孔的薄板，再加板后的空腔组成。微穿孔板可以看作大量微管( 微穿孔) 的串联，每个微穿孔为一个很细的短管，微穿孔扳吸声结构较之单个赫姆霍兹共 振吸声器，在一定程度上提高了低频吸声性能。 但是，常用的微穿孔板吸声频带的带宽只有1 2 个倍频程，即使进一步缩 小孔径，其吸声频带也只能增加到3 4 个倍频程，而且，孔径缩小到一定程度 就达到频带带宽的极限值鲫。 因此，在马大猷的微穿孔板理论之后，国内声学专业的学者对微穿孔板结构 做了许多试验研究，又出现了组合式微穿孔板吸声结构l 卿。组合式结构主要有 两种：耦合结构，即双层或多层微穿孔板吸声结构；并联结构，即一层微穿孔板 具有两组或多组微穿孔的吸声结构。较之单纯的微穿孔板共振吸声结构，其吸声 频带可扩展l 2 个倍频程。 基于微穿孔板吸声体理论，衍生出若干与此相关的结构。盛胜我对穿孔板 背面紧贴吸声薄层时的声学特性进行了理论分析与计算。文献t 4 0 又将穿孔板吸 声结构进行了改造，提出了三角波纹和正( 余) 弦波纹两种波纹状穿孔板共振吸 声结构，吸声性能也得n t 相应提高。柔性管束穿孔板共振吸声结构【4 ，使得在 空间严格受到限制时增加中低频吸声效果的使用成为可能。 国外也有一些学者进行了这方面的研究。n ，s , d i c k e ya n d k s e l a m e t l 4 2 研究 了一维小腔体的赫姆霍兹共振器的声学特性，as e l a m e ta n dz lj i l 4 3 , 聃1 研究了 变截面腔体的吸声特性及非对称的赫姆霍兹共振器，k o s u k en a g a y a i 耶】研究y - - 阶赫姆霍兹共振器组成的消声器，a h m e ts e l a m c t m 又研究了带有伸长瓶颈的赫 姆霍兹共振器的声学特性。国外也发展了微穿孔板吸声体的多种应用，尤其德国 在微穿孔板应用方面取得很大成绩，其中包括众所周知的德国议会大厦声聚焦问 题，新型薄膜微穿孔板吸声体的应用等嗣。 赫姆霍兹共振吸声器及其构成的共振结构简单，易加工，装饰性强，并有足 够的强度，声学性能易于控制，具有良好的吸声性能，在工程实际中得到了广泛 应用，可应用于飞行器、船舶、发动机等，可有效降低噪声，提高安全性能，改 3 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 普工作环境 4 s - 5 5 。 到目前为止，利用赫姆霍兹共振吸声器虽然可以使吸声频率得到降低，但吸 声带宽很窄，而工程实际中，如飞行器、飞机舱室、船体、发动机等，其低频噪 声都有一定的带宽，可见现阶段的共振结构远远满足不了实际要求，因此，本文 对宽带共振吸声结构进行研究。 1 3 本文研究内容 本论文基于穿孔板吸声结构理论和双层墙隔声理论，研究了附加多孔性吸声 材料的带插管赫姆霍兹共振吸声器的声学特性，进一步构建了新型声学结构，该 结构是带插管共振吸声结构、特种隔声结构、高性能吸声材料的有机组合，集吸 声、隔声于一体，可广泛用于噪声控制领域。具体工作主要包括以下内容： ( i ) 充分利用吸声技术，以吸声材料与吸声结构相结合的思想提出，基于 赫姆霍兹共振吸声器的基本原理，讨论了带插管赫姆霍兹共振吸声器的吸声特 性，并在此基础上提出并研究了附加吸声材料的带插管赫姆霍兹共振吸声器这一 新结构，对此结构进行了理论分析研究和仿真计算。 ( 2 ) 把多个附加多孔性吸声材料的带插管赫姆霍兹共振吸声器进行组合， 形成宽带共振吸声结构。建立了宽带共振吸声结构的模型，详细分析了该结构用 于壁板吸声时的吸声特性，分别讨论了多个不同几何参数和多个相同几何参数的 附加吸声材料的带插管赫姆霍兹共振吸声器组成的宽带共振吸声结构，以及多个 优化组合的宽带共振吸声结构对吸声系数、吸声带宽的影响，并进行理论分析和 仿真计算。 ( 3 ) 基于隔声技术的基本思想，对附加吸声材料的带插管赫姆霍兹共振吸 声器的组合结构即宽带共振吸声结构进行设计，把其后壁设计为隔声材料，来阻 挡或隔离外界噪声。并讨论了这一多功能复合声学结构的隔声性能。改变空气层 厚度、隔声材料及其厚度，进行仿真分析，得到了这些参数的变化与隔声量之间 的关系。 ( 4 ) 构建新型声学结构，该结构是带插管宽带共振吸声结构、特种隔声结 4 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 构、高性能吸声材料的有机组合，此新型声学结构集吸声、隔声于一体。对其进 行结构参数优化及吸声性能仿真计算，并对其吸声性能的仿真结果和实验数据进 行比较。研究新型声学结构的吸声系数实验测试与仿真结果的拟合程度，验证理 论计算的正确性并对新型声学结构的隔声性能进行软件分析，验证理论的正确 性。 1 4 本文创新与特色 本论文的创新之处就在于所提出的新型声学结构集吸声、隔声于一体，可广 泛用于嗓声控制领域，解决了目前噪声控制中最为困难的低频宽带噪声的有效控 制难题。 由于附加多孔性吸声材料的带插管赫姆霍兹共振吸声器的插管长度、半径、 均可改变，通过改变插管的参数，即可实现对不同频率的噪声进行吸声处理。通 过对附加多孔性吸声材料的带插管赫姆霍兹共振吸声器的不同结构组合，可以实 现对不同频带的噪声进行吸声处理，从而达到拓宽吸声频带的目的。另外，在宽 带共振吸声结构后紧贴隔声材料，即本文提出的新型声学结构，可以阻挡或隔离 外界噪声。 本论文注重理论推导和实验验证相结合。为验证本理论的正确性，开展了一 系列实验研究，结果证明本文理论正确，本文提出的新型声学结构具有广阔的工 程应用前景。 西北工业大学硕士学位论文第二章附加吸声材料的带插管共振器的吸声性能 第二章附加吸声材料的带插管共振器的吸声性能 本章分析了赫姆霍兹共振吸声器的基本原理，讨论了带插管赫姆霍兹共振吸 声器的吸声特性，并在此基础上提出了附加吸声材料的带插管赫姆霍兹共振吸声 器这一新结构，旨在获得一种阻抗复合型的吸声结构，该结构不但具有吸声材料 在中高频吸声性能好、频带宽的特点，而且具有优良的低频吸声性能，本章详细 分析了这一新结构的吸声性能。 2 1常用吸声材料及其声学性能 采用吸声材料进行声学处理是一种传统的、常用的、有效的吸声降噪措施之 一。吸声材料的吸声机理主要是冈：( 1 ) 粘滞性和内摩擦的作用，由于声波传播 时，质点振动速度各处不同，存在着速度梯度，使相邻质点间产生相互作用的粘 滞力或内摩擦力，对质点运动起到阻碍作用，从而使声能不断转化为热能。( 2 ) 热传导效应，由于声波传播时媒质质点疏密程度各处不同，因而媒质温度也各处 不同，存在着温度梯度，从而相邻质点间产生了热量传递，使声能不断转化为热 能。吸声材料的吸声机理表明，声音是一种能力形式，只有它主动进入耗散的媒 质，也就是只有当声音传到吸声材料时，它才能起到吸收作用。 吸声材料一般按其吸声的频率特性和本身的构造分为两大类网：( 1 ) 按吸声 特性分类：可分为低频吸声材料、中频吸声材料、高频吸声材料三类；( 2 ) 按材 料本身构造分类：可分为多孔性吸声材料和共振吸声材料两类。一般而言，多孔 性吸声材料以吸收中、高频声能为主，而共振材料( 结构) 以吸收低频声能为主。 多孔性吸声材料种类很多，按成型形状可分为制品类和砂浆类；按材料可分 为玻璃棉、岩棉、矿棉等；按多孔性形成机理及结构状况又可分为三种：纤维状， 颗粒状和泡沫塑料等。多孔材料主要吸收中高频噪声，大量的研究和实验表明： 多孔性吸声材料，如矿棉、海绵、超细玻璃棉等，只要适当增加厚度和容重，并 6 西北工业大学硕士学位论文第二章附加吸声材料的带插管共振器的吸声性能 结合吸声结构的设计，其低频吸声性能也可以得到明显改善 多孔性吸声材料在其材料内部和表面有无数的孔隙，其构造特征是从多孔性 吸声材料表面到内部的这些孔隙是互相贯通并且与外界相通的当声波入射到多 孔性吸声材料表面后，一部分声波从材料表面反射，另一部分声波透射进入多孔 性吸声材料。进入多孔性吸声材料的这部分声波，引起多孔性吸声材料内的空气 振动，由于多孔性吸声材料中空气与孔的摩擦和黏滞阻力等，将一部分声能转化 为热能。此外，声波在多孔性吸声材料内经过多次反射进一步衰减，当进入多孔 性吸声材料内的声波再返回时，声波能量已经衰减很多了，只剩下小部分的能量， 大部分被多孔性吸声材料损耗吸收掉冈。从上述的吸声机理可以看出，多孔性吸 声材料必须具备以下条件1 5 6 - 5 9 ：( 1 ) 材料内部应该有大量的微孔或间隙，不仅 材料中空气体积与材料总体积之比即孔隙率要高，而且这些孔隙应尽可能的细 小，并在材料内部均匀分布，这样材料内部筋络总表面积大，有利于声能吸收。 ( 2 ) 材料内部的微孔必须是向外敞开的，也就是说这些微孔必须通到材料表面， 使得声波能够从材料表面容易迸到材料内部的微孔内。( 3 ) 材料内部的微孔应该 是互相贯通的，而不应该是密闭的、单独的气泡和密闭的间隙不起吸声作用 影响多孔性吸声材料吸声性能的因素有很多，从材料的结构参数看，主要是 流阻、孔隙率和结构因子；但从工程实用角度来看，主要是厚度、湿度、温度、 材料后空气层和材料表面装饰处理等1 s 6 - 5 9 。 ( 1 ) 流阻：流阻的定义是微量空气流稳定地流过材料时，材料两边的静压 差和流速之比。流阻与空气的粘滞性、材料或结构的厚度、密度等都有关系。流 阻较低的材料，低频吸声性能较差，而高频吸声性能较好；流阻较高的材料，低 频吸声性能有所提高，但高频吸声性能明显下降。通常将吸声材料或吸声结构的 流阻控制在一个适当的范围内，吸声系数大的材料或结构，其流阻也相对比较大， 而过大的流阻将影响通风系统等结构的正常工作，因此在吸声设计中必须兼顾流 阻特性，对于一定厚度的多孔性吸声材料，应该有一个合理的流阻值，流阻过高 或过低都是不利于吸声性能的提高的 ( 2 ) 孔隙率；孔隙率是多孔性吸声材料内部空气体积与材料总体积之比。 通常，多孔性吸声材料的孔隙率可以达n 5 0 9 0 ，如采用超细玻璃棉，则孔 7 西北丁业大学硕士学位论文第二章附加吸声材料的带插管共振器的吸声性能 隙率可以达到更高。材料的孔隙率不同，对多孔性吸声材料的吸声系数和频率特 性有明显影响。一般情况下，密实、容重大即孔隙率小的材料，其低频吸声性能 好，高频吸声性能较差；相反，松软、容重小即孔隙率大的材料，其低频吸声性 能差，而高频吸声性能较好。 ( 3 ) 结构因子：在多孔性吸声材料的吸声理论研究中，将多孔性吸声材料 的微小间隙当作毛细管沿厚度方向纵向排列的模型，但实际上材料中的细小间隙 的形状和排列是很复杂和不规则的，为使理论与实际相符合，需要考虑一个修正 系数，称为结构因予。它是一个无因次量。当毛细管杂乱分布时，结构因子是3 ； 一般材料的结构因子在2 1 0 之间，也有高达2 0 2 5 的。结构因子对低频吸收基 本没有影响。当材料流阻比较小时，增大结构因子，在中高频范围内可以看到吸 声系数的周期性变化。 f 4 ) 厚度；多孔性吸声材料的厚度对吸声性能有关键的影响，当材料较薄 时，增加厚度，材料的低频吸声性能将有较大提高，但对高频的吸声性能则影响 较少。当多孔性吸声材料的厚度增加到一定程度时，再增加厚度，吸声系数的增 加斜率将逐渐减少。 ( 5 ) 湿度；湿度除了使多孔性吸声材料变质外，还会随着孔隙内含水量的 增大，孔隙被堵塞，多孔性吸声材料中的空气不再连通，空隙率下降，吸声性能 f 降，吸声频率特性也将改变，主要使高频吸声性能降低。 ( 6 ) 温度：在常温条件下，温度对多孔性吸声材料吸声系数几乎没有影响。 温度变化将引起声波波长变化，因此吸声系数的频率特性将有所变化：一般情况 下，当温度下降时，多孔性吸声材料的低频吸声性能增加；温度上升时，多孔性 吸声材料的低频吸声性能下降。 ( 7 ) 材料后空气层的影响：如果用较薄的多孔性吸声材料，可以在多孔性 吸声材料背后预留一定厚度的空腔或空气层，这时，它的吸声性能几乎与全部空 腔内填满同类多孔性吸声材料的效果差不多。空腔具有增加材料有效厚度的作 用。在一定尺寸范围内，空腔既可以节省吸声材料，又可以提高低频吸声性能， 空腔越大，吸声频率越低，但所占空间越大。所以多孔性吸声材料背后预留的空 腔大小应该由实际工程中的具体情况来定。 8 西北工业大学硕士学位论文第二章附加吸声材料的带插管共振器的吸声性能 ( 8 ) 材料表面装饰处理；在实际工程中，为了保护多孔性吸声材科不致变 形以及污染环境，通常采用金属网、玻璃丝布及较大穿孔率的穿孔板等作为包装 护面；此外，有些环境还需要对表面进行喷漆等，这些都将不同程度地影响多孔 性吸声材料的吸声性能但当护面材料的穿孔率超过2 0 时，这秭影响可以忽略 不计。 2 2 赫姆霍兹共振器吸声原理 2 。2 。1 共振吸声器结构 共振吸声是吸声降噪的重要手段之一，其基本原理来源于赫姆霍兹共振吸声 器。赫姆霍兹共振吸声器( h e l m h o l t zr e s o n a t o r ) 2 s - 3 0 l 于1 5 0 年前由赫姆霍兹发 明。单个的赫姆霍兹共振吸声器是一个空心圆球插一根短管与外面大气相联系而 构成的，其常见的结构有四种： 【1 】短管可以只连到空球，如图2 - 1 ( a ) ； 【2 】短管可以插入球心，如图2 1 ( b ) ； 3 1 可以只在空球开一个1 3 ，如图2 - 1 ( c ) ； 4 1 或者除一短管外另有一个昕孔，如图2 - 1 ( d ) 。 s 一卜 oo “)o ，蛐 圈2 - 1 赫姆霍兹共振吸声器示意图 现在，赫姆霍兹发明的赫姆霍兹共振吸声器的应用已经不仅仅限于语言声和 音乐声的研究了，在噪声控制中它已经是一种特别重要的吸声体了，不过其共振 很尖锐，在共振频率吸声能力非常强，但在其他频率处吸声能力就迅速降低。所 9 西北工业大学硕士学位论文第二章附加吸声材料的带插管共振罂的吸声性能 以它适合固定频率的噪声，如变压器、电动机等的噪纠2 9 】。 2 2 2 共振吸声原理 单个赫姆霍兹共振吸声器可看成是由几个声学作用不同的声学元件所组成 的【5 删。当入射到赫姆霍兹共振吸声器上的声波波长远大于孔径时，腔体中空 气具有弹性，孔径中的空气柱具有一定的质量，做近似活塞的往复运动。开口管 内部及管口附近的空气随声波而振动，是一个声质量元件。空腔内的压力随空气 的胀缩而变化，是一个声顺元件。而空腔内的空气在一定程度内随声波而振动， 也具有一定的声质量。空气在开口壁面的振动摩擦，由于粘滞阻尼和导热作用， 会使声能损耗，它的声学作用是一个声阻。当入射声波的频率与赫姆霍兹共振吸 声器的固有频率相吻合时，会激励共振。孔颈的空气柱产生强烈振动，在振动过 程中，由于克服摩擦阻力而消耗声能。在赫姆霍兹共振频率附近阻尼最大，空气 柱振动的速度幅值最高，在摩擦过程中，声能消耗最甚。反之，当入射声波频率 远离赫姆霍兹共振吸声器的固有频率时，由于引起空腔内空气分子的振动不大， 赫姆霍兹共振吸声器振动很弱，吸声量急剧下降，吸声频带窄，因此声能的吸收 作用很小。可见赫姆霍兹共振吸声器达到共振时，其声抗最小，振动速度最大， 吸声效果最好。其共振吸声频率为 且2 j r v 拦v ( 2 - 1 ) 式中：c o 为介质中声速，f 为赫姆霍兹共振器的瓶颈长度，s 为管口面积，矿为 腔体体积。 2 3 带插管赫姆霍兹共振器的吸声原理 研究中将一个带插管赫姆霍兹共振吸声器分为三个区域【4 1 删：插入的刚性 圆柱管为a 域，伸入腔体的圆柱形刚管与腔体构成的环形区域为b 域，剩余的腔 体为c 域，如图2 - 2 所示。设彳域刚性圆柱管半径为口l ，c 域刚性圆柱管半径为 l o 西北工业大学硕士学位论文 第二章附加吸声材料的带插管共振器的吸声性能 口：，伸出腔体外的管长为矗，口域处的长度为f ：，c 域处的长度为毛。轴向坐标 分别为毛、x 2 、毛。 在带插管赫姆霍兹共振吸声器中。波动方程的柱坐标方程为 v 2 p ( r ，功+ 七2 p ( r ，功- o( 2 - 2 ) 其中，p 为声压，k 为波数。 图2 - 2 带插管赫姆霍兹共振器的分域示意图 2 3 1 声阻抗特性分析 下面首先讨论方程( 2 - 2 ) 在区域彳、口、c 内的解，在此基础上根据声场 边界条件计算声阻抗率，研究其声阻抗特性。 【1 】刚性圆柱管( 彳域) 内声场 在刚性圆柱管内即a 域内，由式( 2 - 2 ) 可解出其声压为 m ( r ，而) - e + 4 e 严。( r ) ( 2 - 3 ) 筋 其中 v 。( r ) 一j a ( 笠r ) ( 2 4 ) 口1 ，：( ) 一_ ，。( q ) - o ( 2 - 5 ) 1 1 西北工业大学硕士学位论文第二章附加吸声材料的带插管共振器的吸声性能 t 一 陌， 一陌。 七o 生 吩 七o h - u哪j - k c 0 口一g ) 伸。，掣。) 。 ( 2 - 2 5 ) 其中 一n 。r j o ( a 。他( 2 - 2 6 ) ( ，平。) - 一r ，假习一嚣筹k 碱a 】j 0 ( q r ( 2 - 2 7 ) 姆c 翅c 3 c 。蠹n j 嫡i 乏田 ( 2 - 2 8 ) 【5 】声阻抗率 由于高阶模态的影响较小，为计算方便，将其忽略。再考虑初始条件，设在 管口五- 0 处，速度为，则 - 去一再) 从而，声阻抗率 乙一煮- 石x o + + 巧a -p f o i 一 o ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) 西北工业大学硕士学位论文第二章附加吸声材料的带插管共振器的吸声性能 2 。3 2 吸声性能研究 为了便于分析，本文首先讨论臂末端加芦负载的情况。 将坐标原点设在管末端负载处，并设入射声压与反射声压为- 觑1 p a e i ( 。七 p t p 岫嘲 则 争一- 怫炳 几 。一 这里r ，称为声压的反射系数 从而，管中总声压 p p t + p , - p 。 e 一肛+ k l e 7 怛+ “p 归 l p i e “” 其中 l p i l 一办l 瓜再网 根据式( 2 - 3 4 ) 可以求得管中的质点速度 搬出- 老旷一w 杪岛j 缸风c o 1 从式( 2 - 3 5 ) 和式( 2 - 3 6 ) 可得管中的声阻抗率 如詈一( 耢) 黼 ( 2 - 3 d ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) ( 2 - 3 国 ( 2 - 3 7 ) 设亭兰_ 称为负载的声阻抗率比，可将式( 2 - 3 7 ) 化为 p o c o 怫细一嚣( 2 - 3 s ) 又z i - 足+ i c 瓦，所以声阻抗率比还可以表示成 西北工业大学硕士学位论文第二章附加吸声材料的带插管共振器的吸声性能 一x i + y i ( 2 - 3 外 其中毛一“e c o s ，y - 甍若分别称为声阻率比与声抗率比将式( 2 - 3 9 ) 代入式 ( 2 - 3 8 ) 可得 则 i r 1 e j - 。器篝 卅筹海 研究式( 2 - 4 1 ) 可以得到声负载的声强反射系数 m - h 2 一筹黼 从而可以按能量守恒定律求得其吸声系数为 口l 一卅画瓦4 r , 丽p o c o ( 2 - 4 0 ) ( 2 - - 4 1 ) ( 2 - 4 2 ) 进一步，诃佑禾鞴户贝载为赫赐氍瑟延诹墩户器啊i b j 吸户待任。 假设在管末端刚性壁前，放置着开有小孔的一块平板，板与刚性壁相距为d ， 构成矿一s d 的腔体，空腔内的声压随空气胀缩而变化，它的声学作用主要是一 个声容e 。瓦v 虿板上穿孔部分的空气随声波一起来回振动，它的声学作用主 要是声质量m 。譬“为板厚度，s 为小孔面积) o 当空气在壁面附近来回振 动时，由于粘滞阻尼和热传导作用，会使声能损耗，它的声学作用是一个声阻吃。 这一虬、r 与e 就构成一个赫姆霍兹共振吸声器l 刚】。令型旦， p o c op o 只茎辽l ，于是式( 2 - 4 3 ) 可简化为 。p o p o c o 西北工业大学硕士学位论文第二章附加吸声材料的带插管共振器的吸声性能 - _ _ _ _ j | = ! = = = j j = 目_ _ 目e j - _ e j = _ j - _ _ _ _ _ 自自 0 e = ，e 掌i pr _ _ _ _ j - - _ j 目e | ，= = _ - = _ e = = = = = ! = = 一 口- 石而4 x ( 1 + ) 2 + 力 2 - 4 附加吸声材料的带插管共振器的吸声原理 2 4 1 声学结构模型 ( 2 _ 4 4 ) 与常用的吸声材料不同，赫姆霍兹共振吸声器吸收的是低频噪声，因此可用 于弥补吸声材料低频吸声特性的不足。然而，受到结构特性的限制，经典赫姆霍 兹共振吸声器只能够吸收单频噪声因此，对于具有一定带宽的低频噪声，赫姆 霍兹共振吸声器仍难以达到很好的抑制效果。研究发现【3 9 l ：改变赫姆霍兹共振吸 声器的参数可对不同频率的噪声进行吸声处理，增大瓶颈长度l ，增大空腔体积 矿，或减小瓶颈横截面积s ，都可降低吸声频率，提高低频吸声性能。为此，本 文作者提出将吸声材料与吸声结构相结合的构思，同时对传统的赫姆霍兹共振吸 声结构加以改进，以期获得更好的吸声性能。 多孔性吸声材料主要吸收中高频噪声，大量研究表明：多孔性吸声材料，如 矿棉、海绵、超细玻璃棉等，只要适当增加其厚度和容重，并结合吸声结构设计， 其整个频带上的吸声性能都可以得到明显改善。为了提高带插管赫姆霍兹共振吸 声器的吸声效果，本文提出将多孔性吸声材料附加到带插管赫姆霍兹共振吸声器 上，其结构示意图如图2 3 所示。 吸声材料 圈2 - 3 附加吸声材料的带插管赫姆霍兹共振器示意图 1 7 三三三 p 西北工业大学硬士学位论文 第二章附加吸声材料的带插管共振器的吸声性能 对于带插管赫姆霍兹共振吸声器面言，表面附加了多孔性吸声材料，可以改 善其本身的中高频吸声性能。而对于多孔性吸声材料而言，相当于在其背后预留 了一定厚度的空气层，这样可以改善多孔性吸声材料的低频吸声性能。二者相辅 相成，使此结构的整体吸声性能得蓟改善，这正是本文提出此结构的目的。 2 4 2 吸声材料的选用 在选用多孔性吸声材料时，首先应该满足有利于降低声源频谱的峰值频率， 峰值频率降低了，噪声也就低了，尤其是中高频峰值频率的降低，效果尤为明显。 选用的多孔性吸声材料的吸声性能应该较稳定、价格低廉，施工方便，符合卫生 要求，对人无害，应该防火，美观，经久耐用。 普通矿棉是以高炉矿渣为主要原料经溶化喷吹等工艺而制成的一种粗纤维 材料，又称矿渣棉。其纤维直径为1 鲰m 左右，纤维长约l o m m ，密度1 2 0 2 4 0 k g m 3 ，较脆，刺手，渣球多。近年来采用四辊高速离心制棉工艺，将矿渣熔融 物拉制成非连续纤维，即长纤维棉，再经旌胶、烘干、压型、缝制等工艺制成矿 棉毡、矿棉板、矿棉管、矿棉吸声板和各种贴面的矿棉制品。它具有纤维细长、 柔软、均匀、容重小、渣球含量少、不燃、不腐、不蛀等优点，广泛应用于石油、 化工、电力、交通、船舶、冶金、轻纺、建筑等行业的保温、隔热、绝冷、节能、 装饰、吸声等工程中。故在实际工程中矿棉作为吸声材料，是不错的选择，可以 在外面包上玻璃丝布，以防止矿棉渣散溢出来【5 9 】。 玻璃棉也是一种较为普通的多孔纤维状吸声材料，分为短棉，超细玻璃棉和 中级玻璃棉。其中超细玻璃棉在噪声控制工程中和保温工程中应用比较广泛，它 具有直径细、纤维长、密度低、不燃、不蛀、无毒、耐热、抗冻、柔软等特点， 但一般超细玻璃棉吸湿、吸水性大，受潮后吸声性能下降。中级玻璃棉纤维较粗， 刺手，但吸声性能优良，生产工艺简单，很多厂家均可生产。故玻璃棉在工程实 际中也是很好的选择。 海绵也是不错的多孔性吸声材料，本文将其贴实到带插管赫姆霍兹共振吸声 器表面来迸行理论分析及仿真计算。本文若没有作特别说明，附加的多孔性吸声 西北工业大学硕士学位论文第二章附加吸声材料的带插管共振器的吸声性能 材料均指海绵。 2 4 3 结构吸声性能仿真分析 仿真分析中将单个带插管赫姆霍兹共振吸声器作为末端负载。设其4 域管长 为8 5 c m ，口域管长为l o c m ，c 管长为1 0 3 c m ，管半径为2 c m ，腔体半径为7 6 c m ， 刚性管壁厚为0 3 c m ，则其吸声系数仿真结果如图纠中实线所示。选取厚度为 7 3 m m 的海绵多孔性吸声材料，贴实在单个带插管赫姆霍兹共振吸声器表面，则 此结构的吸声系数仿真结果如图2 4 中虚线所示 图2 _ 4 附加海绵的单个带插管赫姆霍兹共振器与未附加时的吸声系数仿真结果 仿真分析表明：与未附加海绵多孔性吸声材料时的单个带插管赫姆霍兹共振 吸声器不同的是，附加了海绵多孔性吸声材料的单个带插管赫姆霍兹共振吸声器 的吸声系数观显提高，尤其在中频的吸声系数显著提高，同时也拓宽了吸声频带 的宽度。这正达到了本文提出此结构的目的，对于带插管赫姆霍兹共振吸声器而 言，表面附加了多孔性吸声材料，改善了其本身的中高频吸声性能。而对于多孔 性吸声材料而言，相当于在其背后预留了一定厚度的空气层，这样可以改善多孔 性吸声材料的低频吸声性能。二者相辅相成，使此结构的整体吸声性能得到改善。 1 9 西北工业大学硕士学位论文第二章附加吸声材料的带插管共振器的吸声性能 正如本文已经介绍过的，多孔性吸声材料种类很多，一般根据实际需要选择。 图2 - 5 为海绵、吸声棉、矿棉和某防火泡沫四种不同的吸声材料的吸声系数仿真 结果比较。由图可见：矿棉吸声效果明显好于其它吸声材料，海绵和吸声棉也都 是不错的选择，防火泡沫的吸声性能相对逊色，在实际工程中具体选用何种材料 则受到具体条件的限制，尤其是高温高湿环境下吸声材料的选取应因地制宜。 图2 - 5 四种不同吸声材料的吸声系数比较 2 5 本章小结 本章充分利用吸声技术