微穿孔板吸声结构仿真计算方法研究

本文提出将马氏微穿孔板理论与传递导纳法相结合,建立简化的微穿孔板吸声结构的有限元仿真计算方法。基于阻抗管法材料吸声系数测试原理建立了吸声系数仿真实验模型,对微穿孔板结构的吸声系数进行了仿真计算,并与理论计算结果做了对比,说明了该简化方法的合理可行。同时,对金属和非金属材料的微穿孔板计算时温度传导系数的影响做了比较说明。     

水下弹性微穿孔吸声结构吸声系数研究

利用模态叠加法建立了水介质微穿孔板的数学模型,基于声电类比法得到其等效电路模型。研究了弹性微穿孔板和弹性背腔对垂直入射吸声系数的影响。与空气介质中的微穿孔板不同,水下微穿孔板因结构阻抗不足,难以取得满意的吸声效果,为此提出了增强型微穿孔吸声结构,并在水介质阻抗管内对理论结果予以验证。结果表明,随着增强型弹性微穿孔板弯曲刚度的增大,其在[20,2000]Hz范围内的平均吸声系数得到提高,逐步趋近于刚性微穿孔板的结果,弹性背板使微穿孔吸声结构的吸声峰向低频移动,低频吸声效果得到提高。      

管束穿孔板的管腔耦合共振吸声机理研究

为了揭示管束穿孔板共振吸声结构的吸声机理,利用热黏性条件下基于有限元算法的管束穿孔板仿真模型,研究了平面声波正入射条件下,管束穿孔板内部声场分布特征,并利用阻抗管对吸声系数的理论仿真结果进行了试验验证.结果表明,管束穿孔板在低频主要靠腔体共振吸声,在高频主要靠管共振吸声,管束穿孔板整体呈现出较为明显的管腔耦合共振吸声特征。管束穿孔板共振时管中声强和质点法向振速较大,高频次吸声峰频点处管中和腔中均有驻波形成,频率越高驻波数量越多.管束穿孔板的耦合共振受到管长、腔深、穿孔率和管内径等参数变化的影响,管长对高频耦合共振的影响最大,管长增大使高频主吸声峰频点移向低频,并使相邻主吸声峰之间的间距减小.      

阻尼耦合双层微穿孔板吸声体研究

提出并研究一种利用两板间微缝进行阻尼耦合的双层微穿孔板(DMPP)吸声体。该吸声体在两层微穿孔板(MPP)之间形成一个宽度小于1mm的微缝,因此其阻尼不仅可由板上的微穿孔提供,还可由两板之间形成的微缝提供。采用声电类比法建立了DMPP转移阻抗的理论模型,并进行实验验证,结果表明理论计算结果与实验吻合较好。然后利用建立的理论模型,对单层MPP和DMPP吸声体的吸声性能进行了对比研究,结果表明,相比于单层MPP,DMPP可以利用微缝提供的阻尼显著改善吸声性能,同时减少实际板厚。最后,对DMPP吸声体的吸声性能及其几何参数的关系进行研究,结果表明,当保持其它结构参数不变时,微缝宽度对DMPP吸声系数的提高存在一个最优值,超过或低于此值会导致吸声系数下降。     

水下微穿孔吸声体结构设计与试验研究

根据马大猷院士的微穿孔板(MPP)理论,提出在可设计的夹芯复合隐身结构的空腔中附加微穿孔板层的水下微穿孔吸声体。基于微穿孔板的精确计算理论及水下声隐身结构的特点,考虑空腔深度、穿孔板厚度、穿孔直径及穿孔率等对微穿孔板吸声性能的影响,对水下微穿孔吸声体进行了结构设计。利用脉冲声管法对水下微穿孔吸声体试样的吸声系数进行了测量,结果表明:水下微穿孔吸声体有效地拓宽了低频吸声频带,其微穿孔板结构参数的影响规律也与理论分析一致;对于多种吸声机理并存的水下微穿孔吸声体的空腔个数、形状及谐振特性等也是影响吸声性能的重要因素,在实际的工程应用中必须结合所关心的频带对水下微穿孔吸声体进行匹配优化设计。      

微穿孔板复合板型声学超材料的低频吸声

针对单层微穿孔板的低频吸声问题提出了微穿孔板复合板型声学超材料结构。将板型声学超材料置入微穿孔板结构的背腔内部实现结构复合。实验结果表明:在相同背腔厚度下,复合结构的吸声性能整体优于单层微穿孔板结构,其中复合结构的吸声曲线从396~892 Hz均大于0.6,在453 Hz处吸声系数达到0.972。利用有限元方法对复合结构进行了仿真,仿真计算的吸声曲线与实验吸声曲线的趋势基本相同,同时发现低频吸声主要由板型声学超材料与声波相互作用贡献。板型声学超材料的吸声峰值的对应频率处,其等效动态质量密度从正变负。在复合结构内部的微穿孔板和板型声学超材料存在相互耦合作用,使得复合结构的第一峰值发生微小偏移。增加板型声学超材料的质量块重量可以使第一吸声峰值向低频移动;保持总背腔厚度不变,增加板型声学超材料的子腔厚度,也可以使第一吸声峰向低频移动。      

内置谐振器的轻薄宽频吸声器结构设计与分析*

微穿孔板吸声器的吸声频带相较于亥姆霍兹谐振器更宽,但其低频吸声的实现需要较大的空气背腔,这对结构尺寸有限制的场合存在一定局限性。本文设计了一种轻薄吸声降噪结构(内置亥姆霍兹谐振器的微穿孔板吸声器,简称MPPHR),将微穿孔板吸声器与亥姆霍兹谐振器进行了结合,提升吸声器的低频吸声性能的同时兼具了微穿孔板宽带吸声的优点。首先基于微穿孔板和亥姆霍兹谐振器理论建立了等效电路模型并计算了结构的声阻抗。然后通过有限元对MPPHR的吸声特性进行了参数研究。最后验证了MPPHR的声阻抗模型和有限元仿真的准确性。研究结果表明：MPPHR结构拥有更宽吸声频带,厚度仅为30mm的MPPHR的半吸收频带可达1294Hz,相较于同等厚度下的微穿孔板吸声器宽近500Hz。此外,MPPHR拥有更好的低频吸声效率。     

三层微穿孔板的优化设计及特性分析

根据马大猷的微穿孔板理论,计算了三层微穿孔板的吸声系数.应用遗传算法对其结构参数进行了优化,并对其吸声特性进行了分析研究,与优化后的双层微穿孔板结构进行比较,结果表明:经过遗传算法优化后的三层微穿孔板在频域上能够获得更加饱满的吸声系数曲线,接近传统吸声材料的吸声性能.并且通过实验验证了优化设计的结果.     

阻抗复合消声器声学性能有限元预测方法及分析

为计算和分析具有复杂结构的阻抗复合式消声器的宽频消声性能,建立了一种高效声学有限元方法,给出了不同边界条件下的边界积分处理细节,得到有限元全局系数矩阵表达式,设计出计算程序框架以实现这些算法,其求解规模和计算速度与商业软件相比有优势。为计算阻抗复合式消声器的传递损失,通过阻抗管测量和数据拟合得到了吸声材料声学特性的经验公式。计算和测量了两通穿孔阻抗复合式消声器的传递损失,二者良好的吻合验证了声学有限元方法和计算程序的正确性。研究表明,插管长度影响消声器在中高频段的消声特性,右侧隔板上穿孔会消除共振峰,中高频消声性能随着出口管穿孔率的增加而提升。      

微穿孔板吸声结构水下应用研究

马大猷教授提出的微穿孔板吸声结构在空气噪声降低和隔离方面得到了广泛的应用,但未见水下应用的相关研究和报道。本文将空气中微穿孔板理论应用到水中,得到了水下微穿孔板吸声结构的吸声公式。通过理论分析,得出了微穿孔板结构直接应用于水中无法获得宽频吸收的结论。提出了通过匹配液将微穿孔板间接应用到水下的设想。设计了单层板和双层板吸声结构,并对它们的吸声特性进行了理论分析与仿真。结果表明,本文设计的微穿孔板吸声结构在水中能够获得优于空气中的宽频带吸声效果。实验测量了自制的微穿孔板吸声结构,吸声系数的测量值与理论曲线基本吻合,从而验证了理论分析的正确性。     

微穿孔板结构的设计

微穿孔板结构是无需多孔性材料的宽带共振吸收系统,这是过去为使吸声结构不受使用条件而研制的。在本文中,对穿孔板及穿孔板结构的特性做了进一步的分析,求得给定简单共振系统的吸声特性直接了当计算其结构参数的方法,简化了设计工作。对双层微穿孔板结构,证明其高频率特性基本与简单共振结构相同,次级共振结构的作用主要是使有效空腔在低频加大,因而展宽低频响应,这也使设计化简。文中还讨论了根据结构求出吸声特性的方法。     

磁力负刚度薄膜结构低频吸声特性

针对背腔深度较小的薄膜吸声结构难以实现低频吸声的问题,提出了磁力负刚度的解决方法。采用传递矩阵法,建立了负刚度薄膜吸声结构理论模型,分析得出该结构的声阻抗等同与大背腔常规薄膜吸声结构的声阻抗;阻抗管实验验证得出,在一定磁场条件下,不同背腔的负刚度薄膜吸声结构与无负刚度结构相比其共振频率显著下降,吸声系数曲线与理论结构吻合。负刚度机制能够降低薄膜吸声结构的共振频率,用较小背腔实现低频吸声,从而实现薄型低频吸声结构设计。      

微穿孔板几何参数估算及其对吸声性能的影响

不规则孔微穿孔板几何参数无法直接获知,造成吸声性能计算困难,故提出一种微穿孔板几何参数估算方法。将不规则孔等效处理为圆孔,利用马氏理论关于圆孔微穿孔板的基本理论,建立了微穿孔板几何参数估算模型;将参数估算结果用于吸声性能预测,理论计算与实验结果吻合。根据微穿孔板几何参数对高吸声性能区域的影响,探讨了马氏理论适用极限与微穿孔板几何参数的关系,以及微穿孔板受粉尘污染后吸声性能演变规律。将微穿孔板参数点取在面积较大的高吸声性能区域中间部位,可获得较大的马氏理论适用极限;微穿孔板参数点位于高吸声性能区域右上部位时,一定程度的粉尘污染不会降低吸声性能.      

利用含多孔介质微穿孔周期结构增强声吸收

为获得理想吸声性能,提出了一种由多孔材料,微穿孔板及空气层构成的周期复合结构,并利用微穿孔板理论和等效流体多孔材料模型,结合等效电路法进行了分析。结果表明,复合结构显著增强了微穿孔板结构的中低频吸声性能,但其高频性能较单独多孔材料差;采用合适填充比例并联布置多种多孔材料,可适当调节复合结构的吸声性能。此外,周期复合结构的堆叠层数N≥1时,相对单层复合结构,中低频吸声带宽提升至少40%(≥380 Hz);相对多层微穿孔板结构,增大N对相应中低频吸声带宽提升不低于30%(≥300 Hz)。总体上,文中周期复合结构可显著增强传统微穿孔结构的中低频性能,是一种简单高效的中低频宽频降噪方案。      

穿纤维微穿孔板吸声系数的有限元仿真

为拓宽微穿孔板的吸声频带,该文用有限元算法建立了典型微穿孔板和穿入不同数量金属纤维的微穿孔板模型,研究了两种微穿孔板的吸声系数、声阻抗和微孔内法向质点速度的空间分布,并进行了试验验证。有限元仿真和试验数据表明:穿入金属纤维可以拓宽微穿孔板的吸声频带,吸声系数也随纤维根数的增加而下降;吸声系数仿真结果与试验结果趋势一致,仿真模型可以有效模拟穿入纤维前后微穿孔板的吸声特性;穿入金属纤维导致黏滞效应引起的低质点速度区域增大,声阻增加,引起吸声系数的降低,而声抗变化不大。研究发现,有限元仿真方法适用于结构相对复杂的微穿孔结构的声学建模,能直观地体现微孔复杂结构的影响,值得继续深入研究和工程应用。     

微穿孔板复合对二次余数扩散结构扩散性能影响研究

扩散吸声结构(Diffsorber)能应用于室内外声品质的改善,具有很好的研究意义和应用前景。微穿孔复合QRD结构能显著提高低频吸声性能,但复合对扩散性能的影响未见报道。本论文对QRD结构及其与厚度为0.6mm,穿孔率为1%,2%,3%的微穿孔板复合结构的扩散性能进行测试,得出了相应的反射声能极坐标图和扩散系数。研究结果表明,微穿孔复合QRD结构在中低频特别在结构自身共振频率范围内具有良好的扩散性能,扩散系数在0.8到0.95之间,随着频率增加,复合结构的扩散性能有下降的趋势,同时由于微穿孔板的吸声性能,复合后结构的空间反射声能普遍降低5dB左右。     

穿孔率和穿孔直径耦合下微穿孔板吸声体整体吸声性能

微穿孔板几何参数的耦合性及其对整体吸声性能的影响,对于设计微穿孔板吸声体和优化其工作性能具有指导作用。根据微穿孔板吸声体基本理论,研究了穿孔率和穿孔直径双参数耦合作用下微穿孔板吸声体的整体吸声性能。穿孔率和穿孔直径之间的耦合性与其本身取值密切相关,而与板厚和板后腔深无明显关系;在穿孔率-穿孔直径参数域上,吸声体存在吸声系数为1.0的吸收峰,整体吸声性能随穿孔率或穿孔直径从小到大变化,呈现出先增强后减弱的变化趋势。该结论能够准确解释微穿孔板受粉尘污染后吸声性能的变化规律和演变路径。论文的工作为设计微穿孔板吸声体提供了一种新的理论依据和实施方法。      

面向微穿孔板吸声结构和吸声特性混合设计的软件平台

微穿孔板吸声结构是由微穿孔板与板后空腔组成的共振吸声结构,被认为是继多孔吸声材料之后发展起来的最有吸引力的吸声结构,其吸声特性与结构参数孔径d、板厚t、孔距b及空腔深度D有关,如何按需设计一个有效的微穿孔板吸声结构已成为目前研究的热点。本文从微穿孔板吸声结构和吸声特性混合设计的角度出发,使用面向对象的编程语言C++开发了微穿孔板吸声结构设计平台。与以往设计方法不同,本文开发的软件平台综合考虑了结构参数和吸声特性参数两方面的限制,根据实际应用要求平衡微穿孔板吸声结构的最大吸声系数与吸声带宽之间的制约关系,并以饱满的吸声曲线为目标,提供满足混合设计要求的优化结构参数。     

微穿孔板吸声结构在阶梯教室中的声反射和声吸收性能分析

依据马大猷教授的微穿孔板基本理论,在对微穿孔板吸声结构完成吸声理论计算结果的基础上,进行参数选择并设计了微穿孔吸声反射板结构,用于新建的阶梯教室中。分析了这种微穿孔吸声反射板结构在阶梯教室中的声反射和声吸收的性能。经现场测试与主观评价,表明了此方法对阶梯教室控制音质效果的有效性和可行性。     

切向流对微穿孔共振吸声结构声学性能的影响

切向流对微穿孔共振吸声结构声学性能的影响可以分成三类:(1)对小孔辐射声抗的影响;(2)对结构斜入射吸声性能的影响;(3)对消声通道消声性能的影响。根据声学基本理论,详细讨论这些影响,得到对应的理论分析公式。定性而言,若声波的传播方向与气流的运动方向一致,小孔外侧的辐射声抗、空腔声阻抗函数coth (ξ)的宗量ξ赋值和消声通道的消声系数都会减小;同时呈现多普勒效应,使得结构的吸声系数共振峰频率向低频移动。理论分析得到相应实验研究的支持。