基于亥姆霍茲理論的一種吸聲板設(shè)計(jì)

李海鑫 楊爽

[摘要]：提出了一種吸聲功率可調(diào)的微穿孔板的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并制造了該結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)使用機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來改變面板上實(shí)際參與吸聲效果的可用微電機(jī)數(shù)量，以便可以設(shè)置面板的吸聲頻率。采用內(nèi)徑為30mm的阻抗管作為結(jié)構(gòu)的參數(shù)控制指標(biāo)，利用聲電類比法預(yù)測結(jié)構(gòu)的吸聲性能。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)吸聲機(jī)理的調(diào)頻精度，同時(shí)，微穿孔板的非均勻設(shè)計(jì)達(dá)到了擴(kuò)大可調(diào)吸聲頻率范圍的目的。結(jié)果表明，吸聲頻率可調(diào)范圍可達(dá)到均勻穿孔板結(jié)構(gòu)的15%，對于非均勻穿孔板，可調(diào)頻率范圍可擴(kuò)展至500Hz-1100Hz。

[關(guān)鍵詞]：振動與波;微穿孔板;可調(diào)吸聲頻率;吸聲;降噪

作為一種輕質(zhì)吸聲結(jié)構(gòu)，馬大佑先生首次提出了一種微穿孔板[1]。他綜合了瑞利對微管和克蘭德爾的分析，并在此基礎(chǔ)上解釋了該結(jié)構(gòu)的吸聲極限。大多數(shù)科學(xué)家和專家后來進(jìn)行了豐富而詳細(xì)的進(jìn)一步研究微穿孔板吸聲頻帶的擴(kuò)展及其自適應(yīng)降噪的研究是其中最重要的研究內(nèi)容之一。

現(xiàn)在六層的吸聲面積大大擴(kuò)大，但引入了較大的結(jié)構(gòu)重量。具有不同穿孔率和不同空腔深度的微穿孔吸聲器結(jié)構(gòu)用于并行操作，與僅修改穿孔率或僅修改空腔的傳統(tǒng)方法相比，獲得了更好的吸聲效果[4]，結(jié)論是傳聲器附近的空氣分子速度與柔性薄膜振動引起的薄膜不一致，因此必須在理論模型中引入附加阻抗，以符合實(shí)驗(yàn)要求等研究了后腔高度連續(xù)變化的傾斜微穿孔板，采用虛擬分割和并行處理的方法描述了傾斜微穿孔板，并獲得了比傳統(tǒng)水平微穿孔板結(jié)構(gòu)更好的吸聲性能;在傳統(tǒng)微孔板消聲器的空腔下，用平行機(jī)械阻抗裝置取代了原有的剛性底板，并引入了三個(gè)額外的吸收尖峰，等人利用PVDF的壓電特性，通過外部并聯(lián)協(xié)調(diào)電路轉(zhuǎn)換和分散薄膜接收的聲能，以實(shí)現(xiàn)寬帶降噪。

關(guān)于自適應(yīng)降噪，使用介電彈性體薄膜制造微穿孔吸聲器。通過改變薄膜兩側(cè)的充電電壓，結(jié)構(gòu)的最大吸收峰移動了13%，最基本的亥姆霍茲諧振器制作了曲柄連接機(jī)構(gòu)來操縱腔體積，并設(shè)計(jì)了一種控制算法，通過在390 Hz至865 Hz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)噪聲控制來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)噪聲控制。然而，消聲器外部較大的曲柄連接機(jī)構(gòu)承載較高的結(jié)構(gòu)重量。

雖然上述方法可以提高微穿孔板結(jié)構(gòu)的吸聲性能，并在一定程度上延長吸聲寬度，但上述結(jié)構(gòu)對復(fù)雜多變的外部噪聲也沒有足夠的適應(yīng)性，或者必須使用更高的實(shí)驗(yàn)條件來控制降噪，在結(jié)構(gòu)簡單的前提下，仍然難以實(shí)現(xiàn)對各種噪聲環(huán)境的可調(diào)吸聲。

微穿孔板的研究中，微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)和電學(xué)類比[2]可以簡化理論推導(dǎo)并獲得更好的結(jié)果。對于微穿孔單層板的吸聲器，可以得出微穿孔板結(jié)構(gòu)的相對聲阻抗Z的以下表達(dá)式z=r+jωm+zD

用機(jī)械調(diào)整的思想，設(shè)計(jì)、制造并驗(yàn)證了吸聲頻率可調(diào)的微穿孔板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)可以作為一個(gè)單元加入到不同尺寸、不同串并聯(lián)模式的微穿孔板結(jié)構(gòu)中，最終獲得了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

具有可調(diào)吸聲頻率的微穿孔板的結(jié)構(gòu)由機(jī)械可調(diào)穿孔裝置主要由微穿孔板、可調(diào)穿孔率、分板、剛性細(xì)桿和圓柱形薄側(cè)壁組成。微穿孔板是一種具有固定參數(shù)的微穿孔薄板，可調(diào)穿孔率是一個(gè)具有良好剛度的中心對稱圖形。剛性薄壁桿是一種剛度大、不易變形的薄壁桿，[3]在阻抗管實(shí)驗(yàn)中，利用圓柱形薄壁固定可調(diào)射孔器的工作位置，便于記錄和放置。在裝配過程中，剛性細(xì)桿穿過穿孔底面并連接到可調(diào)節(jié)的穿孔開口。保持可調(diào)節(jié)的穿孔率靠近微孔板，然后將剛性細(xì)桿固定在垂直位置。

假設(shè)已微型，穿孔板此時(shí)微穿孔板上有110個(gè)小孔參與吸聲，增加機(jī)械可調(diào)穿孔速度，可調(diào)穿孔速度堵塞一些小孔，其中未完全屏蔽孔對吸聲的貢獻(xiàn)按半孔均勻計(jì)算，由于半孔的數(shù)量遠(yuǎn)低于孔的總數(shù)，因此不考慮與半孔對應(yīng)的等效開孔的差異。最后，在微穿孔板的初始狀態(tài)下，70個(gè)小孔參與吸聲。將設(shè)備順時(shí)針轉(zhuǎn)動14圈

換言之，通過增加機(jī)械可調(diào)結(jié)構(gòu)，目的是調(diào)整板的微穿孔吸聲結(jié)構(gòu)的穿孔率，然后調(diào)整其吸聲率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張翔. 可調(diào)吸聲頻率微穿孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[A]9.2020

[2]RAYLEIGH L. The theory of sound[M]. London： MacMil- lan， 1929.

[3]CRANDALL IB. Theory of vibrating system and sound [M]. New York： Van Norstrand， 1926.

[4]BUCCIARELLI F， FIERRO G P M， MEO M. A multilayer microperforated panel prototype for broadband sound ab- sorption at low frequencies[J]. Applied Acoustics， 2019， 146： 134-144.

作者簡介：

李海鑫，男，漢族，中共預(yù)備黨員，沈陽城市建設(shè)學(xué)院建筑學(xué)18級學(xué)生，此文章為沈陽城市建設(shè)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：202113208089