一種輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)聲學特性試驗研究

王明杰，梅中建，潘忠文，呂亞東，姜人偉

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076； 2. 中國科學院 聲學研究所，北京 100190）

0 引言

運載火箭飛行過程中承受著高量級寬頻噪聲、振動環(huán)境，可能引發(fā)艙段內(nèi)重要儀器設備的故障或失效，嚴重時甚至導致飛行任務失敗。因此，研究如何降低艙段內(nèi)噪聲環(huán)境具有十分重要的意義。

國內(nèi)外研究表明，在艙段內(nèi)壁敷設吸聲結(jié)構(gòu)是一種有效的降噪手段，所用吸聲結(jié)構(gòu)有玻璃纖維[1-2]、多孔泡沫[3-4]及聲學覆蓋層[5-6]等。以上吸聲結(jié)構(gòu)主要依靠空氣的黏滯效應或空氣與孔壁的摩擦、熱傳導作用將聲波能量轉(zhuǎn)換為熱量，從而達到降噪的效果。這類吸聲結(jié)構(gòu)對于500 Hz 以上中高頻噪聲的降低效果明顯，但低頻降噪效果有限。常見的低頻吸聲結(jié)構(gòu)有亥姆霍茲共鳴器[7]、穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)[8-10]、微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)[10]、聲學超材料結(jié)構(gòu)[11-12]及管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)[13-19]等。亥姆霍茲共鳴器[7]的吸聲機理為共振吸聲，當入射聲波頻率與共鳴器共振頻率一致時降噪效果最佳，但吸聲頻帶較窄。穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)[8]利用聲波與板后空腔的共振吸聲，其吸聲頻率與穿孔板穿孔率、空腔深度有關，可在穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)內(nèi)填充多孔材料來提高結(jié)構(gòu)的吸聲性能與帶寬[9]。微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)[10]的吸聲原理與穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)一致，由于其微孔孔徑較小，需要考慮聲波的黏滯效應。聲學超材料為人工設計制造的吸聲結(jié)構(gòu)，具有負等效質(zhì)量密度[11]、負等效體積模量[12]等特殊性質(zhì)，可以在亞波長尺寸下實現(xiàn)低頻吸聲、隔聲，但由于其結(jié)構(gòu)形式復雜，加工工藝上尚無法實現(xiàn)工程應用。呂亞東等[13]提出在穿孔處向聲腔內(nèi)延伸一定長度的管束以形成管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，可以將第1 個共振吸聲頻率向低頻移動，實現(xiàn)了有限腔深下低頻吸聲能力的增強。張倩[14]通過聲類比法獲取了管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的等效電路模型，準確預測了其低頻第1 個吸聲峰的吸聲系數(shù)。Simon[15]采用傳遞矩陣法對管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲特性進行理論研究，同時利用氣動聲學試驗臺對管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)試件開展試驗研究，理論與試驗結(jié)果表明，延伸管可將吸聲頻率向低頻移動，吸聲結(jié)構(gòu)厚度僅為吸聲頻率對應波長的1/30。Huang 等[16]提出在亥姆霍茲共鳴器內(nèi)部設置延伸管，并通過理論分析與試驗測試證明該結(jié)構(gòu)具有吸聲頻率可調(diào)控、吸聲效率高等優(yōu)點。Guo 等[17]設計了一種由16 個帶有不同延伸管的亥姆霍茲共鳴器組成的聲襯，試驗結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)700～1000 Hz 頻帶內(nèi)有效吸聲，且各頻點的傳遞損失水平相當。蘇玉等[18]建立了考慮熱黏性效應的管束穿孔板有限元仿真模型，并對管束穿孔板內(nèi)部聲場分布特征及吸聲特性進行計算，經(jīng)與試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，管束穿孔板的低頻吸聲主要為腔體共振吸聲，部分發(fā)生在管中；高頻主吸聲峰主要為管共振吸聲，次吸聲峰為管腔耦合共振吸聲：該研究揭示了管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲機理，為管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)吸聲調(diào)諧設計提供了依據(jù)。

為保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和剛度，工程上應用的管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)多以鋼、鋁等材質(zhì)為主，且結(jié)構(gòu)厚度、質(zhì)量均較大，無法滿足火箭對降噪產(chǎn)品尺寸及重量方面的約束[19-20]。為此，本文提出了一種輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)構(gòu)型，設計了2 種吸聲頻段互補的中低頻結(jié)構(gòu)單元，并開展阻抗管吸聲系數(shù)測試與隔聲測試，對輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲、隔聲性能進行評估。

1 管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設計介紹

1.1 吸聲原理

管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)可以看作亥姆霍茲共鳴器的頸部向腔內(nèi)延長而形成的吸聲結(jié)構(gòu)，根據(jù)亥姆霍茲共鳴器共振頻率的理論模型，可以近似得到管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的低頻共振吸聲頻率為

式中：c為聲波在空氣中的傳播速度；S為管束穿孔板腔體的橫截面積；l為管長；V為腔體體積。從式(1)可以看出，在相同外廓尺寸下，管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)可通過增加管長l使其低頻共振吸聲頻率相對于亥姆霍茲共鳴器的更低，并可通過調(diào)整管長來實現(xiàn)共振頻率調(diào)諧設計。

管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲阻抗Z由管束部分的聲阻抗Zn與下腔體的聲阻抗Zc組成，即

基于Crandall 吸聲理論并考慮管束內(nèi)的熱黏性效應，延長管的聲阻抗為[16]

式中：p=()/4A，為多個延長管在穿孔板面板上的總穿孔率，其中，m為延長管的個數(shù)，di為延長管內(nèi)徑，A為穿孔面板的表面積；ρ0為空氣密度；kn為孔中的復波數(shù)；li為延長管長度；ω為角頻率；γ為空氣的比熱比；ψv和ψh分別表示管中黏滯場和熱場；η為空氣的運動黏滯系數(shù)；δi=[1+(1-2.5di/b)]×(4/3π)di，為與孔末端輻射帶來的聲質(zhì)量相關的修正系數(shù)，其中b為穿孔的間距。

對于一個高度為h、橫截面積為Sc的矩形空腔，其聲阻抗為

并聯(lián)吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)為

其中Z0=ρ0c，為空氣聲阻抗。

1.2 吸聲結(jié)構(gòu)組成

本文針對運載火箭對降噪產(chǎn)品輕質(zhì)化的需求，并考慮降噪產(chǎn)品材料的阻燃性、潔凈度等，提出一種輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)構(gòu)型。該結(jié)構(gòu)為長方體（如圖1 所示），面板、背板、管束材質(zhì)均為聚酰亞胺，外側(cè)板采用輕質(zhì)碳纖維板，面板下方空腔內(nèi)部填充多孔泡沫材料。下面的章節(jié)將對輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)進行具體結(jié)構(gòu)參數(shù)設計，并制作測試件進行吸聲和隔聲測試。

圖1 輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)構(gòu)型示意Fig. 1 Schematic diagram of a lightweight sound absorption structure of tube bundle perforated panel

2 輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)吸聲測試

2.1 測試件

為實現(xiàn)100～500 Hz 寬頻帶吸聲降噪，同時考慮到結(jié)構(gòu)腔深不大于100 mm，以及結(jié)構(gòu)的加工工藝復雜度、加工成本等約束，單一結(jié)構(gòu)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)很難滿足要求，故本文提出吸聲頻率互補的設計思路，設計制造了2 種吸聲測試件。

吸聲測試件1 的實物如圖2 所示，直徑、厚度均為100 mm，外側(cè)板為碳纖維板，將穿孔的聚酰亞胺薄膜平均劃分為大小相等的9 個單元，各個單元間也用聚酰亞胺薄膜隔開，各單元下鋪設一層不同厚度的多孔泡沫，并將不同內(nèi)徑和長度的聚酰亞胺管插入各個單元中，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖2 吸聲測試件1Fig. 2 Sound absorption test sample 1

表1 吸聲測試件1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of sound absorption test sample 1

吸聲測試件 2 的實物如圖3 所示，圖中實物不含碳纖維外側(cè)板，在吸聲測試過程中將阻抗管的內(nèi)壁作為其壁板與背板。吸聲測試件 2 僅有 1 種單元結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為管長 80 mm、管內(nèi)徑 4 mm、穿孔率0.77%、泡沫厚 30 mm。

圖3 吸聲測試件2Fig. 3 Sound absorption test sample 2

2.2 測量方法

吸聲系數(shù)測試按照GB/T 18696.2—2002《聲學阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量 第2 部分：傳遞函數(shù)法》開展，將輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)放置在阻抗管的測試腔中，管中平面波由聲源產(chǎn)生，用2 個傳聲器對測試樣件前的聲壓進行測量，并對2 個傳聲器信號的聲傳遞函數(shù)進行計算，求解出輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的法向入射吸聲系數(shù)。吸聲測試系統(tǒng)如圖4 所示，測試所用儀器均為丹麥B&K公司產(chǎn)品，包括4206T 型聲阻抗測試儀、4187-A-021型傳聲器、3560C 型數(shù)據(jù)采集及信號發(fā)生器、2716C型功率放大器。

2.3 測試結(jié)果及分析

針對2 種吸聲測試件開展了50～1600 Hz 頻段內(nèi)的吸聲系數(shù)測試，結(jié)果見圖5。從圖中可以看出：吸聲測試件1 在100～200 Hz 頻段的吸聲系數(shù)在0.5 之上，低頻吸聲效果較好；但在200～300 Hz頻段出現(xiàn)1 個吸聲谷。吸聲測試件2 在100～200 Hz頻段的吸聲系數(shù)在0.1 之下，低頻吸聲效果較差；但在200～250 Hz 頻段吸聲系數(shù)隨頻率增加上升很快，在250～500 Hz 頻段吸聲系數(shù)可達到0.8 之上，中頻吸聲效果較好。圖5 中的虛線為吸聲系數(shù)0.5 的水平線，可以看出，2 種結(jié)構(gòu)搭配組合后在100～500 Hz 頻帶內(nèi)的吸聲系數(shù)基本上都在0.5 以上。

圖5 吸聲測試件的吸聲系數(shù)曲線Fig. 5 Sound absorption coefficient curves of the sound absorption test samples

為進一步證實本文所提出的輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)寬帶吸聲的有效性，用3D 打印技術加工制作了與吸聲測試件1 結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的傳統(tǒng)管束穿孔板吸聲樣件；不同的是，該樣件的制作材料為光敏樹脂，穿孔面板厚度為1.5 mm，底板和中間隔板的厚度均為1.0 mm。因為面板和隔板的特性聲阻抗遠大于空氣的特性聲阻抗且厚度較大，所以可以將其視作聲學硬邊界。此時，可用1.1 節(jié)中的理論公式預測該樣件的吸聲系數(shù)，理論預測結(jié)果與實驗測試結(jié)果對比如圖6 所示，二者能夠較好地吻合；但是，吸聲樣件只在100～200 Hz 頻段有較好的吸聲性能，在200 Hz 之后吸聲系數(shù)逐漸降低。這是因為傳統(tǒng)管束穿孔板是一種共振吸聲結(jié)構(gòu)，只在共振頻率附近具有吸聲效果，遠離共振頻率時吸聲效果變差甚至不吸聲。而本文設計的輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)1 不僅具有共振吸聲特性，還具有聲與結(jié)構(gòu)相互耦合的特點，因此除了共振吸聲頻帶外，還在250～1000 Hz 頻段具有連續(xù)的吸聲帶寬（如圖6 紅色曲線所示）。可見，與傳統(tǒng)管束穿孔板相比，輕質(zhì)管束穿孔板不僅極大減輕了結(jié)構(gòu)重量，而且具有更寬的吸聲頻帶。

圖6 吸聲樣件吸聲系數(shù)的理論預測與實驗測試結(jié)果對比Fig. 6 Comparison between theoretical prediction and experimental result of sound absorption coefficients of sound absorption test samples

3 輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)隔聲測試

3.1 測試件

考慮到輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)敷設于火箭整流罩或儀器艙等艙段內(nèi)壁，為驗證其對隔聲量的提升，開展隔聲測試。將上述2 種輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)組合成如圖7(a)所示的吸聲結(jié)構(gòu)，作為隔聲測試件，結(jié)構(gòu)尺寸為1.11 m×1.25 m×0.1 m，密度為18 kg/m3，總重約2.5 kg，相對于傳統(tǒng)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)（如圖7(b)所示）減重達80%。

圖7 隔聲測試件Fig. 7 Sound insulation test samples

3.2 測試方法與結(jié)果分析

隔聲測試按照GB/T 19889.3—2005《聲學建筑和建筑構(gòu)件隔聲量測量 第3 部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實驗室測量》開展，測試工況包括：工況A——僅蜂窩板結(jié)構(gòu)（模擬某整流罩壁板）；工況B——蜂窩板結(jié)構(gòu)一面粘貼輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。圖8為工況B 的隔聲測試現(xiàn)場，可以看到蜂窩板敷設輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的一面朝向接收室，以模擬火箭噪聲從壁面?zhèn)髦僚摱蝺?nèi)的傳播途徑。

圖8 工況B 的隔聲測試現(xiàn)場Fig. 8 Sound insulation test site for condition B

隔聲測試時，在聲源室和接收室各布置5 個隨機測點，所有測點與墻面距離均不小于1 m，在每個測點測試10 s 的連續(xù)等效聲壓級；測試混響時間時，在接收室隨機布置5 個測點，每個測點測試混響時間3 次，將15 組混響時間測試結(jié)果的平均值作為接收室混響時間測試結(jié)果；隔聲量測試的有效頻段為100～4000 Hz。測試所用儀器均為丹麥B&K 公司產(chǎn)品，包括3160-A-042 型多通道分析儀、4189-A-021 型傳聲器及4321 型聲級校準器。

工況A、B 隔聲量測試結(jié)果，以及工況B 相對工況A 的隔聲量提升情況見表2 所示。分析表中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，敷設輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)后，除125 Hz 外，100～200 Hz 頻段的隔聲量提升均在2.9 dB 以上，250～500 Hz 頻段的隔聲量提升均在6.8 dB 之上，其中400 Hz 的隔聲量提升值最大，為8.9 dB。在100～500 Hz 頻段，工況B 的平均隔聲量（21.8 dB）的比工況A 的平均隔聲量（16.7 dB）提升5.1 dB；同時發(fā)現(xiàn)，在630～1250 Hz 頻段也有不錯的隔聲效果，但1500 Hz 以上頻段的隔聲量提升值較小，幾乎可以忽略。

表2 隔聲量測試結(jié)果（100～4000 Hz）Table 2 Test results of sound insulation (100-4000 Hz)

4 結(jié)論

針對運載火箭發(fā)射艙段對中低頻降噪的迫切需求，綜合考慮降噪產(chǎn)品密度、產(chǎn)品厚度、加工工藝及潔凈度等各方面約束條件，本文提出2 種吸聲頻率互補的輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，并分別制作了吸聲及隔聲測試件，依次開展了吸聲及隔聲測試，得到如下結(jié)論：

1）從吸聲測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，2 種吸聲測試件在吸聲頻段上可實現(xiàn)互補，工程上可通過分頻段吸聲設計實現(xiàn)有效降噪；

2）結(jié)合吸聲與隔聲測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，除100～500 Hz 頻段外，輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)在630～1250 Hz 也具有較好的吸聲降噪性能，產(chǎn)品覆蓋頻帶比預期更寬；

3）本文提出的輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)相對而言密度小、體積小、中低頻降噪性能好，具有廣闊的應用前景。

后續(xù)會結(jié)合整流罩或儀器艙等艙段開展大型地面噪聲試驗，進一步驗證輕質(zhì)管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的降噪性能及產(chǎn)品的環(huán)境適應性等。