微穿孔板的性能與經(jīng)濟(jì)性的平衡研究

唐云 侯強(qiáng) 李江鴻 何映氚 陳杰 陸族糧

摘 要：在噪聲控制領(lǐng)域中，微穿孔板應(yīng)用的比較多，但孔很小（0.2～0.8mm），加工難度大，費(fèi)用高。本文提出了一種復(fù)合型的微穿孔板結(jié)構(gòu)，可以降低微孔板的加工難度，降低成本，便于大規(guī)模的推廣運(yùn)用。此復(fù)合型的微穿孔板結(jié)構(gòu)的性能相比0.2～0.8mm微穿孔板的性能無(wú)下降，并通過(guò)復(fù)合形式提高了全頻帶的吸聲性能。

關(guān)鍵詞：微穿孔板;復(fù)合微穿孔板;噪聲控制;吸聲系數(shù);聲學(xué)

中圖分類號(hào)：U465.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）23-0071-02

1 簡(jiǎn)述

上世紀(jì)七十年代，馬大猷院士提出微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)及其基本理論，微穿孔板的孔徑通常在毫米以下，其聲阻與大氣聲阻相匹配，從而獲得比較好的吸聲系數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，利用單層微穿孔板吸收100Hz～200Hz的低頻噪聲，往往需要結(jié)構(gòu)具有20cm以上的空腔，同時(shí)腔體深度增大會(huì)導(dǎo)致吸聲頻帶變窄。為了拓寬微穿孔板的吸聲頻帶，很多學(xué)者做了大量的研究，馬大猷提出雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，形成兩個(gè)共振吸聲峰，拓寬了單層微穿孔板的吸聲頻帶，但兩個(gè)共振峰中間存在吸聲波谷。趙丹曉在微穿孔板后放置彈性薄板，引入機(jī)械阻抗來(lái)提高微穿孔板的低頻吸聲，但組合結(jié)構(gòu)的低頻吸聲頻帶較窄。以上這些論文和著作只是提到了原理設(shè)計(jì)方面的事宜，為了有效地應(yīng)用于工程項(xiàng)目，需要其具有良好的經(jīng)濟(jì)性。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文對(duì)于微穿孔板的性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了平衡研究，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試優(yōu)選出一種復(fù)合微穿孔板結(jié)構(gòu)，其具有易加工，成本低，吸聲頻帶寬的特點(diǎn)。

2 微穿孔板理論

普通穿孔板在使用中最大問(wèn)題是聲阻過(guò)小，背后不填多孔材料時(shí)吸聲頻帶較窄，為了加寬吸聲頻帶，用板厚、孔徑均在1mm以下、穿孔率為1%～5%的薄金屬板與背后空氣層組成共振吸聲結(jié)構(gòu)，由于穿孔細(xì)而密，因而比穿孔板的聲阻大得多，而聲質(zhì)量要小得多，聲阻與聲質(zhì)量之比大為提高，不用另加多孔材料就可以成為良好的吸聲結(jié)構(gòu)，這種穿孔板稱為微穿孔板。微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于清洗、耐高溫，所以它適合于高速氣流、高溫或潮濕等特殊環(huán)境。

為達(dá)到吸收不同頻率聲音的要求，常常做成雙層或多層的組合結(jié)構(gòu)。每層結(jié)構(gòu)使用的的穿孔率不同。不同層的共振頻率不同，采用這種方法可拓寬吸聲頻帶的分布范圍。

微穿孔板的孔在0.2-0.8mm之間，采用常規(guī)的沖孔加工方法很難實(shí)現(xiàn)，造成其加工成本高，相比其它吸聲結(jié)構(gòu)，在性價(jià)比上不具有優(yōu)勢(shì)，不易進(jìn)行大面積推廣。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上問(wèn)題，我們考慮加大微穿孔板的孔徑至1-2mm，這樣可以方便地使用常規(guī)的沖孔加工方法進(jìn)行制造。但孔加大后，微穿孔板的聲質(zhì)量變大，聲阻變小（基于相同的穿孔率進(jìn)行對(duì)比）。為了彌補(bǔ)聲質(zhì)量和聲阻的變化，我們?cè)谖⒋┛装搴竺嬖O(shè)置一層多孔致密材料，其可抽象為2個(gè)部分（1個(gè)阻性部分和1個(gè)抗性部分），他們與微穿孔板串聯(lián)在一起，整個(gè)結(jié)構(gòu)的聲質(zhì)量變小，聲阻變大，聲阻與聲質(zhì)量之比大于0.2-0.8mm小孔的微穿孔板的性能，但加工成本更低，性價(jià)比更高。

為了優(yōu)選復(fù)合微穿孔板的結(jié)構(gòu)，我們進(jìn)行了多參數(shù)的對(duì)比測(cè)試，其參數(shù)分別為：微穿孔板的開孔大小、穿孔率、空腔深度、多孔致密材料的厚度共4維度進(jìn)行測(cè)試對(duì)比分析，各維度的參數(shù)如表1。

經(jīng)過(guò)對(duì)以上81種組合的測(cè)試，優(yōu)選微穿孔板的加工參數(shù)為：開孔2mm，穿孔率1%，其對(duì)應(yīng)的空腔深度和多孔致密材料厚度組合的駐波管測(cè)量吸聲系數(shù)對(duì)比如圖1到圖6（50mm空腔---黑色線，100mm空腔---紅色線，150mm空腔---藍(lán)色線）。

從這6副對(duì)比圖中可知：

（1）在微穿孔板背側(cè)不設(shè)置多孔致密材料時(shí)，空腔深度50mm/100mm/150mm條件下，開孔2mm+開孔率1%的中低頻吸聲系數(shù)低于開孔1mm+開孔率1%的吸聲系數(shù)，但高頻部分的吸聲系數(shù)優(yōu)于后者。（2）在微穿孔板背側(cè)設(shè)置5mm多孔致密材料時(shí)，空腔深度50mm/100mm/150mm條件下，開孔2mm+開孔率1%的中低頻吸聲系數(shù)與開孔1mm+開孔率1%的吸聲系數(shù)基本相同，高頻部分的吸聲系數(shù)下降較后者緩，前者的高頻吸聲性能優(yōu)于后者，但開孔1mm+開孔率1%的吸聲系數(shù)的峰值頻率低于開孔2mm+開孔率1%結(jié)構(gòu)，對(duì)低頻吸聲更有利。（3）在微穿孔板背側(cè)設(shè)置10mm多孔致密材料時(shí)，空腔深度50mm/100mm/150mm條件下，開孔2mm+開孔率1%的中低頻吸聲系數(shù)與開孔1mm+開孔率1%的吸聲系數(shù)基本相同，高頻部分的吸聲系數(shù)下降較后者緩，前者的高頻吸聲性能優(yōu)于后者，但開孔1mm+開孔率1%的吸聲系數(shù)的峰值頻率低于開孔2mm+開孔率1%的結(jié)構(gòu)，對(duì)低頻吸聲更有利。（4）在微穿孔板背側(cè)設(shè)置多孔致密材料時(shí)，不論其厚度的大小，其結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線表現(xiàn)出相同的分布特征。隨著背側(cè)多孔致密材料厚度的增加，中低頻的吸聲系數(shù)增加較慢，但高頻部分的吸聲系數(shù)增加明顯。（5）考慮到2mm的孔的加工成本遠(yuǎn)小于1mm的孔的加工成本，綜合以上性能對(duì)比，在工程應(yīng)用領(lǐng)域中，優(yōu)先推薦開孔2mm+開孔率1%+多孔致密材料10mm的組合結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

常規(guī)的微穿孔板的孔為0.2～0.8mm，加工難度大，成本高。為降低微穿孔板的加工成本，可以將孔擴(kuò)大至2mm，但穿孔率不能大于1%。在降低成本的同時(shí)，為了保持和提升微穿孔板的吸聲系數(shù)，需要在微穿孔板背側(cè)設(shè)置10mm的多孔致密材料，此復(fù)合微穿孔板結(jié)構(gòu)的性能在不低于原微穿孔板的同時(shí)，也提高了全頻帶的吸聲系數(shù)，尤其是高頻部分的吸聲系數(shù)。我們通過(guò)81組試驗(yàn)測(cè)試，在工程應(yīng)用領(lǐng)域中，優(yōu)先推薦結(jié)構(gòu)為：開孔2mm+開孔率1%+10mm多孔致密材料。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬大猷.微穿孔板吸聲體的準(zhǔn)確理論和設(shè)計(jì)[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，1997，22（5）：385-393.

[2] 馬大猷.組合微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)[J].噪聲與振動(dòng)控制，1990，10（3）：3-9.

[3] 趙丹曉，李曉，丁瑞.機(jī)械阻抗與聲阻抗結(jié)合提高微穿孔板低頻吸聲性能[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2014，30（2）：360-364.

[4] 馬世寬，楊杰，吳波波.微穿孔板作護(hù)面板對(duì)多孔材料吸聲效果的影響[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，29（3）：79-82.

[5] 劉鵬，周兵，陳興旺，王延召，袁文超，王佩華.新型阻抗復(fù)合吸聲材料設(shè)計(jì)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2017（S2）：278-284.