超細(xì)微穿孔板構(gòu)筑輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的吸聲特性研究

劉 杰 翦林杰 竇澤城 文桂林 王銳坤 李方義

1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北省輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備工藝技術(shù)創(chuàng)新中心,秦皇島,0660042.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院,廣州,510006

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展,噪聲污染問題越來(lái)越嚴(yán)重,并受到關(guān)注。一方面,噪聲可對(duì)人的身心健康造成重大影響,長(zhǎng)期暴露在噪聲環(huán)境中會(huì)引起聽覺障礙、高血壓、心臟病等系列問題[1];另一方面,噪聲還會(huì)降低精密儀器的精度。因此,實(shí)際工程中急需對(duì)噪聲進(jìn)行抑制,特別是對(duì)于穿透力強(qiáng)的低頻噪聲。

對(duì)噪聲的控制包括從聲源處、在聲波傳播途徑中和在入耳處三種途徑。其中,從聲波傳播途徑處進(jìn)行噪聲控制較為常見,比較典型的有隔聲、吸聲和消聲[2-6]。三種方法使用的場(chǎng)合和目的各不相同,均已在實(shí)際工程中展現(xiàn)出優(yōu)越的噪聲抑制能力,本文主要涉及吸聲相關(guān)的研究。吸聲結(jié)構(gòu)可將入射的聲能轉(zhuǎn)化成熱能,減少噪聲在內(nèi)部的反射,以削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部噪聲。

多孔材料、共振式結(jié)構(gòu)以及吸聲尖劈的良好吸聲特性已得到證實(shí)[7-8],但也存在局限性:多孔材料難以吸收中低頻聲波;吸聲尖劈結(jié)構(gòu)尺寸過大,不利于工程應(yīng)用。微穿孔板作為共振式吸聲的一種典型代表,可以有效抑制中低頻噪聲,但也存在有效吸聲帶寬過窄等固有缺點(diǎn)。利用“串聯(lián)+并聯(lián)”對(duì)微穿孔板進(jìn)行構(gòu)筑可有效解決該問題。WANG等[9]設(shè)計(jì)了一種三個(gè)微穿孔板(micro-perforated panel, MPP)并聯(lián)的吸聲結(jié)構(gòu),每個(gè)MPP對(duì)應(yīng)背腔深度不同,研究發(fā)現(xiàn),不同深度背腔在多個(gè)頻率處產(chǎn)生局部共振,拓寬了吸聲結(jié)構(gòu)的有效吸聲帶寬。通過并聯(lián)組合單層MPP和基于二次余數(shù)擴(kuò)散體深度序列設(shè)計(jì)的多個(gè)不同深度子背腔,閔鶴群等[10]實(shí)現(xiàn)了460 ～ 3500 Hz范圍內(nèi)的有效吸聲。QIAN等[11]提出了串并聯(lián)耦合的復(fù)合MPP吸聲結(jié)構(gòu),有效擴(kuò)寬了吸聲帶寬。在串并聯(lián)策略基礎(chǔ)上,對(duì)穿孔板進(jìn)行非均勻穿孔,可進(jìn)一步有效提高中低頻吸聲帶寬[12]。為了實(shí)現(xiàn)中低頻和寬頻吸聲,LIU等[13]提出了一種具有深亞波長(zhǎng)尺度的多階亥姆霍茲超材料,該結(jié)構(gòu)由多個(gè)亥姆赫茲共振器通過串并聯(lián)的方式組合得到。結(jié)合卷曲空間原理,并聯(lián)MPP吸聲結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)更小尺度的低頻有效吸聲[14]。

雖然上述創(chuàng)新性微穿孔板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了有效的中低頻和寬頻吸聲,但是均屬于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),其吸聲特性還有待進(jìn)一步提高。采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法可進(jìn)一步提高微穿孔板結(jié)構(gòu)的低頻噪聲抑制能力,包括增大吸聲峰值和擴(kuò)寬吸聲帶寬等[15-17]。此外,受限于加工工藝,現(xiàn)有微穿孔板孔徑尺寸一般為0.2 ～1 mm。進(jìn)一步降低孔徑形成超細(xì)微穿孔板(ultra-micro-perforated panel, UMPP),可有效增大吸聲系數(shù)和擴(kuò)寬吸聲帶寬[18-19]。

針對(duì)上述工作存在的不足,筆者借助高精度增材制造設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了微穿孔板孔徑0.07 mm的制備,并利用倒置金相顯微鏡測(cè)試了加工精度。基于此,設(shè)計(jì)了一種串并聯(lián)構(gòu)筑的UMPP吸聲結(jié)構(gòu)(下文簡(jiǎn)稱為UMPP吸聲結(jié)構(gòu)),通過理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)綜合研究了其中低頻吸聲性能,并揭示其吸聲機(jī)理。最后,提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略,進(jìn)一步提高了UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能。

1 UMPP吸聲結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)與制備

UMPP吸聲結(jié)構(gòu)由UMPP、并聯(lián)背腔和底板構(gòu)成,如圖1a所示。并聯(lián)背腔為圓柱形,背腔深度為D,通過十字型隔板將內(nèi)部空間分成4個(gè)空腔;UMPP厚度為t,孔徑為d,穿孔率為ψ,通過并聯(lián)背腔將UMPP劃分為4個(gè)部分,相互之間為并聯(lián)關(guān)系。并聯(lián)背腔上表面與下表面分別與UMPP和底板相連,得到單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu),如圖1b所示。其中區(qū)域1、2、3和4代表UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的4個(gè)子吸聲結(jié)構(gòu),它們之間相互并聯(lián)。利用同樣的思路,可實(shí)現(xiàn)多層UMPP吸聲結(jié)構(gòu),圖1c為雙層和三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)示意圖,從圖中可以看到,在豎直方向上,各層之間互為串聯(lián)關(guān)系。

(a)UMPP吸聲結(jié)構(gòu)基本組成

為便于后續(xù)建立UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲理論模型,圖2a～圖2c分別給出了單層、雙層和三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的等效模型。單層、雙層和三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)分別具有4、8、12個(gè)空腔和UMPP,穿孔率、孔徑、空腔深度以及板厚分別用ψpq、dpq、Dq和tq表示,下標(biāo)p取值為1、2、3、4,分別代表區(qū)域1、2、3、4;q等于1、2、3,分別代表從上往下的層數(shù)。

(a)單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)

UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的制備分為三步:首先,采用魔方nanoArch S140高精度3D打印機(jī)制備UMPP,材料為405 nm固化波段BIO樹脂;其次,利用極光爾沃3D打印機(jī)制備并聯(lián)背腔和底板,材料為PLA;最后,將UMPP與并聯(lián)背腔膠接起來(lái)。圖3所示為單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)樣品,相關(guān)幾何參數(shù)為:孔徑0.07 mm,UMPP厚度1.5 mm,穿孔率0.1886,隔板和底板厚度均為1 mm,背腔深度為50 mm。為了驗(yàn)證制備精度,采用MJ42倒置金相顯微鏡對(duì)表面進(jìn)行觀測(cè)(圖3右上圖),發(fā)現(xiàn)精細(xì)微孔均勻排布,加工質(zhì)量良好。

圖3 單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)樣品

2 UMPP吸聲結(jié)構(gòu)吸聲特性研究

2.1 UMPP吸聲結(jié)構(gòu)吸聲理論模型

根據(jù)微穿孔板理論,單個(gè)空腔與UMPP構(gòu)成吸聲結(jié)構(gòu)的相對(duì)聲阻抗為

Z=R+jωm+ZD

(1)

ZD=-jcot(ωD/c0)

式中,R為UMPP的相對(duì)聲阻;m為UMPP的相對(duì)聲質(zhì)量;ω為圓頻率;ZD為空腔的相對(duì)聲阻抗;D為背腔深度;c0為聲音傳播速度,取340 m/s。

UMPP的相對(duì)聲阻抗實(shí)部由空氣與孔內(nèi)表面之間的黏滯效應(yīng)構(gòu)成,虛部由孔內(nèi)空氣的慣性運(yùn)動(dòng)構(gòu)成[8]:

式中,t為UMPP的板厚;d為UMPP上微孔的直徑;η為空氣的黏滯系數(shù),取1.85×10-5Pa·s;ψ為穿孔率;k為穿孔板常數(shù);ρ0為空氣密度,取1.2 kg/m3。

當(dāng)聲波入射到UMPP吸聲結(jié)構(gòu)上表面時(shí),分別穿過4個(gè)區(qū)域的UMPP,然后進(jìn)入對(duì)應(yīng)的空腔,依此類推,最終到達(dá)最后一層空腔。4個(gè)區(qū)域內(nèi)部之間為相互串聯(lián),然后4個(gè)區(qū)域之間相互并聯(lián),其結(jié)構(gòu)總的相對(duì)聲阻抗Zt為

(2)

式中,φp為p區(qū)域所占截面積占總截面積的比值;zt_p1代表該區(qū)域下第一層空腔和微穿孔板至最后一層空腔和微穿孔板構(gòu)成結(jié)構(gòu)的總等效相對(duì)聲阻抗。

單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的相對(duì)聲阻抗Zt_p1為

Zt_p1=Zp1

式中,Zp1為空腔及其UMPP組成吸聲結(jié)構(gòu)的相對(duì)聲阻抗,可由式(1)求得。

雙層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)具有兩層空腔以及對(duì)應(yīng)的UMPP,Zt_p1代表第一層空腔和UMPP至第二層空腔和UMPP構(gòu)成結(jié)構(gòu)的總等效相對(duì)聲阻抗。在計(jì)算多層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)時(shí),空腔如只考慮聲順,忽略聲質(zhì)量,將導(dǎo)致吸聲系數(shù)與實(shí)際情況有一定誤差[20],需要對(duì)吸聲理論進(jìn)行修正[16]。雙層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)相對(duì)阻抗為

式中,Zp2為第二層空腔及其UMPP組成吸聲結(jié)構(gòu)的相對(duì)聲阻抗;ZD1為第一層空腔的相對(duì)聲阻抗。

同理,可以得到三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)總等效相對(duì)聲阻抗為

其中,Zt_p2為第二層空腔和UMPP至第三層空腔和UMPP構(gòu)成結(jié)構(gòu)的總等效相對(duì)聲阻抗,即

其中,Zp3為第三層空腔及其UMPP系統(tǒng)的相對(duì)聲阻抗;ZD2為第二層空腔的相對(duì)聲阻抗。

由式(2)可求得UMPP吸聲結(jié)構(gòu)總的相對(duì)聲阻抗,進(jìn)而得到吸聲系數(shù)α的表達(dá)式:

(3)

2.2 UMPP吸聲結(jié)構(gòu)仿真模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

采用商用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics 5.6建立UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲仿真模型。為了提高計(jì)算效率,在壓力聲學(xué)模塊中采用內(nèi)部穿孔板邊界條件,通過計(jì)算邊界上傳輸阻抗得到聲學(xué)參數(shù)的吸聲特性。以單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)為例,其仿真模型如圖4所示。其中,空氣域用于模擬并聯(lián)背腔中的4個(gè)空腔,入射聲波由背景壓力場(chǎng)提供,完美匹配層用于模擬無(wú)限大空氣域。考慮到實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)試范圍,聲波頻段設(shè)置為1000～6300 Hz。空氣域與背景壓力場(chǎng)采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行建模,最大網(wǎng)格尺寸大小控制在小于最小波長(zhǎng)的1/6,完美匹配層采用掃掠網(wǎng)格建模,掃掠層數(shù)為8層。

圖4 單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)吸聲有限元模型

借助聲阻抗管(BSWA SW477)對(duì)UMPP吸聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行吸聲測(cè)試研究,實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。測(cè)量的頻率范圍為1000～6300 Hz。計(jì)算機(jī)輸出信號(hào),經(jīng)過信號(hào)分析器(MC3642)與功率放大器(PX3)后傳輸?shù)綋P(yáng)聲器,揚(yáng)聲器再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào),向阻抗管內(nèi)發(fā)射出白噪聲。白噪聲經(jīng)過UMPP吸聲結(jié)構(gòu)樣品,一部分被吸收,一部分被反射。傳感器采集管內(nèi)噪聲信號(hào)并傳輸至信號(hào)分析器計(jì)算處理,最終得到吸聲結(jié)果。為了降低實(shí)驗(yàn)誤差,測(cè)試3組數(shù)據(jù)取平均值得到最終UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)。

圖5 吸聲測(cè)試設(shè)備

3 UMPP吸聲結(jié)構(gòu)吸聲特性與機(jī)理分析

圖6所示為單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)。可見理論計(jì)算結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果具有良好的一致性,而實(shí)驗(yàn)曲線在兩個(gè)波峰處高于理論與仿真曲線,這可能是由于裝配誤差以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試誤差等因素導(dǎo)致。不過,三種方法在總體趨勢(shì)上基本一致。在關(guān)心頻帶內(nèi),吸聲系數(shù)曲線出現(xiàn)了兩個(gè)吸聲峰值以及一個(gè)吸聲波谷,吸聲峰值處頻率分別為1386 Hz與4323 Hz,吸聲峰值系數(shù)分別為0.83與0.821,吸聲波谷處頻率為3400 Hz。定義吸聲系數(shù)在0.8以上的頻段為有效吸聲帶寬,則單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)在1000～1969 Hz與4074～4707 Hz為有效吸聲范圍,帶寬分別為969 Hz和633 Hz,具有較好的吸聲性能。然而,存在明顯的吸聲波谷,一定程度上限制了其工程應(yīng)用。

圖6 單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)

雙層與三層UMPP組成部分幾何參數(shù)與單層一致。圖7與圖8分別展示了雙層與三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù),可以發(fā)現(xiàn)理論與仿真得到的吸聲系數(shù)曲線十分接近,變化趨勢(shì)與單層相似,并且均在3400 Hz處產(chǎn)生吸聲波谷。值得注意的是,雙層與三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)均未超過0.8。其中雙層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)分別在1543 Hz與4716 Hz處產(chǎn)生吸聲峰值,吸聲峰值系數(shù)分別為0.77與0.7455;三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)吸聲峰值分別出現(xiàn)在1486 Hz與4555 Hz處,吸聲峰值系數(shù)分別為0.779與0.755。對(duì)比圖6、圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn),單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲峰值更高,但有效吸聲頻段的吸聲曲線對(duì)頻率較為敏感;雙層與三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)在吸聲峰值處變化較為平穩(wěn),但吸聲峰值較低。

圖7 雙層UMPP結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)

圖8 三層UMPP結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)

由式(3)可知,UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)受到相對(duì)聲阻抗的影響。為了分析吸聲機(jī)理,圖9a和圖9b給出了單層、雙層和三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的歸一化聲阻與歸一化聲抗。可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)頻率為3400 Hz時(shí),三者歸一化聲抗值均遠(yuǎn)離0點(diǎn),在該處出現(xiàn)了吸聲波谷;在吸聲峰值處,歸一化聲抗接近0。以單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)為例,在1402 Hz與4330 Hz處歸一化聲抗值為0,其對(duì)應(yīng)頻率下的歸一化聲阻值為2.397與2.462,吸聲峰值頻率1386 Hz與4323 Hz處歸一化聲抗值為-0.02與-0.013,歸一化聲阻值為2.396和2.462。吸聲峰值頻率與歸一化聲抗值零點(diǎn)頻率出現(xiàn)些許偏差,這是由于吸聲受到歸一化聲抗與歸一化聲阻的耦合作用。圖10給出了歸一化聲阻、歸一化聲抗與吸聲系數(shù)α的關(guān)系圖。當(dāng)歸一化聲抗值越接近0并且歸一化聲阻值越接近1,UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)可達(dá)到1時(shí),實(shí)現(xiàn)完美吸聲。

(a)歸一化聲抗

圖10 歸一化聲阻、聲抗與吸聲系數(shù)

4 UMPP吸聲結(jié)構(gòu)吸聲性能優(yōu)化

UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能受到孔徑、板厚、穿孔率與空腔深度等關(guān)鍵參數(shù)的影響,且各參數(shù)對(duì)吸聲系數(shù)的影響相互耦合。為進(jìn)一步提高UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能,提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略,并利用遺傳算法求解。優(yōu)化模型如下:

模型以吸聲帶寬最大為目標(biāo)函數(shù),其中,f1和f2為優(yōu)化頻段內(nèi)頻率的下限值與上限值;δ(f)為與吸聲系數(shù)有關(guān)的函數(shù),當(dāng)某個(gè)頻率下吸聲系數(shù)大于等于0.8時(shí),則計(jì)該頻率下δ(f)值為1,反之為0。設(shè)定優(yōu)化頻段為0～7000 Hz,約束中包含UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)上下邊界。

單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,優(yōu)化前后吸聲系數(shù)如圖11所示。優(yōu)化后的吸聲峰值頻率為3991 Hz,吸聲峰值系數(shù)為0.959,有效吸聲頻段為2262～7000 Hz,達(dá)到了1.629個(gè)倍頻程。定義厚度與起始工作頻率的波長(zhǎng)之比為結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)比,其中厚度為空腔高度與UMPP厚度之和。優(yōu)化后的UMPP結(jié)構(gòu)厚度為15.662 mm,在2262 Hz下結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)比為1/9.597,表明單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)具有亞波長(zhǎng)尺度吸聲的特性。相較于優(yōu)化前的單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu),優(yōu)化后的中高頻段吸聲性能得到了大幅度提升,消除了吸聲波谷,但中低頻吸聲性能減弱。

表1 優(yōu)化后單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖11 單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后吸聲系數(shù)對(duì)比

表2給出了優(yōu)化后雙層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù),圖12為其優(yōu)化前后的吸聲系數(shù)對(duì)比曲線。優(yōu)化后的吸聲系數(shù)出現(xiàn)了3個(gè)吸聲峰值,吸聲峰值頻率為分別為1265 Hz、3846 Hz、5959 Hz,對(duì)應(yīng)的吸聲系數(shù)分別為0.941、0.997、0.92,有效吸聲頻率為648～7000 Hz,達(dá)到了3.43個(gè)倍頻程,具有較寬的有效吸聲帶寬。優(yōu)化后的UMPP吸聲結(jié)構(gòu)厚度為62.367 mm,結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)比為1/8.413。吸聲帶寬得到了提高,并且消除了吸聲波谷,實(shí)現(xiàn)了中高頻內(nèi)高效吸聲。

表2 優(yōu)化后雙層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖12 雙層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后吸聲系數(shù)對(duì)比

優(yōu)化后三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)出現(xiàn)了5個(gè)吸聲峰值(設(shè)計(jì)參數(shù)見表3),吸聲系數(shù)如圖13所示,吸聲峰值頻率為分別為716 Hz、2221 Hz、3758 Hz、4774 Hz和6500 Hz,吸聲峰值系數(shù)分別為0.931、0.962、0.996、0.979和0.940,有效吸聲頻率為369～7000Hz,實(shí)現(xiàn)了4.245個(gè)倍頻的帶寬有效吸聲。結(jié)構(gòu)厚度為110.632 mm,結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)比達(dá)到了1/8.328。可見,結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略可使三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從低頻到高頻的良好寬頻吸聲。

表3 優(yōu)化后三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖13 三層UMPP結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后吸聲系數(shù)對(duì)比

為了進(jìn)一步表明所提UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲特性,采用雙層、三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的吸聲結(jié)構(gòu)[11,15,17]性能進(jìn)行對(duì)比,如表4所示。文獻(xiàn)[15]與[17]中結(jié)果均為優(yōu)化后的吸聲特性。可以看到,文獻(xiàn)[11]和[15]的有效吸聲帶寬分別為5911 Hz和2500 Hz,而雙層與三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)分別為6352 Hz和6631 Hz,因此后者具有較寬的有效吸聲帶寬。此外,雖然三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)比比文獻(xiàn)[17]的要大,但其吸聲范圍最寬,可實(shí)現(xiàn)低頻噪聲吸收(從369 Hz開始有效吸聲),且屬于亞波長(zhǎng)尺度。因此,本文所提UMPP吸聲結(jié)構(gòu)可在亞波長(zhǎng)尺度實(shí)現(xiàn)寬頻的有效吸聲。

表4 UMPP吸聲結(jié)構(gòu)與其他吸聲結(jié)構(gòu)吸聲特性對(duì)比

5 結(jié)論

基于0.1 mm以下孔徑的微穿孔板和“串聯(lián)+并聯(lián)”思路,本文設(shè)計(jì)和制備了一種超細(xì)微穿孔板(UMPP)構(gòu)筑輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。推導(dǎo)了UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲理論模型,結(jié)合有限元法和實(shí)驗(yàn)方法研究了其吸聲特性,并利用歸一化聲抗和聲阻探究了其吸聲機(jī)理。進(jìn)一步,提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略,大大提高了UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的中低頻吸聲性能。得到了如下主要結(jié)論:

(1)優(yōu)化前,單層、雙層和三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)在關(guān)心頻段均具有兩個(gè)吸聲波峰,且均在3400 Hz處產(chǎn)生吸聲波谷。單層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲峰值最高(吸聲系數(shù)達(dá)到0.8以上),但吸聲系數(shù)對(duì)頻率較為敏感;雙層與三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)吸聲峰值較低(吸聲系數(shù)低于0.8),且在吸聲峰值處曲線變化較為平緩。

(2)優(yōu)化后,UMPP吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲帶寬均得到大幅度提高,并且減小了結(jié)構(gòu)尺寸。三層UMPP吸聲結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了369～7000 Hz的寬頻吸聲(4.245個(gè)倍頻程),可有效吸收低頻到高頻的噪聲。與現(xiàn)有經(jīng)典吸聲結(jié)構(gòu)對(duì)比,證實(shí)了所提UMPP吸聲結(jié)構(gòu)可以在亞波長(zhǎng)尺度上實(shí)現(xiàn)寬頻高效吸聲。