寬頻帶微穿孔板吸聲體及其性能預測方法、結構設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及環境噪聲控制、室內聲學裝修的吸聲領域，具體來說為一種寬頻帶高 性能微穿孔板吸聲體及其性能預測與結構設計方法。
【背景技術】
[0002] 目前，典型的微穿孔板吸聲體由表面單層的均布穿孔的微穿孔板與其對應的單個 板后背腔組成。不同于傳統多孔材料和纖維類材料的吸聲材料，它結構簡單，結構體可由多 種材料，如金屬、塑料、木板甚至玻璃等制作而成。優點包括長時間使用不碎肩化，表面能抗 沖擊，防潮防水，能適應高速氣流等，是一種環境友好型的新型吸聲材料。但是該類吸聲體 在應用中存在的一個突出問題是其相對傳統多孔、纖維類吸聲材料窄很多的有效吸聲頻帶 范圍。
[0003] 微穿孔板吸聲體設計方法及其吸聲性能理論是由中國學者[馬大猷，"微穿孔板 吸聲結構的理論和設計"，中國科學，卷1，38-50 (1975)]首創，并在其1990年發表的論文 "組合微穿孔板吸聲結構"中進一步描述了一種由兩層微穿孔板組成的"雙共振串聯"結構 吸聲體，這種結構的吸聲體能產生兩個明顯的吸聲峰，一定程度上增加了吸聲的有效帶寬， 但多層"串聯"結構要求背腔深度較大，會占用較多的室內空間。香港學者[ChunqiWang andLixiHuang,Ontheacousticpropertiesofparallelarrangementofmultiple micro-perforatedpanelabsorberswithdifferentcavitydepths'，，J.Acoust.Soc. Am，130 (1)，208-218 (2011)]采用有限元仿真和實驗驗證的方法，討論了一種簡化的"并聯" 背腔結構的微穿孔板吸聲體的吸聲機理，包括三個深度不等的、平行排列的子背腔，但他們 的研究僅局限于該簡化結構體的吸聲機理分析，尚未涉及具有不等深度背腔的微穿孔板吸 聲體完整結構的設計方法。
[0004]CN1311380A公開了一種特寬頻帶微穿孔板吸聲體及其制造方法和設備，包括微 穿孔板、與微穿孔板構成一體的具有后腔深度D的盒形構件，盒形構件內設有支撐擋板格， 通過降低微穿板的穿孔板常數K來達到增加實際應用的吸聲頻帶的目的，實現高頻吸聲性 能，但是其盒形構件的背腔深度恒定，無法形成不同頻段的局部共振效應；CN102968985A 公開了一種復合多層機械阻抗板的薄型寬頻吸聲結構，包括吸聲材料和支架，以及至少兩 層的機械阻抗板，吸聲材料可以是傳統多孔材料和微穿孔板吸聲結構，用于吸收高頻噪聲， 而低頻噪聲則由機械阻抗板的振動來耗散；CN102646414A公開了一種基于微穿孔和腔內 共振系統的組合吸聲結構，包括微穿孔板、背腔和腔內共振系統，旨在調整腔內共振系統的 參數（平板質量、力阻、彈簧勁度系數）、微穿孔板的參數（孔徑、板厚、穿孔率）和背腔深 度，以實現較寬頻帶的吸聲；CN102332259A公開了一種自適應微穿孔板吸聲器及其微孔實 時調節方法，包括壓電薄膜微穿孔板、主動控制電路、自適應控制器和噪聲探測器，能夠根 據入射噪聲實時調節壓電薄膜微穿孔板上微孔孔徑的大小，以有效擴展微穿孔板共振吸聲 結構的吸聲頻帶。
[0005] 微穿孔板吸聲體的現有技術與設計，尚未發現有基于"并聯"排列不等深度背腔設 計的寬頻帶微穿孔板吸聲體的報道。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提出一種占用空間小的寬頻帶微穿孔板吸聲體及其性能預測 方法、結構設計方法。
[0007] 本發明通過以下技術方案來實現：
[0008] 本發明所述的一種寬頻帶微穿孔板吸聲體，包括：微穿孔板，在微穿孔板上設有深 度各不相同的子背腔，且所述子背腔立于微穿孔板上，與相鄰微穿孔板的側面相觸及。
[0009] 本發明所述的一種寬頻帶微穿孔板吸聲體的性能預測方法，所述性能由吸聲系數 頻譜α(ΘJ表征，其特征在于，所述吸聲系數頻譜α(ΘJ由公式1得到，
[0010]
[0011] 式中，Θe表示聲波的入射角，Θe= 〇°表示正入射為有效聲壓，取值為IPa; An為振幅系數，η為整數且η=···，-2,-1，0,1，2，…；λ為聲波波長，λ=c/f，單位m，C 為聲音在空氣中的傳播速度，f表示聲音的頻率，單位Hz;T表示周期性背腔結構的周期寬 度
_ __Ν為一個周期內子背腔的數量，1^表示各個子背腔的寬度，單位：米。
[0012] 本發明所述的一種寬頻帶微穿孔板吸聲體的性能預測方法，，其特征在于，所述振 幅系數總采用公式2得到：
[0013]
[0014] 兵甲：
[0015] γη為吸聲體表面豎直方向的空間諧波的波數：
[0016]
[0017] j表示虛數單位，kQ=ω/c表示波數，ω= 2πf表示角頻率，f表示聲音的頻率， 單位Hz;
[0018] F(x)是吸聲體的等效表面導納，且：
[0019]
Λ---00義.V
[0020] g為變量，G(x)為子背腔的表面導納J
%微穿孔板的表面 相對聲阻抗，ζ(1J為板后子背腔的相對聲阻抗，1"表示微穿孔板板后各個子背腔的深度，m= 1，2. ..Ν，Ν表示一個周期的子背腔的數量。
[0021] 本發明所述的一種利用性能預測方法進行吸聲體設計的結構設計方法，包括以下 步驟：
[0022] 步驟1取得擬被吸收的聲頻譜，進而取得所述吸聲系數頻譜中目標的有效吸聲頻 譜范圍；
[0023] 步驟2選取微穿孔板及子背腔材料，設定微穿孔板表面聲阻抗為空氣聲阻抗的 0. 5~1. 5倍，采用微穿孔板聲阻抗計算方法，確定微穿孔板參數穿孔直徑d、板厚t和穿孔 率σ的初值；
[0024] 步驟3設計該吸聲體的一個周期內的子背腔的深度矩陣，深度矩陣由下式得出：
[0025] -m ......一,
[0026] 式中，ξ；表示背腔的深度矩陣，mod表示求余函數：
N表示一個周期的 子背腔的數量；
[0027] 步驟4用實際應用環境可能的最大垂直安裝空間深度除以空腔深度矩陣I；中的 最大值，得到子背腔的單位深度的初值，并以"周期性背腔結構在一個周期內的總寬度不大 于中頻段400Hz的1/4倍波長"的原則，確定吸聲體一個周期的總寬度；
[0028] 步驟5基于吸聲體的性能預測方法，驗證并優化子背腔序列的單位深度，具體方 法為：以步驟4確定的單位深度為計算初值，采用性能預測方法，得到計算初值所對應的吸 聲系數頻譜α(ΘJ，從中預測出所對應的有效吸聲頻譜范圍，如果所對應的有效吸聲頻譜 范圍能夠覆蓋目標有效吸聲頻譜范圍，則進入步驟7 ;否則，以"背腔深度越淺，有效吸聲頻 譜范圍越向高頻移動，反之，有效吸聲頻譜范圍越向低頻移動"為原則，調整單位深度大小， 進入步驟6 ;
[0029] 步驟6采用性能預測方法，得到調整后的單位深度所對應的吸聲系數頻譜 α(ΘJ，從中預測出所對應的有效吸聲頻譜范圍，如果所對應的有效吸聲頻譜范圍能夠覆 蓋目標有效吸聲頻譜范圍，則進入步驟7 ;否則，以"背腔深度越淺，有效吸聲頻譜范圍越向 高頻移動，反之，有效吸聲頻譜范圍越向低頻移動"為原則，再調整單位深度大小，并重復步 驟6 ;
[0030] 步驟7從所對應的有效吸聲頻譜范圍能夠覆蓋目標有效吸聲頻譜范圍的吸聲系 數頻譜a(0J中，取得最大吸聲系數，如果最大吸聲系數大于0.9,則以產生最大吸聲系 數大于〇. 9的吸聲系數頻譜α(ΘJ所對應的微穿孔板板厚t、孔徑d、穿孔率。及周期性 背腔結構的吸聲體總寬度、各個子背腔的深度為吸聲體的最終結構參數；否則，則進入步驟 8 ；
[0031] 步驟8以"板厚越大，吸聲系數越小，吸聲頻帶越向低頻移動；孔徑越大，吸聲頻帶 越向低頻移動；穿孔率越大，吸聲頻帶越向高頻移動，吸聲系數越小"為原則，調整微穿孔板 的板厚t，孔徑d和穿孔率〇，采用性能預測方法再次試算吸聲體的最新吸聲系數頻譜并 取得當前最大吸聲系數，如果當前最大吸聲系數大于〇. 9,則以產生當前最大吸聲系數大于 〇. 9的吸聲系數頻譜α(ΘJ所對應的微穿孔板板厚t、孔徑d、穿孔率。及周期性背腔結 構的吸聲體總寬度、各個子背腔的深度為吸聲體的最終結構參數；否則，重復步驟8。
[0032] 與現有技術相比，本發明的有益效果如下：
[0033] 采用優化的吸聲體參數組合，包括微穿孔板的穿孔直徑d、板厚t、穿孔率〇，和板 后多個"并聯"的背腔的深度、寬度和排列方式，得到了一種在400-3000ΗΖ最主要的公共活 動音頻段，吸聲系數不低于〇. 45,最大吸聲系數不低于0. 9的寬頻帶微穿孔板吸聲體。 [0034] 本發明所述吸聲體的結構由單層的微穿孔板和板后多個采用"并聯"方式平行排 列的深度互不相等的子背腔組成，各個子背腔的開口端與微穿孔板直接連接。這種結構 形式的微穿孔板吸聲體解決了以下三點問題：（1)單層