宽频带微穿孔板吸声体及其性能预测方法、结构设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及环境噪声控制、室内声学装修的吸声领域，具体来说为一种宽频带高 性能微穿孔板吸声体及其性能预测与结构设计方法。
【背景技术】
[0002] 目前，典型的微穿孔板吸声体由表面单层的均布穿孔的微穿孔板与其对应的单个 板后背腔组成。不同于传统多孔材料和纤维类材料的吸声材料，它结构简单，结构体可由多 种材料，如金属、塑料、木板甚至玻璃等制作而成。优点包括长时间使用不碎肩化，表面能抗 冲击，防潮防水，能适应高速气流等，是一种环境友好型的新型吸声材料。但是该类吸声体 在应用中存在的一个突出问题是其相对传统多孔、纤维类吸声材料窄很多的有效吸声频带 范围。
[0003] 微穿孔板吸声体设计方法及其吸声性能理论是由中国学者[马大猷，"微穿孔板 吸声结构的理论和设计"，中国科学，卷1，38-50 (1975)]首创，并在其1990年发表的论文 "组合微穿孔板吸声结构"中进一步描述了一种由两层微穿孔板组成的"双共振串联"结构 吸声体，这种结构的吸声体能产生两个明显的吸声峰，一定程度上增加了吸声的有效带宽， 但多层"串联"结构要求背腔深度较大，会占用较多的室内空间。香港学者[ChunqiWang andLixiHuang,Ontheacousticpropertiesofparallelarrangementofmultiple micro-perforatedpanelabsorberswithdifferentcavitydepths'，，J.Acoust.Soc. Am，130 (1)，208-218 (2011)]采用有限元仿真和实验验证的方法，讨论了一种简化的"并联" 背腔结构的微穿孔板吸声体的吸声机理，包括三个深度不等的、平行排列的子背腔，但他们 的研究仅局限于该简化结构体的吸声机理分析，尚未涉及具有不等深度背腔的微穿孔板吸 声体完整结构的设计方法。
[0004]CN1311380A公开了一种特宽频带微穿孔板吸声体及其制造方法和设备，包括微 穿孔板、与微穿孔板构成一体的具有后腔深度D的盒形构件，盒形构件内设有支撑挡板格， 通过降低微穿板的穿孔板常数K来达到增加实际应用的吸声频带的目的，实现高频吸声性 能，但是其盒形构件的背腔深度恒定，无法形成不同频段的局部共振效应；CN102968985A 公开了一种复合多层机械阻抗板的薄型宽频吸声结构，包括吸声材料和支架，以及至少两 层的机械阻抗板，吸声材料可以是传统多孔材料和微穿孔板吸声结构，用于吸收高频噪声， 而低频噪声则由机械阻抗板的振动来耗散；CN102646414A公开了一种基于微穿孔和腔内 共振系统的组合吸声结构，包括微穿孔板、背腔和腔内共振系统，旨在调整腔内共振系统的 参数（平板质量、力阻、弹簧劲度系数）、微穿孔板的参数（孔径、板厚、穿孔率）和背腔深 度，以实现较宽频带的吸声；CN102332259A公开了一种自适应微穿孔板吸声器及其微孔实 时调节方法，包括压电薄膜微穿孔板、主动控制电路、自适应控制器和噪声探测器，能够根 据入射噪声实时调节压电薄膜微穿孔板上微孔孔径的大小，以有效扩展微穿孔板共振吸声 结构的吸声频带。
[0005] 微穿孔板吸声体的现有技术与设计，尚未发现有基于"并联"排列不等深度背腔设 计的宽频带微穿孔板吸声体的报道。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提出一种占用空间小的宽频带微穿孔板吸声体及其性能预测 方法、结构设计方法。
[0007] 本发明通过以下技术方案来实现：
[0008] 本发明所述的一种宽频带微穿孔板吸声体，包括：微穿孔板，在微穿孔板上设有深 度各不相同的子背腔，且所述子背腔立于微穿孔板上，与相邻微穿孔板的侧面相触及。
[0009] 本发明所述的一种宽频带微穿孔板吸声体的性能预测方法，所述性能由吸声系数 频谱α(ΘJ表征，其特征在于，所述吸声系数频谱α(ΘJ由公式1得到，
[0010]
[0011] 式中，Θe表示声波的入射角，Θe= 〇°表示正入射为有效声压，取值为IPa; An为振幅系数，η为整数且η=···，-2,-1，0,1，2，…；λ为声波波长，λ=c/f，单位m，C 为声音在空气中的传播速度，f表示声音的频率，单位Hz;T表示周期性背腔结构的周期宽 度
_ __Ν为一个周期内子背腔的数量，1^表示各个子背腔的宽度，单位：米。
[0012] 本发明所述的一种宽频带微穿孔板吸声体的性能预测方法，，其特征在于，所述振 幅系数总采用公式2得到：
[0013]
[0014] 兵甲：
[0015] γη为吸声体表面竖直方向的空间谐波的波数：
[0016]
[0017] j表示虚数单位，kQ=ω/c表示波数，ω= 2πf表示角频率，f表示声音的频率， 单位Hz;
[0018] F(x)是吸声体的等效表面导纳，且：
[0019]
Λ---00义.V
[0020] g为变量，G(x)为子背腔的表面导纳J
%微穿孔板的表面 相对声阻抗，ζ(1J为板后子背腔的相对声阻抗，1"表示微穿孔板板后各个子背腔的深度，m= 1，2. ..Ν，Ν表示一个周期的子背腔的数量。
[0021] 本发明所述的一种利用性能预测方法进行吸声体设计的结构设计方法，包括以下 步骤：
[0022] 步骤1取得拟被吸收的声频谱，进而取得所述吸声系数频谱中目标的有效吸声频 谱范围；
[0023] 步骤2选取微穿孔板及子背腔材料，设定微穿孔板表面声阻抗为空气声阻抗的 0. 5~1. 5倍，采用微穿孔板声阻抗计算方法，确定微穿孔板参数穿孔直径d、板厚t和穿孔 率σ的初值；
[0024] 步骤3设计该吸声体的一个周期内的子背腔的深度矩阵，深度矩阵由下式得出：
[0025] -m ......一,
[0026] 式中，ξ；表示背腔的深度矩阵，mod表示求余函数：
N表示一个周期的 子背腔的数量；
[0027] 步骤4用实际应用环境可能的最大垂直安装空间深度除以空腔深度矩阵I；中的 最大值，得到子背腔的单位深度的初值，并以"周期性背腔结构在一个周期内的总宽度不大 于中频段400Hz的1/4倍波长"的原则，确定吸声体一个周期的总宽度；
[0028] 步骤5基于吸声体的性能预测方法，验证并优化子背腔序列的单位深度，具体方 法为：以步骤4确定的单位深度为计算初值，采用性能预测方法，得到计算初值所对应的吸 声系数频谱α(ΘJ，从中预测出所对应的有效吸声频谱范围，如果所对应的有效吸声频谱 范围能够覆盖目标有效吸声频谱范围，则进入步骤7 ;否则，以"背腔深度越浅，有效吸声频 谱范围越向高频移动，反之，有效吸声频谱范围越向低频移动"为原则，调整单位深度大小， 进入步骤6 ;
[0029] 步骤6采用性能预测方法，得到调整后的单位深度所对应的吸声系数频谱 α(ΘJ，从中预测出所对应的有效吸声频谱范围，如果所对应的有效吸声频谱范围能够覆 盖目标有效吸声频谱范围，则进入步骤7 ;否则，以"背腔深度越浅，有效吸声频谱范围越向 高频移动，反之，有效吸声频谱范围越向低频移动"为原则，再调整单位深度大小，并重复步 骤6 ;
[0030] 步骤7从所对应的有效吸声频谱范围能够覆盖目标有效吸声频谱范围的吸声系 数频谱a(0J中，取得最大吸声系数，如果最大吸声系数大于0.9,则以产生最大吸声系 数大于〇. 9的吸声系数频谱α(ΘJ所对应的微穿孔板板厚t、孔径d、穿孔率。及周期性 背腔结构的吸声体总宽度、各个子背腔的深度为吸声体的最终结构参数；否则，则进入步骤 8 ；
[0031] 步骤8以"板厚越大，吸声系数越小，吸声频带越向低频移动；孔径越大，吸声频带 越向低频移动；穿孔率越大，吸声频带越向高频移动，吸声系数越小"为原则，调整微穿孔板 的板厚t，孔径d和穿孔率〇，采用性能预测方法再次试算吸声体的最新吸声系数频谱并 取得当前最大吸声系数，如果当前最大吸声系数大于〇. 9,则以产生当前最大吸声系数大于 〇. 9的吸声系数频谱α(ΘJ所对应的微穿孔板板厚t、孔径d、穿孔率。及周期性背腔结 构的吸声体总宽度、各个子背腔的深度为吸声体的最终结构参数；否则，重复步骤8。
[0032] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0033] 采用优化的吸声体参数组合，包括微穿孔板的穿孔直径d、板厚t、穿孔率〇，和板 后多个"并联"的背腔的深度、宽度和排列方式，得到了一种在400-3000ΗΖ最主要的公共活 动音频段，吸声系数不低于〇. 45,最大吸声系数不低于0. 9的宽频带微穿孔板吸声体。 [0034] 本发明所述吸声体的结构由单层的微穿孔板和板后多个采用"并联"方式平行排 列的深度互不相等的子背腔组成，各个子背腔的开口端与微穿孔板直接连接。这种结构 形式的微穿孔板吸声体解决了以下三点问题：（1)单层