仅需材料流阻和面密度复合吸声结构吸声系数的获取方法

本发明涉及吸声材料，尤其涉及一种仅需材料流阻和面密度复合吸声结构吸声系数的获取方法。

背景技术：

1、多孔吸声材料(如微穿孔板、吸音棉等)广泛应用于建筑、铁路以及汽车等领域，以降低人们所处环境的噪声水平、改善舒适性。当前，多孔吸声材料主要分为两种，一种是薄片型多孔吸声材料、另一种是体积型多孔吸声材料。针对这两种多孔吸声材料的定义分别为：若声波波长远大于材料厚度，则该材料为薄片型多孔材料；反之，若声波波长远小于材料厚度，则该材料为体积型多孔吸声材料。市面上应用的体积型多孔吸声材料大多存在低频吸声效果不佳的问题，单独应用的体积型多孔吸声材料高频吸声效果较为良好，但低频吸声效果不佳。近年来，柔性薄片型多孔材料因为其环保性、经济性、装饰性引起了广泛关注。柔性薄片型多孔材料具有良好的吸声性能一方面是因为声源入射到材料表面时，材料表面存在大量不平整的矩形凹坑，导致声波在其表面发生了漫反射；另一方面是因为材料内部存在大量纤维交错留下的不规则微孔隙，使得声波入射到表面时很容易进入材料内部，从而激起材料内部孔隙中的空气振动，使得声能转化为热能逐渐耗散，从而达到吸声降噪的目的。但柔性薄片型多孔吸声材料因为其厚度太小不能单独使用，必须有空气层或者其他实物才可以展现较好的吸声性能。因此，柔性薄片型多孔吸声材料和体积型多孔吸声材料复合时能表现出较好的吸声性能。

2、但是，传统计算和优化薄片和体积型复合材料的声学理论模型，需要获得材料孔隙率、流阻率、扭曲度、粘性特征长度、热特征长度、杨氏模量、阻尼损耗因子、体密度九大参数，这些参数中有多个参数较难获取，并且完整测量这九大参数费用很高，给薄片型和体积型复合吸声材料的声学性能预测和优化带来了极大不便。

3、因此，亟需一种能够显著降低复合材料吸声性能预测与优化所需参数，且与传统方法有着相似的预测准确性的复合材料吸声性能的计算与优化方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，为实现对柔性薄片型多孔吸声材料和体积型多孔吸声材料复合的复合吸声结构的吸声性能进行预测和优化，显著降低复合材料吸声性能预测与优化所需参数，使其更具有实用价值，本发明提供了一种仅需材料流阻和面密度复合吸声结构吸声系数的获取方法，其中，柔性薄片型多孔吸声材料仅需测量比流阻值和面密度，体积型多孔吸声材料仅需测量比流阻值和厚度参数，针对目标吸声频段优化面密度和比流阻值，可达到该频段最优吸声效果，在吸声材料选取中，有效减少工作量。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

3、一种仅需材料流阻和面密度复合吸声结构吸声系数的获取方法，所述复合吸声结构由柔性薄片型多孔吸声材料和体积型材多孔吸声材料复合而成，包括如下步骤：

4、步骤a、获取柔性薄片型多孔吸声材料的比流阻值和面密度；

5、步骤b、获取体积型材多孔吸声材料的比流阻值和材料厚度，计算出体积型材多孔吸声材料的流阻率：

6、步骤c、构建柔性薄片型多孔吸声材料的传递矩阵和体积型材多孔吸声材料的传递矩阵：

7、步骤d、复合吸声结构的传递矩阵的建立与吸声系数的获取

8、根据声波入射方向，声波穿过材料的先后顺序，建立如下所示的关系式：

9、

10、

11、h12＝jzcsin(kcd)+rs1 cos(kcd)     (3)

12、

13、h22＝cos(kcd)                 (5)

14、上述式(1)-(5)中，h为步骤d中的复合吸声结构的传递矩阵，m为柔性薄片型多孔吸声材料的传递矩阵，p为体积型材多孔吸声材料的传递矩阵，rs1为步骤a中获取的柔性薄片型多孔吸声材料的比流阻值，kc为体积型多孔吸声材料的传播常数，zc为体积型多孔吸声材料的特征阻抗，d为步骤b中获取的体积型多孔吸声材料的厚度，j为虚数单位。

15、对式(1)进行求解，得到式(6)所示的复合结构表面声阻抗：

16、

17、式(6)中，zf为复合结构表面声阻抗；

18、根据式(7)和式(8)分别计算出复合吸声结构的反射系数和吸声系数：

19、

20、α＝1-|r|2                     (8)

21、式(7)中，r为复合吸声结构的反射系数，α为复合吸声结构的吸声系数，ρc为空气特征阻抗；

22、步骤e、优化复合吸声结构的吸声系数：

23、利用式(9)计算有效吸声面积最大时柔性薄片型多孔吸声材料的面密度和比流阻值：

24、

25、式(9)中，aα为有效吸声面积，f1目标频段下限频率值，f2为目标频段上限频率值，α(f)为吸声系数频率响应曲线，m2为有效吸声面积最大时，柔性薄片型多孔吸声材料的面密度；rs为有效吸声面积最大时，柔性薄片型多孔吸声材料的比流阻值，df为对频率的微分。

26、优选地，步骤b中，流阻率的计算如下：

27、σ＝rs2/d                   (10)；

28、式(10)中，σ为步骤b中的流阻率，rs2为步骤b中获取的体积型材多孔吸声材料的比流阻值。

29、优选地，柔性薄片型多孔吸声材料的传递矩阵的构建具体如下：

30、基于柔性薄片型多孔吸声材料孔的阻抗特征和柔性薄片型多孔吸声材料的传递阻抗构建柔性薄片型多孔吸声材料的传递矩阵；

31、其中，柔性薄片型多孔吸声材料孔的阻抗特征

32、式(11)中，η为动态粘滞系数，σ为流阻率，d是孔的直径，t1为材料厚度；

33、柔性薄片型多孔吸声材料的传递阻抗

34、式(12)中，j为虚数单位；

35、柔性薄片型多孔吸声材料的阻抗特征传递矩阵可表示为：

36、

37、优选地，基于多孔材料db等效模型，体积型多孔吸声材料的阻抗特征传递矩阵表示为：

38、

39、式(13)中，kc为体积型多孔吸声材料的传播常数，zc为体积型多孔吸声材料的特征阻抗，d为体积型多孔吸声材料的厚度，j为虚数单位。

40、优选地，柔性薄片型多孔吸声材料孔的传递阻抗的构建过程如下：

41、从阻抗的角度进行入手，当声压垂直入射时，会引起柔性薄片型多孔吸声材料的振动，柔性薄片型多孔吸声材料表面粒子振速发生改变，根据牛顿定律可知：

42、

43、式(14)，中δp为声压变化，m为柔性薄片型多孔吸声材料的面密度，u为柔性薄片型多孔吸声材料表面的质点振速，t2为时间，为质点振速对时间的偏微分，将式(14)变换到频域，可得到其振动阻抗：

44、zm＝jωm                     (15)

45、式(15)中，zm为振动阻抗，j为虚数单位，ω为角频率，m为面密度；

46、微穿孔板与柔性薄片型多孔吸声材料有着相似的结构，将微穿孔板的特征阻抗向柔性薄片型多孔吸声材料迁移，微穿孔板阻抗公式如下：

47、

48、式(16)中，zmpp为微穿孔板阻抗，t为微穿孔板厚度，为孔隙率，ρ为空气密度，c是声速，d是孔的直径，ω为角频率，β为孔隙常数，η为动态粘滞系数；

49、在低频下，省略式(16)中的虚部，柔性薄片型多孔吸声材料的阻抗特征公式由式(16)简化：

50、

51、式(17)中，zrs为柔性薄片型多孔吸声材料的阻抗特征；

52、柔性薄片型多孔吸声材料的传递阻抗的构建过程如下：

53、将式(15)与式(17)结合，即可得到柔性薄片型多孔吸声材料的传递阻抗：

54、

55、优选地，kc和zc的计算公式具体如下：

56、

57、

58、ω＝2πf                        (21)

59、式(19)、(20)、(21)中，ρ0、c0、f、σ、ω分别为空气密度、空气中声速、声波频率、体积型材多孔吸声材料的流阻率、角频率。

60、本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：

61、1)本发明所提出的柔性薄片型多孔材料和体积型多孔材料，前者仅需测量比流阻和面密度，后者仅需比流阻和厚度这些参数，提高了计算效率。

62、2)本发明所需测量的面密度与比流阻值可在后续复合结构吸声性能优化中继续使用，针对目标吸声频段优化面密度和比流阻值，可达到该频段最优吸声效果，在吸声材料选取中，有效减少工作量。