微穿孔板吸聲體聲學(xué)性能的仿真研究

微穿孔板吸聲體聲學(xué)性能的仿真研究微穿孔板吸聲體聲學(xué)性能的仿真研究孫文娟1,2孔德義1尤暉1段秀華1,2劉英1,2錢玉潔1,2趙湛31中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所,傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230031;2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系,安徽合肥2300263中國科學(xué)院電子學(xué)研究所,傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100080摘要:介紹微穿孔板吸聲體的基本理論,通過MATLAB仿真深入分析了微穿孔板吸聲體各參數(shù)對(duì)其吸聲性能的影響特性,設(shè)計(jì)了基于LABVIEW、MATLAB的微穿孔板吸聲體聲學(xué)仿真設(shè)計(jì)平臺(tái),通過LABVIEW調(diào)用MATLABScript節(jié)點(diǎn)可以方便、直觀的根據(jù)具體工程應(yīng)用背景要求設(shè)計(jì)所需要的微穿孔板吸聲體結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了LABVIEW、MATLAB的完美結(jié)合。實(shí)驗(yàn)證明該仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)使用方便、計(jì)算準(zhǔn)確。關(guān)鍵詞:微穿孔板;仿真;吸聲特性中圖分類號(hào):TB5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ASimulationontheAcousticsPerformanceofMicro-PerforatedPanelAbsorberSUNWen-juan1,2,KONGDe-yi1,YOUHui1,DUANXiu-hua1,2,LIUYing1,2,QIANYu-jie1,2,ZHAOZhan31.StateKeyLaboratoryofTransducerTechnology,HefeiInstituteofIntelligentMachines,ChineseAcademyofSciences,Hefei,230031,PRChina;2.UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China3.StateKeyLaboratoryofTransducerTechnology,InstituteofElectronics,ChineseAcademyofScience,Beijing,100080,ChinaAbstract:ThebasictheoryofMicro-perforatedpanelabsorberisintroducedinthispaper.EffectofsoundabsorptioncharacteristicsofparametersontheMicro-perforatedpanelabsorberisanalyzeddeeplythroughtheMATLABsimulation.Andasimulationdesignsystemofmicro-perforatedpanelabsorberisdevelopedbasedonMATLABandLABVIEWcode,whichcandesignthemicro-perforatedpanelabsorberstructureaccordingtotherequirementsofthespecificengineerapplicationbackgroundconveniently.Thepracticalapplicationshowsthatthesimulationdesignsystemisconvenienttouseandcalculateaccurately.Keywords:micro-perforatedpanel;simulation;absorptioncharacteristics微穿孔板吸聲體是由穿孔直徑在1毫米以下的薄板和板后空腔組成的共振吸聲結(jié)構(gòu),是下一代最吸引人的新型吸聲材料[1],最早是由馬大猷教授提出的[2-3]。隨后,國內(nèi)外眾多學(xué)者也紛紛展開對(duì)微穿孔板的研究[4-7]。由于不需另加對(duì)環(huán)境存在污染的纖維材料等多孔性吸聲材料便可獲得良好的吸聲效果,是一種環(huán)境友好型吸聲結(jié)構(gòu),而且微穿孔板可用各種材料制成,在提倡環(huán)保的今天微穿孔板吸聲體在各個(gè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。[收稿日期:2011-11-29基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目計(jì)劃(973計(jì)劃)(2011CB302104).作者簡介:孫文娟1986-,女,碩士研究生,主要研究方向:噪聲與振動(dòng)控制,sunwenj@//0>.]1微穿孔板吸聲體的基本理論馬大猷教授利用Rayleigh對(duì)微管中聲波分析的嚴(yán)格理論以及Crandall的簡化推導(dǎo),采用聲電類比的方法得到適合微穿孔板的基本理論如下。微穿孔板吸聲體的結(jié)構(gòu)及等效電路如圖1所示。圖1.微穿孔板吸聲體的結(jié)構(gòu)及等效電路圖中,P是垂直入射的聲壓,R和M分別為微穿孔板的聲阻和聲抗,為空氣的特性阻抗(是空氣的密度,c為聲波在空氣中傳播的速度),d為穿孔直徑,b為孔間距,t為穿孔板的厚度,微穿孔板吸聲體為共振吸聲結(jié)構(gòu),ZD為板后空腔的聲阻抗率,按一般計(jì)算,(1)當(dāng)平面聲波垂直入射時(shí),微穿孔板吸聲體的吸聲系數(shù)(被吸收的聲功率與入射聲功率的比值)為:(2)這里,D為空腔的深度(微穿孔板與后壁的距離),微穿孔板吸聲體的聲阻抗率(單位面積的聲阻抗):(3)相對(duì)聲阻抗(用空氣中的特性阻抗進(jìn)行歸一化)為:(4)其中,r(相對(duì)聲阻)和m(相對(duì)聲質(zhì)量)分別為:(5)(6)和為相對(duì)聲阻常數(shù)和聲質(zhì)量常數(shù),為空氣的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)(m2/s),p是穿孔率(穿孔部分的面積與總面積的比值),為設(shè)計(jì)簡便,采用圓孔正方形排列時(shí),穿孔率p:(7)k為穿孔常數(shù):(8)微穿孔板吸聲體在共振時(shí)吸聲系數(shù)達(dá)到最大值,此時(shí),最大吸聲系數(shù)為:(9)吸聲系數(shù)達(dá)到最大的頻率即共振頻率滿足:(10)半吸收頻帶寬度為:(11)2微穿孔板吸聲體的聲學(xué)性能研究微穿孔板吸聲體的吸聲性能由多個(gè)參數(shù)共同決定,為了對(duì)其特性進(jìn)行分析,根據(jù)微穿孔板吸聲體的基本理論,取一些典型的參數(shù)值采用MATLAB通過數(shù)值仿真對(duì)其吸聲特性進(jìn)行研究。在保持其他參數(shù)不變而只改變其中一個(gè)參數(shù)的情況下,得到穿孔直徑d、板厚t、穿孔率p和空腔厚度D對(duì)微穿孔板吸聲體吸聲性能的影響曲線如圖2-9?？装逦曮w吸聲系數(shù)的影響圖4.穿孔直徑對(duì)帶寬的影響圖5.改變板厚對(duì)微穿孔板吸聲體吸聲系數(shù)的影響圖6.板厚對(duì)的影響圖7.改變穿孔率對(duì)微穿孔板吸聲體吸聲系數(shù)的影響圖8.穿孔率對(duì)的影響圖9.改變空腔厚度對(duì)微穿孔板吸聲系數(shù)的影響1.從圖2-4中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)穿孔直徑變小時(shí),最大吸聲系數(shù)變小,吸收頻帶加寬;穿孔直徑變大時(shí),吸收頻帶變窄?？讖街底兓瘯r(shí)存在一個(gè)特定值,使得共振吸聲系數(shù)出現(xiàn)最大值。當(dāng)穿孔直徑小于0.1mm時(shí),吸收帶寬迅速增加,由此可以看出單層微穿孔板在吸收帶寬方面的潛力是非常大的。2.圖5-6揭示出當(dāng)板厚增大時(shí),共振頻率向低頻方向移動(dòng),其值變化時(shí)存在一個(gè)特定值,使得共振吸聲系數(shù)出現(xiàn)最大值,板厚并非越小越好,其余參數(shù)確定時(shí)可以找到一個(gè)最優(yōu)的板厚值。3.從圖7-8中可以看出,隨著穿孔率的增加,微穿孔板的吸聲系數(shù)迅速下降,并且吸聲系數(shù)峰值向高頻移動(dòng),而帶寬明顯增加。穿孔率的變化存在一個(gè)特定值,使得共振吸聲系數(shù)出現(xiàn)最大值。4.從圖9可看出,空腔厚度的改變對(duì)最大吸聲系數(shù)影響不大,主要是影響吸聲帶寬和共振頻率?？涨缓穸葴p小,低頻的吸聲性能下降,而高頻的吸聲系數(shù)有所上升;共振頻率向高頻方向移動(dòng)。而空腔的厚度受到空間的限制又不能無限增加,因而在微穿孔板吸聲體中,合適的空腔厚度顯得很重要。總之,孔徑、板厚、穿孔率、空腔厚度等參數(shù)對(duì)微穿孔吸聲體的吸聲性能影響很大。研究分析過程中發(fā)現(xiàn),孔徑盡可能小為好;選用較厚的板也可以提高吸聲系數(shù);宜選用較小的穿孔率,而且不宜超過4%;在條件容許的情況下,空腔厚度易盡可能大,對(duì)提高低頻吸聲系數(shù)有利;這些參數(shù)的選擇要根據(jù)實(shí)際情況,綜合考慮各種因素而決定。3.微穿孔板吸聲體聲學(xué)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)在對(duì)微穿孔板吸聲體聲學(xué)性能深入研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于LABVIEW、MATLAB的微穿孔板吸聲體聲學(xué)仿真設(shè)計(jì)平臺(tái),在混合編程中,利用LABVIEW設(shè)計(jì)用戶圖形界面,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入和顯示,MATLAB在后臺(tái)提供優(yōu)化算法供LabVIEW調(diào)用。本設(shè)計(jì)平臺(tái)提供兩種設(shè)計(jì)方式,可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行選擇。兩種設(shè)計(jì)方式的思路及步驟如下。3.1已知結(jié)構(gòu)參數(shù),計(jì)算微穿孔板特性輸入已知的微穿孔板吸聲體的結(jié)構(gòu)參數(shù)d、t、b和D,并輸入所計(jì)算的頻程范圍,按計(jì)算按鈕,即可快速計(jì)算最大吸聲系數(shù)、共振頻率等吸聲特性如圖10所示,按曲線圖按鈕可得到吸聲特性曲線圖,吸聲系數(shù)、相對(duì)聲阻r和相對(duì)聲質(zhì)量m相對(duì)于不同頻率的變化曲線圖,如圖11。按返回即可返回到選擇界面重新進(jìn)行計(jì)算方式的選擇。圖10.方式1計(jì)算示意圖圖11.LABVIEW調(diào)用MATLABScript節(jié)點(diǎn)顯示曲線3.2已知微穿孔吸聲特性,計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)這種設(shè)計(jì)方式比較復(fù)雜,詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟如下。1.根據(jù)具體工程應(yīng)用背景的頻帶范圍,確定合適的共振頻率和最大吸聲系數(shù);2.選取合適的k值;研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)k<1時(shí),要保證頻帶的寬度要求很厚的空腔;k>2時(shí),所需空腔厚度減小了許多,但此時(shí)頻帶寬度降低。既要保證吸收頻帶又要有較薄的空腔厚度,k可在1.0-1.6之間取值。3.由8式,可以求得;4.由9式可得,由10式可得,5.由5式、6式聯(lián)立,通過擬牛頓迭代法可以求得板厚t和穿孔率p。至此,微穿孔板吸聲體的結(jié)構(gòu)參數(shù)已全部求出。計(jì)算示意圖如圖12所示。圖12.方式2計(jì)算示意圖3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)于第一種設(shè)計(jì)方式,運(yùn)用駐波管采用駐波比法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,獲得了比較滿意的結(jié)果。測試結(jié)果與聲學(xué)仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)計(jì)算值的對(duì)比如圖13所示。圖13.本設(shè)計(jì)平臺(tái)仿真與駐波管實(shí)驗(yàn)測試對(duì)比對(duì)于第二種設(shè)計(jì)方式,選用文獻(xiàn)[7]中的工程應(yīng)用背景,對(duì)某風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行實(shí)例設(shè)計(jì)。共振頻率定為392Hz,共振處最大吸聲系數(shù)定為0.95。應(yīng)用聲學(xué)仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1中,與文獻(xiàn)[7]中的設(shè)計(jì)方法所得的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果比較理想。表1計(jì)算所得微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)名稱 孔徑dmm 板厚tmm 穿孔率(%)4結(jié)論在針對(duì)不同的具體工程應(yīng)用背景要求設(shè)計(jì)所需要的微穿孔板吸聲體結(jié)構(gòu)時(shí),要綜合考慮各個(gè)參數(shù)對(duì)其吸聲特性的影響,以期滿足實(shí)際需求。本文所設(shè)計(jì)的微穿孔板吸聲體聲學(xué)仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)使用方便直觀,計(jì)算準(zhǔn)確,滿足實(shí)際工程設(shè)計(jì)的需求。參考文獻(xiàn):[1]JorgeP.Arenas,Malcolm//.entTrendsinPorousSound-AbsorbingMaterials[J].sound&vibration,2010,6:12-16.[2]馬大猷.微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的理論和設(shè)計(jì)[J].中國科學(xué),1975,1:38-50.[3]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),1998,23:21-29.[4]劉克,田