Page 53 - 《应用声学》2019年第6期
P. 53
第 38 卷 第 6 期 李晨曦等: 穿纤维微穿孔板吸声系数的有限元仿真 955
(Finite element analysis, FEA) 成为对非典型微穿
0 引言
孔结构进行研究的新方法之一。Bolton 等 [11] 用计
随着科技的发展,日常生活中的噪声污染也日 算流体力学 (Computational fluid dynamics, CFD)
益严重。因此,人们对降噪吸声产品的需求也日益 算法研究了典型微穿孔板的末端修正。Carbajo
增高。常用的吸声材料多是多孔性纤维或泡沫材 等 [12] 则证明了含有黏滞效应的 FEA 算法可以用
料,如玻璃棉、人造纤维、开孔泡沫材料等。这些材 来对微穿孔板进行声学仿真。
料主要通过气流流经孔隙时的黏滞效应和内摩擦 本文用有限元算法建立了典型微穿孔板和穿
效应等将声能转化为其他类型的能量,以此达到吸 入不同数量金属纤维的微穿孔板模型,研究了两种
声的作用。这类产品吸声频带宽、价格便宜,广泛地 微穿孔板的吸声系数、声阻抗和微孔内法向质点速
应用于汽车制造业、厅堂声学设计等方面。但多孔 度的空间分布,并进行了试验验证。用微孔体积减
性材料容易产生粉尘污染,这限制了多孔性材料在 去穿入纤维体积求得的等效孔径和等效穿孔率代
医院、食品加工厂、微电子产业等方面的应用 [1] 。而 入经典微穿孔板理论求得了穿入纤维的微穿孔板
马大猷院士 [2] 提出的微穿孔板吸声结构可以弥补 吸声系数理论值,发现理论值与试验结果有较大差
多孔材料在这方面的缺陷。 异。这证明由于穿入纤维的结构较为复杂,穿入纤
经典的微穿孔板吸声结构的薄板表面分布着 维引起的黏滞声学效应也较为复杂,有必要使用有
微小穿孔,孔径常在 1 mm 左右。由于黏滞效应,这 限元模型对穿入纤维的微穿孔板进行仿真。有限元
样的微孔可以提供足够高的声阻,从而提供有效的 仿真和试验数据表明,穿入金属纤维可以拓宽微穿
吸声效果 [3] 。但与传统的纤维或泡沫材料相比,微 孔板的吸声频带,但吸声系数也随之下降。本文第1
穿孔板的吸声频带较窄,因此,如何拓宽微穿孔板 节详细描述了两种有限元模型的建模方法,并用典
的吸声频带成为了微穿孔板相关研究的热点之一。 型微穿孔板吸声系数的试验结果、理论解和仿真结
国内外研究人员曾尝试用各种方法拓宽微穿孔板 果进行对比,验证了有限元模型的有效性;第2节是
的吸声频带,如将微穿孔板的后空腔改为非常规形 试验样品的制备与吸声系数的测量;第 3 节先用穿
态 [4−5] 或用赫姆赫兹共振器代替 [6] ,将微孔的形态 入纤维前后微穿孔板的吸声系数试验结果和仿真
改为圆锥形 [7] 等,这些非典型的微穿孔板结构均有 结果的对比验证了穿入纤维的微穿孔板有限元模
良好的吸声效果。然而,文献 [4-6] 中改变后空腔并 型的有效性,然后用声阻抗和微孔内法向质点速度
不是改变微穿孔板结构本身,也常常受到实际安装 的空间分布分析了穿入纤维对微穿孔板声学性能
环境的限制。将微孔改为圆锥形则增加了微穿孔板 的影响。研究结果表明,考虑黏滞效应的有限元模
的加工难度和加工成本。Chin 等 [8] 用 kenaf fiber 型可以有效模拟穿入纤维前后微穿孔板的声学特
and polylactic acid制成了复合材料微穿孔板,但其 性,有限元仿真方法适用于结构相对复杂的微穿孔
加工方法仍是传统的混合、打孔、热处理等,因此未 结构的声学建模,能直观地体现微孔复杂结构的影
能降低微穿孔板的加工难度和成本。 响,值得继续深入研究和工程应用。
马大猷院士 [2] 提出的微穿孔板吸声结构经典
理论可以用来准确模拟典型微穿孔板的声学特性, 1 穿纤维微穿孔板的有限元法建模
也可以用来针对特定频率设计微穿孔板。然而,对
于非典型的微穿孔板结构,需要新的理论模型或其 1.1 穿 纤 维 微 穿 孔 板 及 经 典 微 穿 孔 板 的 有 限
他仿真方法。Herdtle 等 [7] 提出了圆锥孔微穿孔板 元模型
的理论模型。Li等 [9] 提出了考虑薄膜振动边界条件 为研究穿纤维微穿孔板的有限元建模,本文对
对微穿孔薄膜声阻抗影响的理论,但未涉及微穿孔 典型的微穿孔板进行有限元仿真,并研究了穿入纤
板的结构。Temiz 等 [10] 研究了非均匀分布的微穿 维后该微穿孔板的有限元模型。微穿孔板及穿入纤
孔在考虑板振动情况下的声阻抗,然而也未涉及微 维的材料、结构参数如表1所示。穿入纤维的根数从
穿孔板的结构。然而对于更复杂的非典型微穿孔结 0 根 (空白对照组,即经典的无纤维微穿孔板结构)、
构,理论模型的建立更加困难。因此,有限元分析 3根、7根增加到11根。