Page 53 - 《应用声学》2019年第6期
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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。
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