Page 100 - 《应用声学》2024年第1期

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意图，中间是传统的穿孔管消声器，上面开有小孔，
0 引言 主要针对中高频段声波；四周是所设计的低频吸声
超构材料，上面也有开孔，主要针对低频声波。需要
随着人类社会的高速发展，噪声问题也日益成
说明的是：为便于观察内部结构，图 1(a) 的三维结
为人们所关注的问题。传统的声学材料主要是多孔
构示意图只保留了一个面的低频吸声超构材料，其
材料和微穿孔板，多孔材料对中高频段噪声有较好
他面同样也有，在此被隐藏了。
的控制效果。随着频率的降低，声波波长增大，需要
该消声器一端与进风口连接，另一端与出风口
更大体积的材料 [1−3] ，这也意味着更大的重量；而
连接，剖面示意图如图 1(b) 所示。声波通过进风口
微穿孔板作用频带较窄，且成本偏高。在这种情况
进入消声器后，在穿孔管吸收掉中高频声波，剩余低
下，声学超构材料为低频声波的控制提供了解决方
频声波通过穿孔管上的小孔离开穿孔管，到达低频
案。所谓声学超构材料，指的是具有超常声学性能
吸声超构材料，通过表面开孔进入其中，被低频吸声
的一类人工序构的复合材料 [4] ，通过对其特征物理
超构材料吸收。低频吸声超构材料与穿孔管消声器
尺度进行序构设计，以获得特定结构，进而具有特殊
阻抗匹配，达到设计频段的高效吸声。
性能，可以较小尺寸实现低频声波调控。
Ͱᮠծܦ
作为空气处理系统，新风系统可调节室内干湿 ᡔ౞ెந
度、净化空气，从而提高室内舒适程度。但其运行
ੱसᑿ
产生的噪声对人类正常生活影响较大，这些噪声往 ᤉ᮳԰ ѣ᮳԰
往频带较宽、能量较高。这种情况下，消声管道 (消
声器) 必不可少。目前常用的消声器多为阻性消声
器，且为减少压力损失，多采用直管形消声器，内部
ቈߘኮ
多用多孔材料填充，随着时间的推移，多孔材料风
(a) ਫ਼᝺ᝠᄊܭՌ๗ܦኮ᥋ʼ፥ፇ౞
化，对健康危害较大，因此需要使用纯固态消声器。
Nguyen 等 [5] 基于紧凑组装的单层亥姆霍兹共鸣器 ቈߘኮ Ͱᮠծܦᡔ౞ెந
提出了一种双层消声器，在保持通风的情况下进行
低频宽带隔声；Rajendran 等 [6] 研究了包含亥姆霍
兹阵列的薄板设计方法，可实现中低频吸声；Wang ੱ ੱ
ᤉ᮳԰ स स ѣ᮳԰
等 [7] 研究了具有多个侧支共鸣腔的一维管道声传 ᑿ ᑿ
播，拓宽了声衰减频带。
本文提出一种基于低频吸声超构材料的消声
器，将低频吸声超构材料与传统的穿孔管消声器相 (b) ਫ਼᝺ᝠᄊܭՌ๗ܦኮ᥋Җ᭧ᇨਓڏ (ӭᓬ)
结合，两者分别针对不同频段声波 (前者针对中低 ቈߘኮ
频段，后者针对高频段) 进行有效消声。整个结构阻 ੱ ੱ
抗由穿孔管阻抗和低频吸声超构材料阻抗复合而 ᤉ᮳԰ स स ѣ᮳԰
ᑿ
ᑿ
成，声波透过穿孔管进入吸声面板，空气阻抗与整个
(c) ቈߘኮ๗ܦ٨Җ᭧ᇨਓڏ (ӭᓬ)
结构阻抗相匹配，通过共振效应将声能转化为热能
图 1 所设计的复合消声器三维结构、剖面示意图和传
耗散掉。通过仿真和实验研究了该复合消声器的消
统的穿孔管消声器剖面示意图 (单节)
声性能，目标消声频段为400 ∼ 2000 Hz。
Fig. 1 Schematic diagram of the profiles of compos-
ite muffler designed and perforated tube muffler (one
1 复合消声器的基本设计
section)
本文所提出的复合消声器由低频吸声超构材
2 穿孔管消声器设计与性能研究
料和传统的穿孔管消声器两部分组成，为纯固态，不
含任何多孔吸声材料；呈管道结构，一节为一个单 整个复合消声器中间部分为传统的穿孔管消
元，多节可组装。图1为一个单元三维结构和剖面示 声器，包括穿孔管和扩张腔。穿孔管上开设有小孔