Page 61 - 《应用声学》2024年第6期
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第 43 卷 第 6 期 张俊超等： 复合材料级联结构宽频吸声性能研究 1237
本文针对低频噪声设计了螺旋形亥姆霍兹共
0 引言
振腔(Spiral Helmholtz resonance, SHR)，采用螺旋
的形式提升插入管的有效传播路径长度，从而使
噪声污染无处不在。其中，工业噪声严重影响
共振腔谐振频率向低频偏移，调节螺旋的长度和孔
着居民区的居民正常生活，危害着人们的生活环境。
的内径可以对频率进行调谐，最后通过 9 个共振腔
噪声包含的高频噪声波长较短，易衰减，但低频噪声
阵列组合建立了 SHRs，并通过 COMSOL 仿真和阻
穿透力强，很难进行降噪处理。针对中高频噪声的
抗管测试证明了结构在低频区域具有良好的吸声
吸收，研究学者提出了亥姆霍兹共振腔 (Helmholtz
效果。在此基础上复合多孔材料，使得整体结构在
resonator, HR)、1/4波谐振器、微穿孔板、弹性膜结
100∼10000 Hz频带内的平均吸声系数达到0.97。
构等吸声结构，主要通过在谐振频率处的强黏性和
热耗散实现噪声的耗散 [1−3] 。对于多层微穿孔板型
1 吸声原理分析
吸声结构，Ruiz等 [4−6] 利用多级微穿孔板与空腔之
间的串联耦合实现宽频吸声。对于薄膜型声学超材 基于亥姆霍兹共振吸声原理，声波通过吸声孔
料，Mei 等 [7] 通过膜结构与空腔之间的声振耦合原 进入空腔，当入射空气与结构声阻抗相匹配时，产生
理实现共振频率附近的高效吸声。Yang 等 [8] 根据 共振效应，声波在空腔内振荡，与内壁摩擦产生黏热
1/4 波长原理，设计了不等高波长管阵列结构，在 效应，声能转变为热能耗散掉。当入射声波达到共
不同的频带内实现了声波的完美吸收。对于 HR 结 振频率时，空腔内部声压的变化会引起空气柱的上
构，Stinson 等 [9−11] 对声波在不同谐振腔中损耗影 下振荡，大部分声能会被小孔处的黏性边界层所消
响因素进行系统的分析，通过对多个不同结构类型 耗。因此，入射到结构表面的声能会很大程度上被
的共鸣腔耦合调控，最终实现了宽频带的高效吸声。 结构所吸收 [15−18] ，通过共鸣腔阵列结构耦合设计，
Bi等 [12] 通过空间划分和腔室分组来增强插入管型 不同的腔体用于对应频率的吸收，腔体与腔体间相
亥姆霍兹共鸣腔的吸声性能，在 400∼800 Hz 频带 互耦合可以实现宽频吸声效果。
内平均吸声系数达到了0.8，结构厚度为40 mm。Qu 传统的亥姆霍兹腔体结构对于中频段的噪声
等 [13] 提出了一种带有延长颈的耦合亥姆霍兹谐振 具有优异的吸收效果，但对于低频噪声的吸声效果
器，可有效吸收低振幅和高振幅的宽带声波，设计并 较差，因此需要增大谐振腔体的容积或者增加插入
制造了具有多个耦合谐振器的宽带声学超表面，在 管等方式来调节结构对低频噪声的吸收能力。增大
700∼1100 Hz 频带内 140 dB 条件下平均吸收系数 腔体会很大程度增加结构的占用空间，使得材料失
大于 0.91 (a > 0.97 at 100 dB)。Zhang 等 [14] 提出 去亚波长尺度的优势，因此通过调节插入管深入腔
了一种具有粗糙嵌入颈部的六边形蜂窝夹层板作 体的长度可以调节谐振腔整体的共振频率。插入管
为宽带低频吸声的新结构，通过调整颈部的相对粗 在有限空间长度时最多只能到达腔体底部，采用螺
糙度来增强颈部的能量耗散，使得结构的吸声峰值 旋式插入管可以有效提升插入管的长度，从而提升
增加并且峰值频率向低频移动。 低频的吸声效果。SHR结构单元如图1所示。
w
h
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r
R
(a) οڏ (b) ˟ڏ (c) ᤩڏ
图 1 SHR 结构单元示意图
Fig. 1 Schematic diagram of SHR structural unit
