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。

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                                                                     h 
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                                    (a) ο᜽ڏ               (b) ˟᜽ڏ                 (c) ᤩ᜽ڏ

                                                  图 1  SHR 结构单元示意图
                                         Fig. 1 Schematic diagram of SHR structural unit
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