Page 25 - 《应用声学》2025年第2期

第 44 卷 第 2 期 杨震等： 声学超构表面低频宽带声衬设计及验证 285

Keywords: Acoustic metasurface; Broadband noise reduction; Single-stage fan compressor; Experimental
verification
但是超构表面吸声降噪结构的研究多适用于
0 引言
正入射情况，在低频、宽频降噪吸声方面取得了较好

声学超构表面是一种由人工微单元构成的超 效果。然而在管道消声等实际情况中，声波通常是
薄平面结构 [1−4] ，其具备的平面、超薄等独特物理 斜入射，甚至为掠入射的。这种环境下声波与超构
特性及对声波的灵活调控能力，使得其在声场调 表面吸声结构的相互作用机制尚需要进一步研究。
控、噪声控制等诸多声学领域具有重要的应用前 本文以单级风扇压气机在 2100 r/min 工况下
景 [5−8] 。在吸声降噪方面，Ma 等 [9] 提出基于薄膜 噪声频谱为输入条件，设计一套适用于管道内狭小
和背腔组合的声学超构表面结构，在共振频率下薄 空间声环境的降噪声衬，研究超构表面降噪声衬在
膜中的能量密度急剧增加，入射能量被橡胶薄膜的 管道内的降噪特性，并在单级风扇压气机实验平台
固有黏滞完全耗散，达到全吸声，他们采用厚度仅 上进行验证。
为 17 mm 的实验样品针对 152 Hz 的低频声波测量
1 单级风扇压气机实验平台及输入条件
到高达 99.4% 的吸声效率，为低频噪声控制提供了
一种新的解决方式。Cai 等 [10] 利用折叠空间的概
单级风扇压气机实验平台由风扇段部分、声衬
念构建了弯曲管道和弯曲管道加背腔的两种复合
测试段、测量系统三个部分组成，如图 1 所示。风扇
结构，分别在 400 Hz 和 250 Hz 附近实现了全吸声。
段产生的噪声源作为声衬设计的输入条件，在实验
Jiménez 和 Romero-Garcia 等 [11−12] 基于带有直管
声衬上下游各安装一排周向传声器，通过测量声衬
的亥姆赫兹共振理论实现在 350 Hz 左右的全吸声。
段上下游的噪声来评估声衬的吸声降噪效果。风扇
Wu 等 [13] 利用分离的管道共振器之间的耦合共振
段的结构和性能参数决定了风扇的噪声特性。
实现 300 Hz 左右的全吸声。Aurégan [14] 提出了附
加质量块薄膜、空气腔和阻性层的复合结构，实验
中利用16 mm的结构实现了100 Hz附近的全吸声。
为了解决吸声带宽的问题，Zhang 等 [15] 利用 ӭጟ᮳੡඀ ܦᛮ
不同弯曲程度的管道之间的耦合效应在较低频范

围内得到若干吸声峰，通过叠加吸收峰实现了低频
范围内较宽的高效吸声。Long等 [16] 利用具有损耗 ʽʾ຤͜
的共振板和背腔构成的复合结构在理论上实现了 ܦ٨᫼ѵ
100 Hz 附近完美吸声，并通过吸声峰的叠加在相
对宽频带范围内实现了较高的吸声效率，其结构厚
图 1 单级风扇压气机实验台
度约为工作波长的1/10。Yang等 [17] 提出了卷曲空
Fig. 1 Single-stage fan compressor test rig
间构建了 1/4 共振腔基本单元，并通过 16 个工作在
不同频率的共振腔单元实现了 345 Hz 以上的宽带 1.1 单级风扇压气机参数
吸声。 单级压气机的结构、性能参数如表1所示。

表 1 单级风扇压气机参数
Table 1 Parameters of the single-stage fan compressor

结构参数
性能参数
转子 静子
叶片数 20 27 设计流量/(kg·s −1 ) 6.5 设计转速/(r·min −1 ) 3000
外径/mm 600 600 功率/kW 16 效率/% 79.3
进口轮毂比 0.577 0.669 总压比 1.0267 全升压/Pa 2300