基于切向流效应的宽频带穿孔板声衬的研究

    穿孔板吸声体是一种阻抗复合型吸声结构．马大猷先生在上世纪７０年代的时候已经完成了穿孔板吸声结构的理论推导与计算［１］，９０年代时提出了准确计算理论［２］．穿孔板结构的吸声性能受到孔径、穿孔率、板厚、空腔深度等参数的影响，各种参数对穿孔板结构吸声系数的影响规律前人已经做了很多的研究［３－４］，因为涉及多种因素，在穿孔板的设计和吸声频带分析时显得较为繁琐，往往会顾此失彼．本文以整体的声质量为出发点，研究了声质量对穿孔板结构吸声带宽的影响，理论和仿真分析表明：声质量是影响穿孔板结构的吸声带宽的关键性因素，减小声质量有助于拓宽吸声频带．

    减小穿孔板孔径可以减小声质量、提高声阻，把孔径减小到０．１毫米级（即微穿孔板）可以设计出具有良好吸声效果的宽频带吸声结构．但是很多情况下穿孔板表面有较大的气流通过且气流中含有灰尘、烟雾等，会堵住穿孔板的小孔，这种环境下必须使用大孔径的穿孔板．而对于大孔径的穿孔板，一方面可以通过设计较小的穿孔率增大声阻以实现较高的吸声系数，但减小穿孔率的同时会增大声质量，从而使吸声频带变得很窄；另一方面，如果保持较大的穿孔率以实现较低的声质量，那么声阻会很小，声阻减小将导致最大吸声系数减小，吸声频带变窄．因此对于大孔径的穿孔板，静态条件下无法在保证较高吸声系数的同时实现较宽的吸声频带．

    然而，已有的研究表明：切向流对穿孔板声阻抗及吸声性能有很大的影响．总体上讲，切向流可以增加穿孔板的声阻同时减小声质量，从而改善其吸声特性．切向流效应对穿孔板声阻抗的影响预测目前已经有几种比较成熟的理论模型．１９９６Ｈｏｗｅ等［５］使用质点位移连续条件匹配小孔剪切层两侧的声场建立了一种切向流影响穿孔板声阻抗的模型；２００２年景晓东等［６］则利用法向质点速度连续条件来建立模型，通过在小孔前缘施加Ｋｕｔｔａ条件来反映切向流效应中所包含的声涡转化机制．１９８６年Ｎａｒａｙａｎａ　Ｋ与Ｍｕｎｊａｌ　Ｍ　Ｌ［７］用经验和实验总结的方法提出了指定参数范围的经验公式，并对气流条件下的消声器进行了实验和分析；２００３年Ｌｅｅ　Ｓ　Ｈ和Ｉｈ　Ｊ　Ｇ也提出了切向流条件下小孔声阻抗的经验模型［８］．

    在切向流的条件下，对于大孔径的穿孔板，可以设计较高的穿孔率实现较低的声质量，通过切向流效应提高其声阻，最终实现较高的吸声系数和较宽的吸声频带．因此切向流的应用为大孔径穿孔板实现宽频带吸声提供了一种有效的途径．根据各种文献来看，目前切向流效应对穿孔板声阻抗影响的研究均未讨论声质量对带宽的影响，在确定流速的情况下对穿孔板声衬的参数设计方面的工作也比较缺乏．在实际应用中，声衬表面往往不可避免地存在较高流速的切向气流，因此基于切向流效应的低声质量宽频带穿孔板声衬的研究是一个重要的课题．