阻抗复合吸声结构的理论与声学特性研究

　　工程实际中的噪声源往往是宽频带的,人们已经摸索出了在穿孔板后的空腔中填充吸声材料来拓宽吸声频带的方法,但由于对这种复合吸声结构至今尚未形成系统的理论,致使其在工程实践中未能发挥应有的作用.

　　本文利用声学理论,建立由穿孔板、吸声材料及空腔构成的阻抗复合吸声结构的吸声性能预测模型,分析吸声结构的几何参数和物理参数对吸声性能的影响,并在实验验证理论正确性的基础上,分析和总结各种因素对吸声结构无规入射吸声系数的影响规律,从而为解决噪声控制工程中的实际问题提供理论依据和有效手段.

　　1　阻抗复合结构的声阻抗率和吸声系数

　　穿孔板吸声结构中放入吸声材料后,就组成了阻抗复合吸声结构.吸声材料在板后空腔中的放置方案有三种:a.吸声材料紧贴穿孔板内壁而和刚性壁间留有一定空腔;b.吸声材料与穿孔板内壁间和刚性壁间都留有空腔;c.吸声材料紧贴刚性壁而和穿孔板内壁间留有一定空腔.穿孔板吸声结构中加装吸声材料后,增加了孔颈附近空气的阻力,因而可以提高吸声系数并加宽了吸声频带.显然,吸声材料越靠近穿孔板,吸声效果也就越明显,因而在工程实际中进行吸声处理时,往往按图1所示方案配置吸声材料.

　　图1中,t表示穿孔板厚度;D1表示吸声材料厚度;D2表示空腔深度.其等效声电类比线路图如图2所示.图2中,Q0c0表示空气的特性阻抗,R1表示穿孔板声阻率,M1表示穿孔板声质量率,ZD表示吸声材料和空腔复合结构的声阻抗率.

　　普通穿孔板穿孔直径一般在mm数量级,远小于一般声波波长,其单个穿孔的声阻抗率为

式中,u=η/Qo为运动粘滞系数(G为媒质切变粘滞系数);Qo为空气密度(kg/m3);X为圆频率;t为穿孔板厚度(m);d为穿孔直径(m);Z1的实数部分表示穿孔的声阻率,虚数部分表示声抗率.

　　考虑穿孔板孔径两端声阻和声质量的修正后,可得单个穿孔的声阻抗率为

式中,分别表示单个穿孔外侧和内侧(与吸声材料接触端)的声阻率修正值;分别表示单个穿孔两端声抗率修正值;Qe为吸声材料的有效密度;βo为穿孔率.假设各孔间互不影响,则穿孔板的声阻抗率为

　　据文献[3],当吸声材料背后有空腔时,由吸声材料和空腔所构成的吸声结构的声阻抗率可示为式中,u=整个阻抗复合结构可看成是由穿孔板和板后吸声结构的串联,其声阻抗率为Zs=Z1+ZD.以空气的特性阻抗Qoco为单位,吸声结构的相对声阻抗率Zsr=Zs/(Qoco),或表示为:Zsr=r+ix,式中r和x分别为吸声结构相对声阻抗率的实部和虚部.

    阻抗复合吸声结构无规入射吸声系数为