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文献原创中低频高吸声性能的复合穿孔板设计

1 引言

共振吸声结构主要包括薄板共振吸声结构、穿孔共振吸声结构和微穿孔共振吸声结构。与多孔吸声材料不同，共振吸声结构的吸声机理是当声波频率与吸声结构固有频率相同时，声波激发吸声结构发生共振，引起声能衰减，从而达到吸声的目的。因此共振吸声结构的吸声特性呈峰值吸声现象。吸声系数在共振频率处最大，离开该频率吸声系数逐渐降低。

对于穿孔吸声结构和微穿孔吸声结构而言，二者吸声机理是类似的，它们的吸声系数α为：

(1)

式中：r 和ωm分别为(微)穿孔板的相对声阻率和声抗率，由材料及其穿孔参数决定，D为板后的空腔深度，c为空气中的声速。由式（1）可确定(微)穿孔结构的共振频率ω0满足：

(2)

(微)穿孔吸声结构最大特点在于可以根据需要，通过调节(微)穿孔板的穿孔孔径、穿孔率、板厚以及空腔距离来设计其吸声频带。由于(微)穿孔吸声结构只是在共振频率处吸声最大，而离开共振频率后，吸声系数逐渐降低。因此(微)穿孔吸声结构不能实现在所有频带都能高效吸声，它存在着吸声频带的设计问题。同时实际中，微穿孔结构很难实现低频吸声。本文基于(微)穿孔结构的吸声特性，讨论了中低频高吸声性能的复合穿孔板设计。

2 (微)穿孔吸声结构吸声特性

2.1 最大吸声系数α0

(微)穿孔结构产生共振时，声抗为零，这时吸声系数最大，为：

(3)

由上可知，要使(微)穿孔结构具有较高的共振吸声系数α0，就要使r控制在1附近。

对于穿孔结构而言，声阻基本正比于板厚和空气粘滞系数，反比于孔径平方和穿孔率。对于微穿孔吸声结构而言，还需要考虑由于声波流入小孔需要压缩很多倍而产生的额外能量消耗引起的声阻修正。这样，对于微穿孔而言，由于孔径很小，因此它具有足够的声阻，可以较为方便的实现高吸声；而对于穿孔板而言，为了获得较高的吸声系数，可以提高板厚和适当减小穿孔率。

2.2 第一阶共振吸声频率

(微)穿孔吸声结构的共振频率由式（2）决定。图1为由式（2）的声质量抗和声容曲线，二者交叉点即为各阶共振频率吸声点。由图1和式（2）可见，要想获得较低的吸声频率，可通过改变空腔厚度D和增大声质量m来实现。对于空腔100mm、孔径0.7mm、穿孔率1.6%以及板厚0.6mm的一种典型的微穿孔吸声结构，其第一阶共振频率为450Hz，该结构要想实现150Hz的共振吸声，则由式（2）可见，D需要增大3倍以上，达到500mm左右，这在实际中往往难以实现。因此这时需要增加其声质量，即通过增加孔径的宽度（2次方）和板厚来实现。对于微穿孔而言，目前由于加工技术原因，较难实现穿比板厚低很多的孔径。因此如果要实现低频吸声，就只能采用增加孔径宽度，即采用普通的穿孔板，以增加声质量，提高图1中ωm的斜率，以实现低频吸声。

共振吸声设计

图1 （微）穿孔板的多吸收频带

Fig.1 The character of multi-band sound absorption onperforate d panels

2.3 吸声频带

一般来说，吸声频带的定义为最大吸声系数一半时的频带宽度。这样可通过增加声阻的办法实现高频带吸声[2]。但是由式（3）可知，r越大，吸声系数越低，这样半吸声系数就可能很小了。本文的吸声频带以马先生提出的取最低吸声系数0.5的频带宽度[2]。一般而言，孔径过大将减小声阻，降低吸声频带；孔径过小，将大大增加声阻，减小吸声系数。研究表明[2,3]，将穿孔板孔径控制在0.1-0.2mm后，它可以实现最大吸声系数大于0.9，第一阶吸声频带大约3个倍频程，是一种比较有效的微穿孔吸声结构。

3．低频高吸声性能的复合穿孔板设计

综上所述，微穿孔吸声结构由于其声质量较低，一般只能实现300Hz以上中高频吸声；要想进一步实现低频吸声，则需要加大声质量，即采用1-2mm左右的穿孔结构。但该结构的声阻较小，在实现200Hz以下的低频吸声后，一般在300Hz以上吸声系数很低，吸声频带太窄。由上分析可知，对于微穿孔吸声结构而言，孔径控制在0.1-0.2mm后，吸声系数大于0.5的吸声频带可达3个倍频程左右[3]，是比较理想的。但目前大量使用的金属微穿孔板孔径都在0.8mm左右。孔径减小到0.1-0.2mm后，为了不使声阻过大，还需要同时增大微穿孔板的穿孔密度，相应的加工成本会增加很多。

目前已有复合穿孔铝板实现了超微孔径的制作，但是该铝板的穿孔率较低，声阻较大，因此实测最大吸声系数并不高。现有0.1-0.2mm孔径左右的共振吸声材料基本都为软质材料，主要包括微穿孔薄膜以及吸音无纺布等结构。相比而言，微穿孔薄膜在实现0.1-0.2mm孔径后，比无纺布而言其结构强度要好。同时它还可以满足透光的要求。图2为我们采用的一种复合穿孔板的阻抗管测试的吸声曲线。其外层采用具有结构强度的（微）穿孔铝板，内层采用孔径0.11mm的微穿孔薄膜。这样外层在实现低频吸声后，还可以兼顾护面板的作用，内层的微穿孔薄膜与外层组合一起形成双共振效应，在总空腔厚度100mm以内，可实现低频、宽频带的（微）穿孔吸声结构。

共振吸声设计