吸声降噪技术:8微穿孔共振吸声结构

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在上一期声学演义系列技术分享中跟大家介绍了共振吸声结构的吸声特性(吸声降噪技术:7共振 (抗性)吸声结构的特性),所介绍的几种共振吸声结构的共振吸声带宽都比较窄,往往需要和阻性材料配合使用。本次分享中跟大家介绍微穿孔共振吸声结构。

5.微穿孔共振吸声结构

将常见穿板孔的穿孔直径控制到1mm以下,就形成了微穿孔板。从吸声原理上来说,这时候微穿孔板本身就已经“具有足够的声阻,同时具有足够低的质量声抗,形成宽带吸声体,而不需填加任何多孔性材料”1)—— 在马大猷院士1975年发表于《中国科学》上的“微穿孔板吸声结构的理论和设计”论文中,是这样来介绍微穿孔吸声结构的。这篇文章揭开了中国声学科技创新史上的重要一幕,开创了微穿孔吸声体广泛应用的历程,并成功应用于房间吸声、消声器等领域。早在上世纪八十年代,国内的中科院声学所、同济大学以及北京市劳动保护科学研究所等单位就对微穿孔吸声结构进行了较为深入的研究,形成国内一项比较成熟的技术。

5.1 马大猷院士的微穿孔吸声理论

马大猷院士在其关于微穿孔吸声理论的论文中用图1来解释吸声的原理,并在短管中运动方程解Crandall低频段和高频段近似的基础上,获得了在整个频段的声阻抗近似公式:

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图1 马大猷发表于《中国科学》解释微穿孔板吸声结构原理的图

有了声阻抗的计算结果,就可以计算出微穿孔的声阻r和声抗ωm并由此计算出在空腔深度为D时吸声结构的垂直入射吸声系数:

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以及无规入射条件下的吸声系数:

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图2中给出根据马先生理论,计算得到的两种参数条件下微穿孔结构吸声系数和驻波管中实测吸声系数的对比,可见两者吻合得非常好。


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图2 微穿孔板吸声结构理论计算和实测结果对比

5.2微穿孔吸声结构走向世界

虽然微穿孔吸声结构在中国有成熟的理论和广泛的研究,但国际上对中国的这一科技创新成果并没有关注和看重,直到在东、西德国合并后不久的1994年,德国《图片报》发表的一篇题为“一个中国工程师在德国议会大厦上钻了成千上万个孔”,以及德国《工程师报》发表的题为“中国人成就了德国的联邦议会大厦”的报道。

1992年底,德国在当时首都波恩新建的议会大厦投入使用。为了将这座大厦设计成独具特色的建筑,并表达“政治透明度“,建筑师在设计大厦的时候采用了圆形的构造,并且墙壁全部采用玻璃。议会大厦在刚一启用就发现存在严重的声学问题。并且由于透明玻璃结构,也给声学处理造成了很大的困难,常用的纤维性和泡沫类吸声材料会影响建筑设计外观,一时德国建筑声学专家们一筹莫展。朗德科技的查雪琴教授当时正在德国弗劳恩霍夫建筑物理研究所(FhG-IBP)进行访问研究,当她知道这一情况后,立即想到了马大猷院士的微穿孔吸声理论。她们试制了微穿孔吸声结构的样品,并将试验结果和理论计算的结果展示给德国同行,德国专家终于信服了这项中国的技术。最终她们提出的采用透明亚克力微穿孔吸声板来改善德国议会大厦的声学方案被采纳。

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图3 查雪琴教授和她的透明微穿孔吸声结构

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图4 四周都是玻璃的圆形德国议会大厦

以及安装透明微穿孔吸声的玻璃幕墙

由于在微穿孔吸声理论方面的杰出贡献,1996年,德国弗劳恩霍夫建筑物理研究所(IBP)决定授予马大猷院士无纤维吸声材料(ALFA)奖。

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图5 马大猷在德国受颁无纤维吸声材料(ALFA)奖

5.3微穿孔吸声结构的研究热潮
微穿孔吸声技术在德国议会大厦上的成功应用,在国际上引起很大的反响。中国的技术获得了国际的认可,微穿孔吸声结构也成为国际学术研究的热点,不仅在每年的国际会议上都会设专题,国际学术期刊上也涌现了大量的研究文章。
在当前最热门的声学超材料研究方面,微穿孔吸声结构创新成果也频频涌现。在国际重要学术期刊上,每年都有大量的最新研究论文发表。

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图6 利用微穿孔结构实现宽频带吸声

参考文献:

1. 马大猷.微穿孔板吸声结构的理论和设计[J].中国科学, 1975(1): 38-50.

2. Maa D Y. Potential of microperforated panel absorber[J]. J. Acoust. Soc. Amer., 1998, 104(5):2861-2866.

3. H.V. Fuchs, X. Zha. Micro perforated structures as sound absorbers – a review and outlook. Acta Acust. United Acust., 92 (1) (2006), pp. 139-146

4. Qian Y J, Kong D Y, Liu S M, et al. Investigation on micro-perforated panel absorber with ultra-micro perforations[J]. App. Acoust., 2013, 74(7):931-935.

5. Wang C, Huang L. On the acoustic properties of parallel arrangement of multiple micro-perforated panel absorbers with different cavity depths[J]. J. Acoust. Soc. Amer., 2011, 130(1):208-218

6. Sibo Huang, Shenming Li, Xu Wang, Dongxing Mao. Micro-perforated absorbers with incompletely partitioned cavities. App. Acoust. 126(2017), pp.114-119

7. Carbajo J, Ramis J, Godinho L, et al. Perforated panel absorbers with micro-perforated partitions. App. Acoust. 149(2019), pp.108-113.


文章分类: 声学
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