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[噪声治理] 吸声降噪技术:共振 (抗性) 吸声结构的特性

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发表于 2019-7-10 10:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  除多孔性吸声材料外,在实际工程中广泛使用的是共振吸声结构。在室内声源所发出的声波的激励下,房间壁、顶、地面等围护结构,以及房间中的其他物体都将发生振动。振动的结构或物体由于自身的内摩擦和与空气的摩擦,要把一部分振动能量转变成热能而消耗掉,根据能量守恒定律,这些损耗掉的能量必定来自激励它们振动的声能量。因此,振动结构或物体都要消耗声能,从而降低噪声。

  结构或物体有各自的固有频率,共振吸声结构的吸声机理是当声波频率与共振吸声结构的固有频率相同时,发生共振。这时,声波激发吸声结构产生振动,并使振幅和振动速度都达到最大值,从而引起的能量损耗也最多,达到吸声的目的。
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  1、共振吸声结构吸声性能特点
  共振吸声结构的吸声特性呈现峰值吸声的现象,即吸声系数在某一个频率达到最大值,在离开这个频率附近吸声系数逐渐降低,在远离这个频率的频段则吸声系数很低。共振吸声结构的典型吸声频率特性如图1所示。
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  图1 共振吸声结构吸声的频率曲线

  图1中曲线表明,共振吸声结构的吸声具有很强的选择性。共振吸声体一般都设计成低频的吸声器,以弥补多孔材料低频吸声较差的缺点,或者针对于某一频率需要加大吸声而设计。

  2、共振吸声结构主要类型
  共振吸声结构主要有亥姆霍兹共振吸声结构、薄板/薄膜共振吸声结构、穿孔共振吸声结构,以及微穿孔共振吸声结构等。与多孔性吸声材料以材料为主不同,共振吸声结构以结构为主。一些常用的普通装修材料,如三夹板、五夹板等,按照一定的构造安装后,就可以具有良好的吸声特性;也有一些普通的吸声材料,如木板、石膏板等,经过简单处理,如穿孔、开缝等,也可以成为很好的共振吸声材料。

  共振吸声结构主要对中低频有很好的吸声特性,而多孔性吸声材料的吸声频率范围主要在中高频。因此在进行噪声控制设计时,合理地将共振吸声结构与多孔性吸声材料相结合,可以获得宽频带的吸声效果。

  3、亥姆霍兹共振吸声结构
  亥姆霍兹共振吸声器的结构形式是一个的内部为坚硬表面的密闭容器(腔体),通过一个小的开口(颈口)与外部的大气连接。当声波从颈口进入时,颈口内的空气像一段活塞沿颈口来回运动,压缩腔体内的空气。这样颈口内的空气和腔体内的空气形成一个弹簧-质量系统,通常也称作为“空气弹簧”。
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  图2 亥姆霍兹共振吸声结构原理

  当入射声波的频率接近共振器的固有频率时,颈口内的空气柱产生强烈振动,克服摩擦阻力而消耗声能。亥姆霍兹共振吸声结构的共振频率为:
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  式中,S 为颈口的面积,V 为腔体的体积,l 为颈口的有效长度(颈口的实际长度加末端修正)。

  亥姆霍兹共鸣器在汽车以及声学领域有着广泛的应用,如汽车进气的Airbox以及排气消声器、电声中的乐器以及低音炮,建筑声学中利用亥姆霍兹共鸣器来改善演艺场所的低频声学性能。
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  图3 汽车进气Airbox例子

  在欧洲中世纪的一些剧院中,为了改善低频的声学效果,在墙体内镶嵌翁或坛来形成亥姆霍兹共振吸声。根据研究发现,这些翁中留有一些细沙,被认为是起到阻尼作用。
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  图4 中世纪嵌在墙内的共振吸声的瓮

  同济大学王季卿教授在其九十华诞学术报告会上讲的建筑声学故事中,其中一个就是关于剧场的“翁之谜”,介绍了国外一些剧场的翁的情况,以及他在国内各地剧场舞台下方进行实地调研,核实翁的设置情况。
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  亥姆霍兹共振吸声器因其具有非常有效的低频吸声性能,在对音质要求较高的声学装修工程中有着广泛的应用,如德国柏林交响音乐厅、英国伦敦皇家节日音乐厅、丹麦哥本哈根广播电台演播厅等。

  亥姆霍兹共振吸声器,一般有石膏共振吸声器和共振吸声砖。石膏共振吸声器表面平整光滑,主要用于室内吸声装修,如录音室,审听室等房间;共振吸声砖具有隔声、隔热、保温、防火、耐潮、强度高、吸声构造简单,不需要龙骨和护面材料,砌筑方便以及价格低廉等优点。
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  图5 共振吸声砖

  利用更加薄的结构实现低频的吸声,是近年来在声学超材料研究领域的一个重要方向。同济大学的研究发现,将亥姆霍兹共振吸声的颈口由外颈口 (NA) 改造成内插颈口 (EA) 的结构,可以获得同样频率和吸声带宽的吸声结构,这样就可以大大减小吸声结构的厚度。进一步如果把颈管弯曲,可使得亥姆霍兹共振吸声结构的厚度变得很薄。
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  图6

  他们的研究最近实现了在总厚度50mm的结构中,实现最低到137Hz的共振吸声(如图7)。图7中的1~4的结构吸声带宽(Δfr/fr) 和频率fr 分别为:22.6% ( fr=137Hz),26.2%(fr = 164Hz),31.7%(fr = 190.75Hz),和46.5%(fr=299Hz)。这种结构极大地突破了1/4波长的共振吸声设计,实现了最小到1/48波长的结构厚度。
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  图7 超薄共振吸声结构的设计

  4、薄板共振吸声结构特性
  在面板的面密度为m”时,如图8所示的吸声结构的特性阻抗可表示为:
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  图8 典型薄板共振吸声结构的构造
  吸声系数可用下式来计算:
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  式中,r ' 为阻尼值,为频率偏离隔振频率点的失谐值。在不同阻尼r ' 值条件下的吸声系数如图8所示。
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  图9 薄板共振吸声结构的吸声系数频率曲线

  从图8中可以看出:共振吸声结构在最佳阻尼r ' =1(即r=r0c0)条件下,在共振频率处(F=0,即f=fr)可获得最大吸声系数aR=1。无论共振频率处吸声系数aR (fR)是多大,吸声系数α 在对数频率坐标图上总是随着∣F∣的增大而迅速减小,呈现出在共振频率fR 两侧展开的 “钟形曲线”形状。阻尼r'值不仅对吸声的带宽有影响,也会影响到吸声系数的峰值。

  如果共振吸声结构的空气层厚度d 以mm为单位,则共振频率可表示为:
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  式中,表明了共振吸声结构的共振频率与面板的面密度m”和空腔的深度d 有关。图10中给出了不同厚度(层数)的夹板实测的吸声系数曲线,可以看出面密度为m”越大(夹板层数越多),共振频率越低。图11中给出同一夹板在不同空腔深度d 条件下实测的吸声系数曲线,可以看出空腔深度越大,共振频率越低。
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  图9 不同厚度夹板的吸声曲线

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  图10 空腔深度对吸声频率的影响

  因此,调整薄板共振吸声结构的面密度为m'' 和空腔的深度d,就可以将隔振吸声结构的共振频率调谐到所需要的频率。调整吸声结构的阻尼r' 和特性阻抗Z'R就可以调整吸声系数曲线的峰值和带宽。

  但实际应用中,空腔的深度d 既不能太小也不能太大,与需吸收的声波波长l 的关系一般应满足如下条件:
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  参考文献:
  [1]Ingard, U. POn the theory and design of acoustic resonatorsJ. Acoust. Soc. Amer., 25(6), 1953:1037–1061.
  [2] Cox T.J, D’Antonio P. Acoustic absorbers and diffusers. Spon Press, New York, 2004.
  [3] István, L. and Beranek, L. L. Noise and Vibration Control Engineering - Principles and Applications. John Wiley & Sons, 2nd Edition, 2006.
  [4] Bies, D. A. and Hansen, C. H. Engineering Noise Control-Theory and Practice. Spon Press, 4th Edition, 2009.
  [5] Sibo Huang; Xinsheng Fang; Xu Wang; Badreddine Assouar; Qian Cheng; Yong Li; Acoustic perfect absorbers via Helmholtz resonators with embedded apertures. J. Acoust. Soc. Amer., 145(1), 2019:254-262

  来源:朗德科技微信公众号(ID:landtop-tech)

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