CN102063896A - 面向工程的微穿孔板共振吸声结构参数设计方法 - Google Patents

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张德满
李舜酩
安木金
张袁元
孟浩东
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Abstract

本发明公布了一种面向工程的微穿孔板共振吸声结构参数的设计方法，本发明方法如下：第一步，对噪声信号进行频谱分析，根据噪声能量在频率域上的分布情况确定微穿孔板吸声结构的共振频率及共振频率处的吸声系数，并求得相对声阻；第二步，根据工程中结构安装的空间限制条件，确定尽可能大的空腔深度。由空腔深度算出半吸声系数处的高、低频极限频率，再求出相对声质量；第三步，由相对声阻及相对声质量，计算微穿孔板常数和孔径，得出穿孔率。该方法对现有设计方法中的相关公式进行了修正，考虑了微穿孔板吸声结构的腔深与吸声频带宽度之间的正比例关系，实现了工程上微穿孔吸声结构的快速设计，具有更方便、更精确和吸声频带更宽的优点。

Description

面向工程的微穿孔板共振吸声结构参数设计方法
技术领域
本发明涉及一种微穿孔板共振吸声结构参数的设计方法，适用于机械噪声及室内噪声的控制领域。
背景技术
微穿孔板吸声结构的准确理论，由我国著名声学专家马大猷教授于1975年提出，并得到了充实。理论和试验都表明，孔径和板厚小于1mm，穿孔率在0.5%~5%的微穿孔板，具有比其他一切共振吸声器更宽广的吸声频率范围。
由于具有优越的吸声性能，微穿孔板吸声结构正被越来越多的用于工程降噪中，但是设计者多是通过多次计算及试凑的方法设计微穿孔板结构参数。本发明以传统设计方法为基础，针对此方法在设计过程中存在的问题进行完善，并提出一套面向工程的微穿孔板共振吸声结构参数的设计方法。
发明内容
本发明的目的是在微穿孔板共振吸声结构相关理论的基础上，提出一种面向工程设计人员的、更方便及更准确的微穿孔板共振吸声结构参数设计方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明面向工程的微穿孔板共振吸声结构参数设计方法，包括以下步骤：
（1）、对噪声信号进行频谱分析，根据噪声能量在频率域上的分布情况确定微穿孔板吸声结构的共振频率f 0、及共振频率处的吸声系数                                                ，由
Figure 355201DEST_PATH_IMAGE001
通过式(1)求得相对声阻r；
Figure 134939DEST_PATH_IMAGE002
                                (1)
（2）、根据工程中的空间限制条件，确定最大的微穿孔板共振吸声结构的空腔深度D值，由空腔深度D值算出吸声系数为
Figure 467831DEST_PATH_IMAGE003
时的低频极限频率f 1和高频极限频率f 2，再求出相对声质量m值；
（3）、由相对声阻r及相对声质量m值，计算微穿孔板常数x和孔径d，设定板厚t与孔径d相等，然后算出穿孔率P。
优选地，步骤（2）所述的计算方法如下：
吸声系数为
Figure 970619DEST_PATH_IMAGE004
时的低限频率和低高限频率分别用
Figure 793081DEST_PATH_IMAGE005
、表示，
Figure 196698DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 52527DEST_PATH_IMAGE006
由式(2)和式(3)确定：
Figure 45891DEST_PATH_IMAGE007
                      (2)
Figure 737903DEST_PATH_IMAGE008
                       (3)
将
Figure 474915DEST_PATH_IMAGE009
用泰勒公式展开，并对第二项进行修正，得到式(4)： 
Figure 683786DEST_PATH_IMAGE010
                      (4)
在共振频率
Figure 113631DEST_PATH_IMAGE011
处有：
Figure 292939DEST_PATH_IMAGE012
                       (5)
且下式成立：
Figure 568063DEST_PATH_IMAGE013
                               (6)
将式(4)代入式(5)、式(2)和式(3)，并配合式(6)，整理后可以得到式(7)~式(10)：
Figure 398484DEST_PATH_IMAGE014
                            (7)
Figure 671334DEST_PATH_IMAGE015
                        (8)
Figure 400256DEST_PATH_IMAGE016
                         (9)
                                (10)
由D配合式(10)和式(6)以及步骤(1)得到的r值，计算低频极限频率f 1和高频极限频率f 2，再通过式(8)或式(9)求出相对声质量m值。
优选地，步骤（3）所述的具体计算方法如下：
由相对声阻r及相对声质量m值，确定
Figure 665463DEST_PATH_IMAGE018
值所在区间，
Figure 374793DEST_PATH_IMAGE018
值在区间(0.00385f 0 L，
Figure 325431DEST_PATH_IMAGE019
]内时，用式(11)计算微穿孔板常数x，
                    (11)
在区间[0.00245f 0 L，0.00385f 0 L]内时，用式(12)计算微穿孔板常数x；
Figure 747371DEST_PATH_IMAGE021
                       (12)
通过式(13)计算孔径d，设板厚t与孔径d相等；
Figure 627603DEST_PATH_IMAGE022
                                (13)
通过式(14)及式(15)算出穿孔率P；
Figure 65537DEST_PATH_IMAGE023
                             (14)
                           
Figure 171640DEST_PATH_IMAGE024
                                  (15)
上述步骤中；
Figure 695342DEST_PATH_IMAGE026
；c为空气中声速；D为腔深即穿孔板与后壁的距离, m为相对声质量；r为相对声阻；
Figure 807524DEST_PATH_IMAGE027
为角频率；d为微穿孔直径；t为穿孔板厚度；P为穿孔率；L为常数。
本发明的有益效果是，本发明是一种面向工程的微穿孔板共振吸声结构参数设计方法，包括确定共振频率f 0及共振频率处的吸声系数
Figure 31832DEST_PATH_IMAGE001
，计算相对声阻r；确定空腔深度D值，计算相对声质量m以及计算微穿孔板常数x和孔径d，计算穿孔率P 这3个步骤。 
在第(2)步中，本发明找出了微穿孔板共振吸声结构的腔深D与半吸声系数带宽之间成正比关系，并依此关系确定工程设计时应取尽可能大的D值，以达到最优的吸声效果。在第(3)步中根据
Figure 31012DEST_PATH_IMAGE018
值所在范围，分别使用泰勒公式将复杂的微穿孔板常数x的计算公式近似展开，并对得到的近似公式进行了修正，使其精度得到了提高。
因此，与现有方法相比，本发明具有以下优点：不依赖设计经验，因此更方便；设计时取最大的空腔深度，因此吸声频带更宽；分区间计算微穿孔板常数，因此设计出的参数更准确。
附图说明
图1是实施的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
结合附图对本发明的实施做出进一步说明。图1是本发明的方法流程图，如图1所示，该算法包括以下三个步骤。
步骤1：对噪声信号进行频谱分析，根据噪声能量在频率域上的分布情况确定微穿孔板吸声结构的共振频率f 0、及共振频率处的吸声系数
Figure 315363DEST_PATH_IMAGE001
，由
Figure 416305DEST_PATH_IMAGE001
求得相对声阻r；
取较小的
Figure 444304DEST_PATH_IMAGE001
，可以使吸声系数为
Figure 563569DEST_PATH_IMAGE003
时的吸声频带变宽，但一般取
Figure 753242DEST_PATH_IMAGE001
大于0.9。微穿孔板共振频率
Figure 840016DEST_PATH_IMAGE011
处的吸声系数由式(1)表示，
                         
Figure 343810DEST_PATH_IMAGE002
                                     (1)
由通过式(1)求得相对声阻r；
步骤2：根据工程中的空间限制条件，确定尽可能大的微穿孔板共振吸声结构的空腔深度D值。由D算出吸声系数为
Figure 691538DEST_PATH_IMAGE003
时的低频极限频率f 1和高频极限频率f 2，再求出相对声质量m值；
吸声系数为
Figure 78657DEST_PATH_IMAGE004
时的低限频率和低高限频率分别用
Figure 386142DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 276737DEST_PATH_IMAGE006
表示，
Figure 260743DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 807262DEST_PATH_IMAGE006
由式(2)和式(3)确定。
Figure 980754DEST_PATH_IMAGE007
                      (2)
Figure 679851DEST_PATH_IMAGE008
                       (3)
将
Figure 647807DEST_PATH_IMAGE009
用泰勒公式展开，并对第二项进行修正，可以得到式(4)。  
                      (4)
在共振频率
Figure 393226DEST_PATH_IMAGE011
处有
Figure 445364DEST_PATH_IMAGE012
                       (5)
且下式成立
                               (6)
将式(4)代入式(5)、式(2)和式(3)，并配合式(6)，整理后可以得到式(7)~式(10)，
Figure 105333DEST_PATH_IMAGE014
                         (7)
                  (8)
Figure 25808DEST_PATH_IMAGE016
                     (9)
Figure 273250DEST_PATH_IMAGE017
                          (10)
由式(10)可知微穿孔板共振吸声结构的半吸声带宽与空腔深度D值成正比，因此设计时应取尽可能大的D值。
由D配合式(10)和式(6)以及步骤(1)得到的r值，计算低频极限频率f 1和高频极限频率f 2，再通过式(8)或式(9)求出相对声质量m值。
步骤3：由相对声阻r及相对声质量m值，计算微穿孔板常数x和孔径d，设定板厚t与孔径d相等，然后算出穿孔率P，具体计算方法如下：
由相对声阻r及相对声质量m值，确定
Figure 343974DEST_PATH_IMAGE018
值所在区间，
Figure 584331DEST_PATH_IMAGE018
值在区间(0.00385f 0 L，]内时，用式(11)计算微穿孔板常数x，
Figure 842454DEST_PATH_IMAGE020
                    (11)
在区间[0.00245f 0 L，0.00385f 0 L]内时，用式(12)计算微穿孔板常数x。
Figure 134895DEST_PATH_IMAGE021
                       (12)
通过式(13)计算孔径d。
Figure 680408DEST_PATH_IMAGE022
                                (13)
设板厚t与孔径d相等，通过式(14)及式(15)算出穿孔率P。
 
Figure 312378DEST_PATH_IMAGE023
                             (14)
                                                      (15)
上述步骤中
Figure 196206DEST_PATH_IMAGE025
；
Figure 591416DEST_PATH_IMAGE026
；c为空气中声速，m/s；D为腔深(穿孔板与后壁的距离),m；m为相对声质量，
Figure 77892DEST_PATH_IMAGE028
；r为相对声阻,r=0.145tK r/d 2 P；
Figure 165933DEST_PATH_IMAGE027
为角频率,
Figure 141890DEST_PATH_IMAGE027
=2
Figure 340790DEST_PATH_IMAGE029
f；d为微穿孔直径，mm；t为穿孔板厚度，mm；P为穿孔率，%；L为常数， L=1140。

Claims (3)

1.一种面向工程的微穿孔板共振吸声结构参数设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）、对噪声信号进行频谱分析，根据噪声能量在频率域上的分布情况确定微穿孔板吸声结构的共振频率f 0、及共振频率处的吸声系数                                                ，由
Figure 930491DEST_PATH_IMAGE001
通过式(1)求得相对声阻r；
Figure 189434DEST_PATH_IMAGE002
                                (1)
（2）、根据工程中的空间限制条件，确定最大的微穿孔板共振吸声结构的空腔深度D值，由空腔深度D值算出吸声系数为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
时的低频极限频率f 1和高频极限频率f 2，再求出相对声质量m值；
（3）、由相对声阻r及相对声质量m值，计算微穿孔板常数x和孔径d，设定板厚t与孔径d相等，然后算出穿孔率P。
2.根据权利要求1所述的面向工程的微穿孔板设计方法，其特征在于，步骤（2）所述的计算方法如下：
吸声系数为时的低限频率和低高限频率分别用
Figure DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 241627DEST_PATH_IMAGE006
表示，
Figure 765013DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 381808DEST_PATH_IMAGE006
由式(2)和式(3)确定：
                      (2)
Figure 295537DEST_PATH_IMAGE008
                       (3)
将
Figure DEST_PATH_IMAGE009
用泰勒公式展开，并对第二项进行修正，得到式(4)： 
Figure 524655DEST_PATH_IMAGE010
                      (4)
在共振频率
Figure DEST_PATH_IMAGE011
处有：
Figure 105809DEST_PATH_IMAGE012
                       (5)
且下式成立：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
                               (6)
将式(4)代入式(5)、式(2)和式(3)，并配合式(6)，整理后可以得到式(7)~式(10)：
Figure 627926DEST_PATH_IMAGE014
                         (7)
Figure DEST_PATH_IMAGE015
                  (8)
Figure 294531DEST_PATH_IMAGE016
                       (9)
Figure DEST_PATH_IMAGE017
                                 (10)
由D配合式(10)和式(6)以及步骤(1)得到的r值，计算低频极限频率f 1和高频极限频率f 2，再通过式(8)或式(9)求出相对声质量m值。
3.根据权利要求1所述的面向工程的微穿孔板设计方法，其特征在于，步骤（3）所述的具体计算方法如下：
由相对声阻r及相对声质量m值，确定
Figure 58831DEST_PATH_IMAGE018
值所在区间，值在区间(0.00385f 0 L，]内时，用式(11)计算微穿孔板常数x，
                    (11)
在区间[0.00245f 0 L，0.00385f 0 L]内时，用式(12)计算微穿孔板常数x；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
                       (12)
通过式(13)计算孔径d，设板厚t与孔径d相等；
                                (13)
通过式(14)及式(15)算出穿孔率P；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
                             (14)
                    
Figure 912332DEST_PATH_IMAGE024
                                  (15)
上述步骤中
Figure DEST_PATH_IMAGE025
；
Figure 202499DEST_PATH_IMAGE026
；c为空气中声速；D为腔深即穿孔板与后壁的距离, m为相对声质量；r为相对声阻；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为角频率；d为微穿孔直径；t为穿孔板厚度；P为穿孔率；L为常数。
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