CN105427853A - 宽频带微穿孔板吸声体及其性能预测方法、结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种宽频带微穿孔板吸声体及其性能预测方法、结构设计方法。所述吸声体由表面微穿孔板和周期性不等深度的背腔组成，后者旨在有效拓展该吸声体的吸声带宽。本发明首先提出一种性能预测方法用于预测该吸声体吸声系数频谱，该方法经有限元仿真与实验测量验证准确可靠；然后提出有效实现该宽频带吸声体的结构设计方法：(1)基于二次剩余序列组合排列理论设计周期性背腔的深度矩阵；(2)基于性能预测方法评估并依次确定该吸声体的参数组合：周期性背腔结构的吸声体总宽度、各个子背腔的深度、微穿孔板的板厚、孔径和穿孔率。本发明能准确可靠、简便可行的设计出具有宽频带吸声性能的微穿孔板吸声体。

Description

宽频带微穿孔板吸声体及其性能预测方法、结构设计方法

技术领域

本发明涉及环境噪声控制、室内声学装修的吸声领域，具体来说为一种宽频带高性能微穿孔板吸声体及其性能预测与结构设计方法。

背景技术

目前，典型的微穿孔板吸声体由表面单层的均布穿孔的微穿孔板与其对应的单个板后背腔组成。不同于传统多孔材料和纤维类材料的吸声材料，它结构简单，结构体可由多种材料，如金属、塑料、木板甚至玻璃等制作而成。优点包括长时间使用不碎屑化，表面能抗冲击，防潮防水，能适应高速气流等，是一种环境友好型的新型吸声材料。但是该类吸声体在应用中存在的一个突出问题是其相对传统多孔、纤维类吸声材料窄很多的有效吸声频带范围。

微穿孔板吸声体设计方法及其吸声性能理论是由中国学者[马大猷，“微穿孔板吸声结构的理论和设计”，中国科学，卷1，38-50(1975)]首创，并在其1990年发表的论文“组合微穿孔板吸声结构”中进一步描述了一种由两层微穿孔板组成的“双共振串联”结构吸声体，这种结构的吸声体能产生两个明显的吸声峰，一定程度上增加了吸声的有效带宽，但多层“串联”结构要求背腔深度较大，会占用较多的室内空间。香港学者[ChunqiWangandLixiHuang，“Ontheacousticpropertiesofparallelarrangementofmultiplemicro-perforatedpanelabsorberswithdifferentcavitydepths”，J.Acoust.Soc.Am，130(1)，208-218(2011)]采用有限元仿真和实验验证的方法，讨论了一种简化的“并联”背腔结构的微穿孔板吸声体的吸声机理，包括三个深度不等的、平行排列的子背腔，但他们的研究仅局限于该简化结构体的吸声机理分析，尚未涉及具有不等深度背腔的微穿孔板吸声体完整结构的设计方法。

CN1311380A公开了一种特宽频带微穿孔板吸声体及其制造方法和设备，包括微穿孔板、与微穿孔板构成一体的具有后腔深度D的盒形构件，盒形构件内设有支撑挡板格，通过降低微穿板的穿孔板常数K来达到增加实际应用的吸声频带的目的，实现高频吸声性能，但是其盒形构件的背腔深度恒定，无法形成不同频段的局部共振效应；CN102968985A公开了一种复合多层机械阻抗板的薄型宽频吸声结构，包括吸声材料和支架，以及至少两层的机械阻抗板，吸声材料可以是传统多孔材料和微穿孔板吸声结构，用于吸收高频噪声，而低频噪声则由机械阻抗板的振动来耗散；CN102646414A公开了一种基于微穿孔和腔内共振系统的组合吸声结构，包括微穿孔板、背腔和腔内共振系统，旨在调整腔内共振系统的参数(平板质量、力阻、弹簧劲度系数)、微穿孔板的参数(孔径、板厚、穿孔率)和背腔深度，以实现较宽频带的吸声；CN102332259A公开了一种自适应微穿孔板吸声器及其微孔实时调节方法，包括压电薄膜微穿孔板、主动控制电路、自适应控制器和噪声探测器，能够根据入射噪声实时调节压电薄膜微穿孔板上微孔孔径的大小，以有效扩展微穿孔板共振吸声结构的吸声频带。

微穿孔板吸声体的现有技术与设计，尚未发现有基于“并联”排列不等深度背腔设计的宽频带微穿孔板吸声体的报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种占用空间小的宽频带微穿孔板吸声体及其性能预测方法、结构设计方法。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明所述的一种宽频带微穿孔板吸声体，包括：微穿孔板，在微穿孔板上设有深度各不相同的子背腔，且所述子背腔立于微穿孔板上，与相邻微穿孔板的侧面相触及。

本发明所述的一种宽频带微穿孔板吸声体的性能预测方法，所述性能由吸声系数频谱α(θ_e)表征，其特征在于，所述吸声系数频谱α(θ_e)由公式1得到，

$\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_e\right)=1-{\left|\frac{A_0}{P_e}\right|}^2-\frac{1}{{\mathrm{cos\θ}}_e}\underset{n\≠0}{\Σ}{\left|\frac{A_n}{P_e}\right|}^2\sqrt{1-{({\mathrm{sin\θ}}_e+n\mathrm{\λ}/T)}^2}$ 公式1

式中，θ_e表示声波的入射角，θ_e＝0°表示正入射；P_e为有效声压，取值为1Pa；A_n为振幅系数，n为整数且n＝…，-2，-1，0，1，2，…；λ为声波波长，λ＝c/f，单位m，c为声音在空气中的传播速度，f表示声音的频率，单位Hz；T表示周期性背腔结构的周期宽度，N为一个周期内子背腔的数量，L_i表示各个子背腔的宽度，单位：米。

本发明所述的一种宽频带微穿孔板吸声体的性能预测方法，，其特征在于，所述振幅系数A_n采用公式2得到：

${\mathrm{cos\θ}}_e{P}_e-\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\γ}}_n}{k_0}{A}_n{e}^{-jxn2\mathrm{\π}/T}=F\left(x\right)\[P_e+\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}{A}_n{e}^{-jxn2\mathrm{\π}/T}\]$ 公式2

其中：

γ_n为吸声体表面竖直方向的空间谐波的波数：

${\mathrm{\γ}}_n=-{\mathrm{jk}}_0\sqrt{{({\mathrm{sin\θ}}_e+n\frac{\mathrm{\λ}}{T})}^2-1}$ 公式3

j表示虚数单位，k₀＝ω/c表示波数，ω＝2πf表示角频率，f表示声音的频率，单位Hz；

F(x)是吸声体的等效表面导纳，且：

$F\left(x\right)=\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}g*e^{-jn(2\mathrm{\π}/T)x};g=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}G\left(x\right)e^{+jn(2\mathrm{\π}/T)x}dx.$ 公式4

g为变量，G(x)为子背腔的表面导纳且Z_mpp为微穿孔板的表面相对声阻抗，ζ(l_m)为板后子背腔的相对声阻抗，l_m表示微穿孔板板后各个子背腔的深度，m＝1，2...N，N表示一个周期的子背腔的数量。

本发明所述的一种利用性能预测方法进行吸声体设计的结构设计方法，包括以下步骤：

步骤1取得拟被吸收的声频谱，进而取得所述吸声系数频谱中目标的有效吸声频谱范围；

步骤2选取微穿孔板及子背腔材料，设定微穿孔板表面声阻抗为空气声阻抗的0.5～1.5倍，采用微穿孔板声阻抗计算方法，确定微穿孔板参数穿孔直径d、板厚t和穿孔率σ的初值；

步骤3设计该吸声体的一个周期内的子背腔的深度矩阵，深度矩阵由下式得出：

公式5

式中，表示背腔的深度矩阵，mod表示求余函数，N表示一个周期的子背腔的数量；

步骤4用实际应用环境可能的最大垂直安装空间深度除以空腔深度矩阵中的最大值，得到子背腔的单位深度的初值，并以“周期性背腔结构在一个周期内的总宽度不大于中频段400Hz的1/4倍波长”的原则，确定吸声体一个周期的总宽度；

步骤5基于吸声体的性能预测方法，验证并优化子背腔序列的单位深度，具体方法为：以步骤4确定的单位深度为计算初值，采用性能预测方法，得到计算初值所对应的吸声系数频谱α(θ_e)，从中预测出所对应的有效吸声频谱范围，如果所对应的有效吸声频谱范围能够覆盖目标有效吸声频谱范围，则进入步骤7；否则，以“背腔深度越浅，有效吸声频谱范围越向高频移动，反之，有效吸声频谱范围越向低频移动”为原则，调整单位深度大小，进入步骤6；

步骤6采用性能预测方法，得到调整后的单位深度所对应的吸声系数频谱α(θ_e)，从中预测出所对应的有效吸声频谱范围，如果所对应的有效吸声频谱范围能够覆盖目标有效吸声频谱范围，则进入步骤7；否则，以“背腔深度越浅，有效吸声频谱范围越向高频移动，反之，有效吸声频谱范围越向低频移动”为原则，再调整单位深度大小，并重复步骤6；

步骤7从所对应的有效吸声频谱范围能够覆盖目标有效吸声频谱范围的吸声系数频谱α(θ_e)中，取得最大吸声系数，如果最大吸声系数大于0.9，则以产生最大吸声系数大于0.9的吸声系数频谱α(θ_e)所对应的微穿孔板板厚t、孔径d、穿孔率σ及周期性背腔结构的吸声体总宽度、各个子背腔的深度为吸声体的最终结构参数；否则，则进入步骤8；

步骤8以“板厚越大，吸声系数越小，吸声频带越向低频移动；孔径越大，吸声频带越向低频移动；穿孔率越大，吸声频带越向高频移动，吸声系数越小”为原则，调整微穿孔板的板厚t，孔径d和穿孔率σ，采用性能预测方法再次试算吸声体的最新吸声系数频谱并取得当前最大吸声系数，如果当前最大吸声系数大于0.9，则以产生当前最大吸声系数大于0.9的吸声系数频谱α(θ_e)所对应的微穿孔板板厚t、孔径d、穿孔率σ及周期性背腔结构的吸声体总宽度、各个子背腔的深度为吸声体的最终结构参数；否则，重复步骤8。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

采用优化的吸声体参数组合，包括微穿孔板的穿孔直径d、板厚t、穿孔率σ，和板后多个“并联”的背腔的深度、宽度和排列方式，得到了一种在400-3000Hz最主要的公共活动音频段，吸声系数不低于0.45，最大吸声系数不低于0.9的宽频带微穿孔板吸声体。

本发明所述吸声体的结构由单层的微穿孔板和板后多个采用“并联”方式平行排列的深度互不相等的子背腔组成，各个子背腔的开口端与微穿孔板直接连接。这种结构形式的微穿孔板吸声体解决了以下三点问题：(1)单层微穿孔板吸声体的有效吸声带宽过窄，本发明所述的“并联”的深度不相等的子背腔与微穿孔板形成的不同频率的局部共振效应，以及各子背腔表面因声音传播路径不相等而形成的声压差趋于平衡状态的趋势，迫使背腔表面的声波产生的均衡流动效应，两者共同作用下有效的拓宽了吸声频带的范围，而这种共同作用是单层或多层“串联”微穿孔板吸声体所不具备的；(2)吸声体的有效吸声频带范围往往与实际的吸声需求不符，本发明所述的宽频带微穿孔板的吸声体可按照实际的吸声需求，在设计前期通过调整背腔的深度序列和微穿孔板的参数组合来调整有效吸声频带的范围；(3)虽然多层“串联”背腔结构的微穿孔板吸声体一定程度上拓宽了吸声频带，但是占用了较多的安装空间，本发明所述的宽频带微穿孔板吸声体的背腔采用“并联”的方式排列，在取得高性能吸声性的同时，可大幅度减少安装空间，达到节省建筑空间的目的。

本发明的又一个有益之处在于为宽频带微穿孔板吸声体提出了一种吸声性能预测方法。本发明提出了用 $\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_e\right)=1-{\left|\frac{A_0}{P_e}\right|}^2-\frac{1}{{\mathrm{cos\θ}}_e}\underset{n\≠0}{\Σ}{\left|\frac{A_n}{P_e}\right|}^2\sqrt{1-{({\mathrm{sin\θ}}_e+n\mathrm{\λ}/T)}^2}$ 确定吸声性能、计算吸声系数频谱α(θ_e)，经声有限元数值验证和实验验证表明，该预测方法精度高，且预测速度相对声有限元数值计算的速度快至少5倍，可在设计阶段避免大量的数值仿真和实验样品制作与测量，以节约设计成本、缩短设计周期。

本发明的再一个有益之处在于为宽频带微穿孔板吸声体提供了一种结构设计方法，该设计方法从待解决的实际问题出发，确定出吸声体若干个“并联”的深度互不相等的子背腔；然后基于上述吸声性能预测方法，以“微穿孔板与空气的相对声阻抗约等于1”、“周期性背腔结构在一个周期内的总宽度不大于中频段400Hz的1/4倍波长”、背腔深度越浅，有效吸声频谱范围越向高频移动，反之，有效吸声频谱范围越向低频移动”、及“板厚越大，吸声系数越小，吸声频带越向低频移动；孔径越大，吸声频带越向低频移动；穿孔率越大，吸声频带越向高频移动，吸声系数越小”的参数调整原则，确定微穿孔板和板后背腔的参数组合，设计出以满足“实际的吸声需求”为目的的宽频带高性能微穿孔板吸声体。

附图说明

下面结合附图，以及按照本发明所述设计的宽频带微穿孔板吸声体的实例，作进一步的实施方式说明。

图1是按本发明所述设计的宽频带微穿孔板吸声体结构的初步设计实例示意图；

图2是按本发明所述设计的宽频带微穿孔板吸声体结构的初步设计实例剖面A-A示意图；

图3是按本发明所述设计的宽频带微穿孔板吸声体的实例的正入射吸声系数曲线；

图4是按本发明所述设计的宽频带微穿孔板吸声体结构优化后的设计实例示意图；

图5是按本发明所述设计的宽频带微穿孔板吸声体结构优化后的设计实例剖面B-B示意图；

图6是按本发明所述设计的宽频带微穿孔板吸声体结构实例的有限元仿真分析的网格化模型；

图7是按本发明所述设计的宽频带微穿孔板吸声体的实例实验具体实施的原理图。

具体实施方式

实施例1

一种宽频带微穿孔板吸声体，包括：微穿孔板1，在微穿孔板1上设有深度各不相同的子背腔，且所述子背腔立于微穿孔板1，与相邻微穿孔板1的侧面相触及。在本实施例中，在微穿孔板1上设有6个深度各不相同的子背腔。

实施例2

一种宽频带微穿孔板吸声体的性能预测方法，所述性能由吸声系数频谱α(θ_e)表征，所述吸声系数频谱α(θ_e)由公式1得到，

$\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_e\right)=1-{\left|\frac{A_0}{P_e}\right|}^2-\frac{1}{{\mathrm{cos\θ}}_e}\underset{n\≠0}{\Σ}{\left|\frac{A_n}{P_e}\right|}^2\sqrt{1-{({\mathrm{sin\θ}}_e+n\mathrm{\λ}/T)}^2}$ 公式1

式中，θ_e表示声波的入射角，θ_e＝0°表示正入射；P_e为有效声压，取值为1Pa；A_n为振幅系数，n为整数且n＝…，-2，-1，0，1，2，…；λ为声波波长，λ＝c/f，单位m，c为声音在空气中的传播速度，f表示声音的频率，单位Hz；T表示周期性背腔结构的周期宽度，N为一个周期内子背腔的数量，L_i表示各个子背腔的宽度，单位：米，通常，子背腔的宽度包括分隔构件和空腔的宽度之和，此处默认各子背腔的宽度相等。

在本实施例中，

所述振幅系数A_n采用公式2得到：

${\mathrm{cos\θ}}_e{P}_e-\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\γ}}_n}{k_0}{A}_n{e}^{-jxn2\mathrm{\π}/T}=F\left(x\right)\[P_e+\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}{A}_n{e}^{-jxn2\mathrm{\π}/T}\]$ 公式2

其中：

γ_n为吸声体表面竖直方向的空间谐波的波数：

${\mathrm{\γ}}_n=-{\mathrm{jk}}_0\sqrt{{({\mathrm{sin\θ}}_e+n\frac{\mathrm{\λ}}{T})}^2-1}$ 公式3

j表示虚数单位，k₀＝ω/c表示波数，ω＝2πf表示角频率，f表示声音的频率，单位Hz；

F(x)是吸声体的等效表面导纳，且，

$F\left(x\right)=\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}g*e^{-jn(2\mathrm{\π}/T)x};g=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}G\left(x\right)e^{+jn(2\mathrm{\π}/T)x}dx.$ 公式4

g为变量，G(x)为子背腔的表面导纳且Z_mpp为微穿孔板的表面相对声阻抗，ζ(l_m)为板后子背腔的相对声阻抗，l_m表示微穿孔板板后各个子背腔的深度，m＝1，2...N，N表示一个周期的子背腔的数量，Z_mpp可根据马大猷院士提出的微穿孔板阻抗计算理论求得；ζ(l_m)根据[P.M.MorseandK.Ingard，TheoreticalAcoustics，(McGraw-Hill，NewYork，1968)]中狭窄腔体阻抗计算理论求出。

本预测方法会使用到的常数如表1所示：

表1.预测方法所需常数表

常数名	常数定义	取值
			c	声音在空气中的传播速度	344m/s
Pe	单位有效声压	1Pa

n	整数	…，-2，-1，0，1，2，…
			j	虚数单位	-1

实施例3

一种利用性能预测方法进行吸声体设计的结构设计方法，包括以下步骤：

步骤1取得拟被吸收的声频谱，进而取得所述吸声系数频谱中目标有效吸声频谱范围，通常认为吸声系数在0.45以上的吸声频带为有效吸声频谱范围；

步骤2选取微穿孔板及子背腔材料，设定微穿孔板表面声阻抗为空气声阻抗的0.5-1.5倍，采用微穿孔板声阻抗计算方法，确定微穿孔板参数穿孔直径d、板厚t和穿孔率巧的初值；

步骤3设计该吸声体的一个周期内的子背腔的深度矩阵，深度矩阵由如下式得出：

公式5

式中，表示背腔的深度矩阵，mod表示求余函数，N表示一个周期的子背腔的数量；

步骤4用实际应用环境可能的最大垂直安装空间深度除以空腔深度矩阵中的最大值，得到子背腔的单位深度的初值，并以“周期性背腔结构在一个周期内的总宽度不大于中频段400Hz的1/4倍波长”的原则，确定吸声体一个周期的总宽度；

步骤5基于吸声体的性能预测方法，验证并优化子背腔序列的单位深度，具体方法为：以步骤4确定的单位深度为计算初值，采用性能预测方法，得到计算初值所对应的吸声系数频谱α(θ_e)，从中预测出所对应的有效吸声频谱范围，如果所对应的有效吸声频谱范围能够覆盖目标有效吸声频谱范围，则进入步骤7；否则，以“背腔深度越浅，有效吸声频谱范围越向高频移动，反之，有效吸声频谱范围越向低频移动”为原则，调整单位深度大小，进入步骤6；

步骤6采用性能预测方法，得到调整后的单位深度所对应的吸声系数频谱α(θ_e)，从中预测出所对应的有效吸声频谱范围，如果所对应的有效吸声频谱范围能够覆盖目标有效吸声频谱范围，则进入步骤7；否则，以“背腔深度越浅，有效吸声频谱范围越向高频移动，反之，有效吸声频谱范围越向低频移动”为原则，再调整单位深度大小，并重复步骤6；

步骤7从所对应的有效吸声频谱范围能够覆盖目标有效吸声频谱范围的吸声系数频谱α(θ_e)中，取得最大吸声系数，如果最大吸声系数大于0.9，则以产生最大吸声系数大于0.9的吸声系数频谱α(θ_e)所对应的微穿孔板板厚t、孔径d、穿孔率σ及周期性背腔结构的吸声体总宽度、各个子背腔的深度为吸声体的最终结构参数；否则，则进入步骤8；

步骤8以“板厚越大，吸声系数越小，吸声频带越向低频移动；孔径越大，吸声频带越向低频移动；穿孔率越大，吸声频带越向高频移动，吸声系数越小”为原则，调整微穿孔板的板厚t，孔径d和穿孔率σ，采用性能预测方法再次试算吸声体的最新吸声系数频谱并取得当前最大吸声系数，如果当前最大吸声系数大于0.9，则以产生当前最大吸声系数大于0.9的吸声系数频谱α(θ_e)所对应的微穿孔板板厚t、孔径d、穿孔率σ及周期性背腔结构的吸声体总宽度、各个子背腔的深度为吸声体的最终结构参数；否则，重复步骤8。

下面对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

根据吸声体的使用环境，明确了以下几点要求：①使用环境为室内声学装饰的音质设计，所需吸声体应防潮防水、同时能承受一定的表面压力；②要求吸声系数大于0.45的有效吸声频谱范围为450Hz～3000Hz；③最大垂直安装空间不超过100mm；

根据以上三点要求，初步选择微穿孔板穿的板材为0.4mm厚的铝合金板，背腔结构的板材为1mm厚铝合金板；微穿孔板的穿孔直径d＝0.4mm、板厚t＝0.4mm、穿孔率σ＝1.8％；

基于二次剩余序列组合排列理论的公式，取N＝6，计算得到包含6个子背腔的深度矩阵为：[1，4，2，2，4，1]；

用已确定的最大的深度限制100mm除以背腔深度矩阵中的最大值：4，得到背腔的单位深度H₀＝25mm，进而得到各个背腔的深度初值序列为[25mm，100mm，50mm，50mm，100mm，25mm]；已知声音频率为400Hz时的波长约为860mm，1/4倍波长为215mm，根据此限值，选择子背腔的宽度均为15mm，单个周期背腔的总宽(加分隔的厚度)为97mm，小于215mm，满足要求。所得初步设计实例如图1和图2所示，包括均布微孔的微穿孔板1深度互不相等的背腔2～7；

使用本发明所述的吸声性能预测方法对初步设计实例的吸声性能进行预测，结果如图3曲线A所示，其吸声系数大于0.45的有效吸声频谱范围为420-2250Hz，不符合设计要求中的目标有效吸声频谱范围，需对背腔的单位深度进行调整和优化。结合图4和图5所示，其具体的方法为：微穿孔板1参数不变，将六个子背腔2～7分为前后两组，将原有的单位深度H₀＝25mm作为第一组背腔的单位深度，另增加H₁＝5mm作为第二组背腔的单位深度。故背腔的深度序列变化为[25mm，100mm，50mm，10mm，20mm，5mm]，各子背腔的深度互不相等，有利于拓宽吸声体的有效吸声频谱范围；

再次使用本发明所述的吸声性能预测方法对单位深度优化后的设计实例进行吸声性能预测，其结果如图3曲线B所示，可以看到：相比初步设计实例的吸声性能曲线A，优化后的设计实例吸声性能在有效吸声带宽上得到很大程度的提升，吸声系数大于0.45的频率范围为440Hz～3500Hz以上，已覆盖设计要求中的目标有效吸声频谱范围；

从已得的吸声系数频谱中，取得最大吸声系数为0.97，已大于0.9。故以上调整所得的参数组合，微穿孔板：d＝0.4mm、t＝0.4mm、σ＝1.8％；背腔：数量6个、深度序列：[25mm，100mm，50mm，10mm，20mm，5mm]、背腔宽度：15mm，总宽97mm，可确定为吸声体的最终结构参数。

上述实例设计过程中，同时还针对优化后的设计实例参数进行了有限元数值仿真和1∶1实验样品测量工作，以对比和验证本发明所述设计方法的准确性和可靠性。图6是有限元数值仿真的网格化模型，包括微穿孔板1，6个子背腔即子背腔2、子背腔3、子背腔4、子背腔5、子背腔6及子背腔7，平面波入射阻抗管8；图7是实验样品正入射吸声系数测量中的实物原理图，包括计算机处理器9、信号处理器10、功率放大器11、扬声器12、麦克风13和实验样品14。如图3所示，优化后的设计实例的吸声性能的预测计算结果(曲线B)，有限元数值仿真结果(图3曲线C)和实验测量结果(图3曲线D，受限于样品和阻抗管的尺寸，可靠的实验测量结果局限于1700Hz以下)三者能很好的交互验证上。该结果表明，本发明所述的宽频带微穿孔板吸声体吸声性能优越，吸声系数大于0.45的频率范围可达到440Hz～3500Hz以上；本发明所述吸声体吸声性能预测准确可靠；所述结构设计方法能简便易行的设计出具有不等深度背腔结构的宽频带高性能微穿孔板吸声体，满足多数噪声控制与室内声装修场合(如开放式办公室天花板与侧墙的吸声装修)的需求。

Claims (5)

1.一种宽频带微穿孔板吸声体，包括：微穿孔板(1)，其特征在于，在微穿孔板(1)上设有深度各不相同的子背腔，且所述子背腔立于微穿孔板(1)上，与相邻微穿孔板(1)的侧面相触及。

2.根据权利要求1所述的宽频带微穿孔板吸声体，其特征在于，在微穿孔板(1)上设有6个深度各不相同的子背腔。

3.一种权利要求1所述宽频带微穿孔板吸声体的性能预测方法，所述性能由吸声系数频谱α(θ_e)表征，其特征在于，所述吸声系数频谱α(θ_e)由公式1得到，

$\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_e\right)=1-{\left|\frac{A_0}{P_e}\right|}^2-\frac{1}{{\mathrm{cos\θ}}_e}\underset{n\≠0}{\Σ}{\left|\frac{A_n}{P_e}\right|}^2\sqrt{1-{({\mathrm{sin\θ}}_e+n\mathrm{\λ}/T)}^2}$ 公式1

式中，θ_e表示声波的入射角，θ_e＝0°表示正入射；P_e为有效声压，取值为1Pa；A_n为振幅系数，n为整数且n＝…，-2，-1，0，1，2，…；λ为声波波长，λ＝c/f，单位m，c为声音在空气中的传播速度，f表示声音的频率，单位Hz；T表示周期性背腔结构的周期宽度，N为一个周期内子背腔的数量，L_i表示各个子背腔的宽度，单位：米。

4.根据权利要求3所述的性能预测方法，其特征在于，所述振幅系数A_n采用公式2得到：

${\mathrm{cos\θ}}_e{P}_e-\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\γ}}_n}{k_0}{A}_n{e}^{-jxn2\mathrm{\π}/T}=F\left(x\right)\[P_e+\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}{A}_n{e}^{-jxn2\mathrm{\π}/T}\]$ 公式2

其中：

γ_n为吸声体表面竖直方向的空间谐波的波数：

${\mathrm{\γ}}_n=-{\mathrm{jk}}_0\sqrt{{({\mathrm{sin\θ}}_e+n\frac{\mathrm{\λ}}{T})}^2-1}$ 公式3

j表示虚数单位，k₀＝ω/c表示波数，ω＝2πf表示角频率，f表示声音的频率，单位Hz；

F(x)是吸声体的等效表面导纳，且，

$F\left(x\right)=\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}g*e^{-jn(2\mathrm{\π}/T)x};g=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}G\left(x\right)e^{+jn(2\mathrm{\π}/T)x}dx.$ 公式4

g为变量，G(x)为子背腔的表面导纳且为微穿孔板的表面相对声阻抗，ζ(l_m)为板后子背腔的相对声阻抗，l_m表示微穿孔板板后各个子背腔的深度，m＝1，2...N，N表示一个周期的子背腔的数量。

5.一种利用权利要求3所述性能预测方法进行吸声体设计的结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1取得拟被吸收的声频谱，进而取得所述吸声系数频谱中目标的有效吸声频谱范围；

步骤2选取微穿孔板及子背腔材料，设定微穿孔板表面声阻抗为空气声阻抗的0.5～1.5倍，采用微穿孔板声阻抗计算方法，确定微穿孔板参数穿孔直径d、板厚t和穿孔率σ的初值；

步骤3设计该吸声体的一个周期内的子背腔的深度矩阵，深度矩阵由下式得出：

公式5

式中，表示背腔的深度矩阵，mod表示求余函数，N表示一个周期的子背腔的数量；

步骤4用实际应用环境可能的最大垂直安装空间深度除以空腔深度矩阵中的最大值，得到子背腔的单位深度的初值，并以“周期性背腔结构在一个周期内的总宽度不大于中频段400Hz的1/4倍波长”的原则，确定吸声体一个周期的总宽度；

步骤5基于吸声体的性能预测方法，验证并优化子背腔序列的单位深度，具体方法为：以步骤4确定的单位深度为计算初值，采用性能预测方法，得到计算初值所对应的吸声系数频谱α(θ_e)，从中预测出所对应的有效吸声频谱范围，如果所对应的有效吸声频谱范围能够覆盖目标有效吸声频谱范围，则进入步骤7；否则，以“背腔深度越浅，有效吸声频谱范围越向高频移动，反之，有效吸声频谱范围越向低频移动”为原则，调整单位深度大小，进入步骤6；

步骤6采用性能预测方法，得到调整后的单位深度所对应的吸声系数频谱α(θ_e)，从中预测出所对应的有效吸声频谱范围，如果所对应的有效吸声频谱范围能够覆盖目标有效吸声频谱范围，则进入步骤7；否则，以“背腔深度越浅，有效吸声频谱范围越向高频移动，反之，有效吸声频谱范围越向低频移动”为原则，再调整单位深度大小，并重复步骤6；

步骤7从所对应的有效吸声频谱范围能够覆盖目标有效吸声频谱范围的吸声系数频谱α(θ_e)中，取得最大吸声系数，如果最大吸声系数大于0.9，则以产生最大吸声系数大于0.9的吸声系数频谱α(θ_e)所对应的微穿孔板板厚t、孔径d、穿孔率σ及周期性背腔结构的吸声体总宽度、各个子背腔的深度为吸声体的最终结构参数；否则，则进入步骤8；

步骤8以“板厚越大，吸声系数越小，吸声频带越向低频移动；孔径越大，吸声频带越向低频移动；穿孔率越大，吸声频带越向高频移动，吸声系数越小”为原则，调整微穿孔板的板厚t，孔径d和穿孔率σ，采用性能预测方法再次试算吸声体的最新吸声系数频谱并取得当前最大吸声系数，如果当前最大吸声系数大于0.9，则以产生当前最大吸声系数大于0.9的吸声系数频谱α(θ_e)所对应的微穿孔板板厚t、孔径d、穿孔率σ及周期性背腔结构的吸声体总宽度、各个子背腔的深度为吸声体的最终结构参数；否则，重复步骤8。