CN109584855B - 可调节吸声频率的蜂窝-微穿孔板复合结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调吸声频率蜂窝‑微穿孔板复合结构设计方法，根据微穿孔板穿孔率的改变对于微穿孔的吸声的影响方式，设计一种机械的转动结构来改变芯内微穿孔板实际参与吸声的穿孔数目，以达到改变其穿孔率的目的；结构按照多层微穿孔板理论进行处理。本发明蜂窝板可根据具体场景的需要，调节其对于中低频噪声的吸收峰值以达到最佳的降噪效果；可以单元的形式与普通蜂窝板进行混合装配，工程制造比较容易实现；在一板多用的情况下，还保持了蜂窝板所拥有的质轻的特点，在航空航天中都有着十分广泛的应用前景。

Description

可调节吸声频率的蜂窝-微穿孔板复合结构设计方法

技术领域

本发明属于蜂窝-微穿孔板复合结构设计的一种低噪声设计方法，特别涉及可调节吸声频率的蜂窝-微穿孔板复合结构设计方法。

背景技术

蜂窝夹层复合结构广泛应用于航空、建筑工程领域，因此研究蜂窝夹层复合板结构的噪声特性以及低噪声设计方法，以期其在该领域得到更广泛应用，对蜂窝夹层复合板结构的减振降噪具有重大意义。现有的普通圆形蜂窝夹层板结构(如图1所示)是由上表面板1与下表面板2中间夹有蜂窝芯6而组合构成，在中高频状态下具有隔声性能。对于应用于航空航天等领域的蜂窝夹层板结构一般处于中低频。而一般普通的蜂窝夹层板结构不具有中低频吸声性能。为了提高蜂窝夹层结构低频吸隔声性能，现阶段主要方法有结构内部添加吸声泡沫或阻尼材料，或者采用微穿孔板-蜂窝组合结构以及主动控制技术，但都难以实现吸声频带的可调。这对蜂窝夹层结构的应用就带来一定局限性。

由于蜂窝夹层复合结构自身具有隔声性能，再借助微穿孔吸声结构，就可形成蜂窝-微穿孔复合结构，是提高蜂窝结构低频吸声性能的有效途径。近年来，众多学者对此展开了深入研究。由微穿孔板吸声原理可知，微穿孔板结构的穿孔率大小影响结构吸声性能，即吸声系数和吸声频率。

从现有研究成果来看，当蜂窝-微穿孔复合结构一旦形成，要想不改变蜂窝-微穿孔复合结构内部形状，难以实现随时可调节复合结构吸声系数和吸声频带。当在微穿孔板结构安置一个旋转装置，从外部通过机构连接旋转装置，可随时改变微穿孔板结构穿孔率，从而达到可调吸声频率的目的。

蜂窝-微穿孔复合结构较一般结构特殊，主要是其微穿孔部分起较大吸声作用。因此在不改变蜂窝-微穿孔复合结构整体布局的情况下，直接通过改变微穿孔板穿孔率可使蜂窝-微穿孔复合板结构实现可调吸声频率，从而有效控制噪声。

发明内容

本发明针对蜂窝-微穿孔复合结构受到自上而下的垂直激励情况，设计一种通过在微穿孔板下部连接一个装置，该装置通过机构连接到蜂窝-微穿孔复合结构外部，通过调节外部机构带动微穿孔板下部特殊装置旋转，从而改变微穿孔板的穿孔率，达到改变蜂窝-微穿孔复合结构吸声系数和吸声频率的目的，有效提升蜂窝-微穿孔复合结构降噪能力。

本发明解决其技术问题采用以下技术方案。可调吸声频率蜂窝-微穿孔板复合结构设计方法，蜂窝夹层板由上表面板与下表面板及其中间夹有的蜂窝芯组合构成，在上表面板设置有穿孔，蜂窝芯内部设置有微穿孔板，微穿孔板的下面设置有调节板，调节板的下方中心固定连接有刚性杆，刚性杆垂直穿过下表面板；设计步骤如下：

1)根据微穿孔板穿孔率的改变对于微穿孔的吸声的影响方式，对于微穿孔吸声体，在正入射时候的吸声系数设定为：

其中，声阻抗率：

Z＝R+jωM+Z_D (2)

用空气中的特性阻抗ρc归一化而得到相对声阻抗：

Z/ρc＝r+jωm-j·cot(ωD/c) (3)

其中，相对声阻r和相对声质量m分别为：

和

而穿孔板常数：

其中，μ为空气的运动粘度系数，t为板厚，d为穿孔直径，D为腔厚，p是穿孔面积占全板面积的百分比，f是声音频率，板后空腔的声阻抗率为：

Z_D＝-jρc cot(ωD/c) (7)

微穿孔吸声体在共振时吸声系数达到最大值，此时，最大吸声系数值为；

吸声系数达到最大的频率即共振频率f₀满足：

2πf₀m-cot2(πf₀D/c)＝0 (9)

半吸收频带宽度为：

Δf/f₀＝(2πf₀D/c)·(1+r) (10)

由上述理论公式可知，穿孔率p减小时，相对声质量m增大，共振频率f₀减小，最大吸声系数α₀增大，即吸收频率向低频移动并变高；

2)基于上述α₀、f₀随p的变化规律，设计一种机械的转动结构来改变芯内微穿孔板实际参与吸声的穿孔数目，以达到改变其穿孔率的目的；其中，可通过微穿孔板密排即三角形排列时的穿孔率计算公式：

式中，B为孔间距，计算可得穿孔的具体分布位置参数方便挡板的设计；

3)根据公式(4)、(5)、(6)、(8)进行数值计算，当小孔直径d＝0.5mm、板厚t＝0.5mm时，计算得出穿孔率在5.5％以下时，微穿孔板在中低频中的最大吸声系数才能保持在0.5以上，由于该计算只考虑到最大吸声系数，则在实际设计中应相应的选取更低穿孔率的模型以使吸声系数为0.5时的带宽更宽，设计时依据这个原则进行处理；

4)由于微穿孔板吸声原理是空气分子携带声波传递的能量在小孔附近而来回摩擦消耗所达到能量吸收的，那么蜂窝板上表面板设计成为微穿孔板会更有利于吸声，结构按照多层微穿孔板理论进行处理；

设双层微穿孔吸声体两层微穿孔板m₁，r₁和m₂，r₂，其后空腔各为D₁和D₂，根据其等效电路，可求得双层串联结构的相对声阻抗：

当后腔共振频率较高时，可证双层微穿孔板结构的共振频率等于或低于由式(13)决定的值，

分析可知，使用双层串联结构时，r值增加，吸收频带向低频扩展。

进一步，所述调节板的中心为正多边形，正多边形每条边连接有条形片。

本发明相较以往的蜂窝板，具有以下优点：蜂窝板可根据具体场景的需要，调节其对于中低频噪声的吸收峰值以达到最佳的降噪效果；可以单元的形式与普通蜂窝板进行混合装配，工程制造比较容易实现；在一板多用的情况下，还保持了蜂窝板所拥有的质轻的特点，设计方法原理简单，只需在传统的蜂窝结构中部分添加该结构就可以起到可调节吸声峰值的特点。且实用性强，易操作推广，在航空航天中都有着十分广泛的应用前景。

附图说明

图1是普通圆形蜂窝夹层板结构示意图；

图2是本发明中上表面板1打有微穿孔的结构示意图；

图3是本发明中蜂窝芯6的纵向剖视图；

图4是本发明实施例中蜂窝芯6分布状态的结构俯视图；

图5是本发明中穿孔板3的平面结构示意图；

图6a是本发明中正多边形41与条形片42.组合结构设计参数图；

图6b是本发明中调节板4和穿孔板3组合状态的平面示意图；

图7是本发明中实施例数值仿真计算结果图。

图中：1.上表面板，2.下表面板，3.微穿孔板，4.调节板，41.正多边形，42.条形片，5.刚性杆，6.蜂窝芯。

具体实施方法

下面结合附图对本发明进行详细描述。参见图2至图7。

本发明为获得蜂窝夹层结构较好吸声特性，考虑在上表面板1加工有微穿孔(如图2所示)。在蜂窝夹层结构中取出一个蜂窝芯6，并在该蜂窝芯6内部添加一块微穿孔板3，微穿孔板3下面布置一个可旋转的调节板4，调节板4通过一根刚性杆5连接到下表面板2外部(如图3所示)。其中，微穿孔板3固定在蜂窝芯6中点处，穿孔率不宜过高或过低。材料可使用与上表面板1一致的铝板或其他质量较轻、容易加工、结构性能优良的金属或复合材料。

调节板4通过对微穿孔板3的小孔进行部分遮挡来达到改变微穿孔板3的穿孔率的目的。调节板4由中心正多边形41外边连接条形片42构成(如图6a所示)。设计时为使初始位置保证较高的穿孔率，结构形状可通过一系列外切小孔的线段或者曲线构成，同时为保证结构的强度和刚度，条形片42不宜过窄。

蜂窝夹层板的下表面板2根据安装调节机构的刚性杆5的位置进行相应打孔处理。刚性杆5和调节板4之间进行胶粘或焊接，并在下表面板2的外部固定刚性杆5的工作方向，使调节板4与微穿孔板3平行，刚性杆5的外端可粘接小齿轮以方便步进电机进行驱动旋转。

实施例：圆柱边界的密排蜂窝结构，蜂窝芯6分布状态俯视图如图4所示，纵向剖视图如图3所示。其中蜂窝芯6尺寸如下：内径5.7mm，高度60mm，厚度0.3mm。上、下表面板1、2的尺寸如下：半径18mm，厚度1mm，其中上表面板1的微孔直径d为0.5mm，其穿孔率为5％，下表面板2在中心穿一小孔供刚性杆5通过；本实施例只在中心位置设置单个蜂窝芯6内添加微穿孔板3和调节板4。

仿真时的求解域尺寸为：边界半径18mm，边界整体高度100mm，蜂窝夹层结构平稳放置于求解域最底端。

其中图5即为蜂窝芯6内固定位置的微穿孔板3，在图5中穿孔直径d＝0.5mm，孔间距B＝2.5mm，蜂窝芯内径R＝5.7mm,芯内微穿孔板3的穿孔率为3.65％，穿孔数为19。

图6a为实施例中调节穿孔率的调节板4的单元条形片42的设计参数，其中l₀＝1.2，l₁＝1.6，l₂＝3.72，l₃＝1.34，l₄＝2.33，l₅＝1.61，l₆＝1.45，单位均为mm。一个调节板4均匀分布六个条形片42分支，如图6b所示为调节板4安装在微穿孔板3上时的俯视图。

在芯内的微穿孔板3下面添加本发明所做(如图6b所示)的调节穿孔率的调节板4后，由于有部分遮挡，微穿孔板3的穿孔率为3.46％。当在初始位置逆时针旋转15°后，调节板4挡住了微穿孔板3的十二个孔，此时的微穿孔板3的穿孔率变为1.15％；当在初始位置顺时针旋转10°时，调节板4挡住了微穿孔板3的六个孔，此时微穿孔板3的穿孔率变为2.31％。

使用数值仿真软件COMSOL对上述实施例进行仿真得到吸声系数如图7所示。中心单个蜂窝芯添加微穿孔板3时，结构的吸声系数在950hz均有一个吸收峰，该吸收峰主要来自于上表面微穿孔板的吸声作用，当穿孔率减小时，由微穿孔板3带来的吸收峰向低频移动，符合理论结果。特别需要注意的是，当调到最低档1.15％时，结构对于750hz-2000hz以内的噪声都具有较好的吸收性能。

由此在实际使用时，当穿孔率保持1.15％档位时，此时蜂窝结构具有宽频吸声的特性；而当噪声向2450hz移动时，又可通过调节挡位使蜂窝结构始终对于该中低频噪声具有较好的吸声性能。利用本发明，可使蜂窝-微穿孔复合板结构实现可调吸声频率，从而有效控制噪声。

Claims (1)

1.可调吸声频率蜂窝-微穿孔板复合结构设计方法，蜂窝夹层板由上表面板与下表面板及其中间夹有的蜂窝芯组合构成，其特征在于，在上表面板设置有穿孔，蜂窝芯内部设置有微穿孔板，微穿孔板的下面设置有调节板，调节板的中心为正多边形，正多边形每条边连接有条形片，调节板的下方中心固定连接有刚性杆，刚性杆5垂直穿过下表面板；设计步骤如下：

1)根据微穿孔板穿孔率的改变对于微穿孔的吸声的影响方式，对于微穿孔吸声体，在正入射时候的吸声系数设定为：

其中，声阻抗率：

Z＝R+jωM+Z_D (2)

用空气中的特性阻抗ρc归一化而得到相对声阻抗：

Z/ρc＝r+jωm-j·cot(ωD/c) (3)

其中，相对声阻r和相对声质量m分别为：

和

而穿孔板常数：

其中，μ为空气的运动粘度系数，t为板厚，d为穿孔直径，D为腔厚，p是穿孔面积占全板面积的百分比，f是声音频率，板后空腔的声阻抗率为：

Z_D＝-jρc cot(ωD/c) (7)

微穿孔吸声体在共振时吸声系数达到最大值，此时，最大吸声系数值为；

吸声系数达到最大的频率即共振频率f₀满足：

2πf₀m-cot(2πf₀D/c)＝0 (9)

半吸收频带宽度为：

Δf/f₀＝(2πf₀D/c)·(1+r) (10)

由上述理论公式可知，穿孔率p减小时，相对声质量m增大，共振频率f₀减小，最大吸声系数α₀增大，即吸收频率向低频移动并变高；

2)基于上述α₀、f₀随p的变化规律，设计一种机械的转动结构来改变芯内微穿孔板实际参与吸声的穿孔数目，以达到改变其穿孔率的目的；其中，可通过微穿孔板密排即三角形排列时的穿孔率计算公式：

式中，B为孔间距，计算可得穿孔的具体分布位置参数方便挡板的设计；

3)根据公式(4)、(5)、(6)、(8)进行数值计算，当小孔直径d＝0.5mm、板厚t＝0.5mm时，计算得出穿孔率在5.5％以下时，微穿孔板在中低频中的最大吸声系数才能保持在0.5以上，由于该计算只考虑到最大吸声系数，则在实际设计中应相应的选取更低穿孔率的模型以使吸声系数为0.5时的带宽更宽，设计时依据这个原则进行处理；

4)由于微穿孔板吸声原理是空气分子携带声波传递的能量在小孔附近而来回摩擦消耗所达到能量吸收的，那么蜂窝板上表面板设计成为微穿孔板会更有利于吸声，结构按照多层微穿孔板理论进行处理；

设双层微穿孔吸声体两层微穿孔板m₁，r₁和m₂，r₂，其后空腔各为D₁和D₂，根据其等效电路，可求得双层串联结构的相对声阻抗：

当后腔共振频率较高时，可证双层微穿孔板结构的共振频率等于或低于由式(13)决定的值，

分析可知，使用双层串联结构时，r值增加，吸收频带向低频扩展。

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