CN112530394B - 应用于水介质中的沉孔式微穿孔板、及微穿孔吸声结构、及其吸声系数计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于水介质中的沉孔式微穿孔板、及微穿孔吸声结构、及其吸声系数计算方法。本发明沉孔式微穿孔板包括板体，所述板体上开有多个贯通的穿孔单元，所述穿孔单元包括至少位于一侧板体上的沉孔、以及与沉孔底部连通的微穿孔。本发明微穿孔吸声结构包括沉孔式微穿孔板和背板，所述微穿孔板与背板之间设有由侧板围成的空腔结构。本发明沉孔式微穿孔板结构简单、易于加工、刚性好、吸声频率范围灵活可调、适应性好。本发明应用于水介质中的微穿孔吸声结构特别适用于水介质中的吸声处理。本发明吸声系数计算方法考虑了结构与水介质之间的结构‑声耦合作用，能够满足在水介质中对微穿孔吸声结构吸声系数计算需求，计算结果更加准确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及水介质吸声领域，具体的说是一种应用于水介质中的沉孔式微穿孔板、及微穿孔吸声结构、及微穿孔吸声结构的吸声系数计算方法。
背景技术
微穿孔吸声结构常用于空气介质中噪声控制领域，微穿孔板主要是在薄板上开出多个微穿孔，与背腔形成吸声结构，利用空气介质在微穿孔中的粘滞损耗作用达到吸声效果。通常微穿孔直径在丝米级，微穿孔板为非金属材质或金属材质，受微穿孔加工工艺限制，现有的微穿孔孔深有限，仅适用于板厚在1mm以下的薄板。微穿孔吸声结构的研究和应用主要集中在空气介质中，其在水介质中的应用潜力有待发掘。与空气介质不同，水的特性声阻抗与常用工程结构材料(金属材料和塑料等)的声阻抗相差不大，尤其在微穿孔板较薄的情况下，微穿孔板和水介质的结构-声耦合作用更为明显，导致传统的微穿孔吸声结构因阻抗不足难以实现吸声效果，同时，由于水介质中声波波长较长，传统刚性背腔微穿孔吸声结构的吸声频率较高，因此适用于空气中的吸声结构不适用于水介质中。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种用于水介质中的结构极为简单、刚性好、特别适用于水介质中吸声、灵活可调、适应性好的沉孔式微穿孔板。
本发明还提供一种水介质中吸声效果优异的使用上述沉孔式微穿孔板的微穿孔吸声结构。
本发明还提供一种用于在就用于水介质中的微穿孔吸声结构的吸声系数计算方法。
本发明应用于水介质中的沉孔式微穿孔板包括板体，所述板体上开有多个贯通的穿孔单元，所述穿孔单元包括至少位于一侧板体上的沉孔、以及与沉孔底部连通的微穿孔。
所述穿孔单元包括位于板体两侧对应的上沉孔和下沉孔，以及两端分别与上、下沉孔底部连通的微穿孔。
所述沉孔的孔径不小于1mm，所述微穿孔孔径为0.02-0.4mm。
所述沉孔的孔深为5-20mm。
所述板体为不锈钢或白铜材料。
同一板体上的所述微穿孔的孔径相同或不同，孔深相同或不同。
同一板体上的所述微穿孔孔径具有两种或两种以上不同尺寸。
同一板体上的所述微穿孔孔深具有两种或两种以上不同尺寸。
一种微穿孔吸声结构，包括微穿孔板和背板，所述微穿孔板与背板之间设有由侧板围成的空腔结构，所述微穿孔板为所述的沉孔式微穿孔板。
所述背板厚度0.2-10mm，材质为不锈钢或白铜材料。
一种水介质中微穿孔吸声结构的吸声系数计算方法，利用声电类比法建立微穿孔板吸声结构的等效电路，所述等效电路为：微穿孔板与弹性背腔串联形成回路；微穿孔板的等效阻抗可以等效为微穿孔板结构阻抗和微穿孔声阻抗的并联，而弹性背腔的等效阻抗可以等效为背板结构阻抗和空腔结构的声阻抗的并联，
其中，微穿孔板的等效阻抗为：
ZMaa为微穿孔板的阻抗率：
其中，ω为角频率，ρ0和η分别为水介质的密度和动力粘滞系数，tmpp为微穿孔的深度，d为微穿孔直径，为穿孔常数，σ为微穿孔板的穿孔率； Zmpp和Zp分别为微穿孔板和背板的结构阻抗，
其中，
和/>为微穿孔板或背板的第m阶模态向量和模态阻抗，a为微穿孔板或背板的半径，/>和/>为微穿孔板或背板的m阶模态阻尼和模态频率，
Dmpp,p和ρmpp,p为微穿孔板或背板的弯曲刚度和面密度。其中，
ρmpp＝[(1-σ′)t′mpp+σ′tmpp]ρ′mpptp为弹性背板的厚度，E和v分别为材料的弹性模量和泊松比，f1,0为沉孔式微穿孔板的基频，t′mpp为沉孔式微穿孔板总厚度，ρ′mpp为材料的密度，σ′为沉孔的穿孔率。当微孔孔深等于板厚时，t′mpp＝tmpp，ρmpp＝ρ′mpp。
则微穿孔吸声结构的输入阻抗为：
其中，ZD＝-jcot(kD)为空腔结构的声阻抗，k为波数，D为空腔深度。得到微穿孔吸声结构的垂直入射吸声系数为：
其中，Z0＝ρ0c0为水介质的特性声阻抗。
发明人发现将现有用于空气介质中的微穿孔板直接置于水介质中的吸声效果不佳，经过深入分析发现，这是由于微穿孔板相对于水介质结构阻抗不足、刚性不佳带来的，对于同种材料而言，在开孔数不变的前提下，只能通过增加板材厚度来提高刚性，但由于微孔穿孔径极小，受微穿孔开孔工艺的限制，无法在过厚的板材上打出微穿孔。为解决上述技术问题，发明人对厚板材的开孔结构进行改进，巧妙的采用沉孔和微孔配合形成贯穿板材的穿孔单元。沉孔不同于微孔，具有孔径大的特点，因此可以方便在较厚板材上打出任意深度的沉孔，在沉孔的基础上再打出微穿孔，就可以得到同时满足刚性要求及吸声要求的、适用于水介质吸声的沉孔式微穿孔板。所述沉孔和微孔配合的穿孔单元可以为多种结构形式，如采用一个沉孔对应一个微穿孔的结构形式，优选还可以采用一个微穿孔两端连通上、下两个沉孔的对称结构形式，这种结构形式具有更好的结构对称性，所建立的沉孔板的动力学模型更为精确。采用本发明的穿孔单元适用于不同厚度的板材，可根据刚性要求自由选择合适厚度的板材，兼顾微穿孔的加工性能限制的前提下，解决了现有微穿孔板刚性不足导致在水介质中的吸声效果不佳的问题。具体的，沉孔孔径大小并不作特别限制，只要满足沉孔的加工性能和微孔排布间距要求即可，优选沉孔不小于1mm；所述板体材料并不特限定，满足水下耐腐蚀、抗压性能的各种材料，如不锈钢、白铜、钛合金、陶瓷等，优选为不锈钢和白铜；所述沉孔可以为方孔、圆孔或其它有利于加工的孔形；所述沉孔的底面可以为平面或下沉的锥面。
所述背板可以采用与微穿孔板相同或不同的材料，优选使用具有一定弹性的背板，关于增加背板弹性的方法，在不改变材料的前提下，可以通过减少背板厚度、或者是改变背板的边界条件(如由固支边界改成简支边界等)等实现。
进一步的，现有技术中由于板材厚度均一，其微穿孔开孔孔径可调，但深度必须与板材的厚度完全一致，不可能出现两种以上不同深度尺寸的微穿孔，导致灵活适应性差。而本发明中，申请人发现，由于沉孔的深度可自由调节，这就意味着在同一块板体上可根据吸声效果需要，在微穿孔加工性能许可的前提下，可以设计两种或两种以上不同深度尺寸的微穿孔，不同吸声频率的微穿孔组合可以取得更宽频的吸声效果，进一步提高本发明微穿孔板灵活性、适应性和吸效果。
本发明所述沉孔式微穿孔板与背板和侧板一起组成的水介质中的微穿孔吸声结构可以很好提高结构阻抗，解决了微穿孔板相对水介质结构阻抗不足，无法实现吸声的问题；背板的弹性作用使微穿孔吸声结构的吸声峰向低频移动，提高最大吸声系数，改善弹性微穿孔吸声结构低频吸声效果，实现其在水介质中有效吸声的目的。
有益效果：
本发明沉孔式微穿孔板结构极为简单、易于加工、刚性好、具有更宽的吸声频率范围、灵活可调、适应性好。本发明应用于水介质中的微穿孔吸声结构特别适用于水介质中的吸声处理。本发明计算方法考虑了结构和水介质之间的耦合作用，能够满足在水介质中对微穿孔吸声结构吸声系数计算需求，计算结果更加准确可靠。
附图说明
图1为本发明沉孔式微穿孔板实施例1的剖视图。
图2为图1的局部放大图；
图3为沉孔底面形状的另一示意图；
图4为不同深度微穿孔的示意图；
图5为实施例1的俯视图；
图6为本发明沉孔式微穿孔板实施例2的剖视图；
图7为本发明水介质中的微穿孔吸声结构的结构示意图；
图8为利用声电类比法建立弹性沉孔式微穿孔板吸声结构的等效电路图；
图9为两种方法计算得到试样A1的吸声系数曲线示意图；
图10为本发明吸声结构试样B1、B2和B3的吸声系数曲线示意图；
图11为本发明吸声结构的试样C1和C2的吸声系数曲线示意图。
图12为本发明吸声结构的试样D1和D2的吸声系数的理论和试验对比示意图。
其中，1-板体、2-沉孔、2.1-上沉孔、2.2-下沉孔、3-微穿孔、4-沉孔式微穿孔板、5-侧板、6-背板、7-空腔结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步解释说明：
沉孔式微穿孔板实施例1：
参见图1、图2和图4，本发明沉孔式微穿孔板包括板体1，所述板体1上开有多个贯通的穿孔单元，所述穿孔单元包括至少位于一侧板体上的沉孔2、以及与沉孔2底部连通的微穿孔3。所述板体1为不锈钢或白铜材料；优选的，考虑到可加工性，所述沉孔的孔径不小于1mm，所述沉孔2的孔深为5-20mm；所述微穿孔孔径为0.02-0.4mm。本实施例中沉孔5的底面为平面，参见图3，根据加工的需要，所述沉孔5的底面还可以为锥面；
同一板体上的所述微穿孔3的孔径相同或不同，孔深相同或不同。本实施例中图1中微穿孔3的孔深和孔径相同，图4中为列举出的同一板体上不同孔深的微穿孔3。
沉孔式微穿孔板实施例2：
参见图5，本实施例中，所述穿孔单元包括位于板体两侧对应的上沉孔2.1 和下沉孔2.2，以及两端分别与上、下沉孔2.1、2.2底部连通的微穿孔3。其余同实施例1。
沉孔式微穿孔板实施例3：
参见图6，本实施例中，本实施例中所述微穿孔具有两种不同尺寸的孔深，其余同施例1。
应用于水介质中的微穿孔吸声结构实施例1：
参见图7，本发明吸声构由实施例1所述的沉孔式微穿孔板4和背板6，所述沉孔式微穿孔板4和背板6之间为由侧板5围成的空腔结构7，优选的背板厚度0.2-10mm。
水介质中微穿孔吸声结构的吸声系数计算方法：
利用声电类比法建立微穿孔板吸声结构的等效电路(如图8所示)，其中，微穿孔板与弹性背腔(包括背板6和空腔结构7)串联形成回路，微穿孔板的等效阻抗可以等效为微穿孔板结构阻抗Zmpp和微穿孔声阻抗ZMaa的并联，而弹性背腔的等效阻抗可以等效为背板结构阻抗Zp和空腔结构的声阻抗ZD的并联。其中，微穿孔板的等效阻抗Zd为：
ZMaa为微穿孔板的阻抗率：
其中，ω为角频率，ρ0和η分别为水介质的密度和动力粘滞系数，tmpp为微穿孔的深度，d为微穿孔直径，为穿孔常数，σ为微穿孔板的穿孔率；
Zmpp和Zp分别为微穿孔板和背板的结构阻抗，
其中，
和/>分别为微穿孔板或背板的第m阶模态向量和模态阻抗，a为微穿孔板或背板的半径，，/>和/>分别为微穿孔板或背板的m阶模态阻尼和模态频率，
Dmpp,p和ρmpp,p为微穿孔板或背板的弯曲刚度和面密度。其中，
ρmpp＝[(1-σ′)t′mpp+σ′tmpp]ρ′mpptp为弹性背板的厚度，E和v分别为材料的弹性模量和泊松比，f1,0为沉孔式微穿孔板的基频，t′mpp为沉孔式微穿孔板总厚度，ρ′mpp为材料的密度，σ′为沉孔的穿孔率。特殊的，当微孔孔深等于板厚时，t′mpp＝tmpp，ρmpp＝ρ′mpp。
则微穿孔吸声结构的输入阻抗为：
得到微穿孔吸声结构的垂直入射吸声系数为：
其中，Z0＝ρ0c0为水介质的特性声阻抗。
对比实验1
以0.6mm厚的304不锈钢板制成的普通的微穿孔板(试样A1)为例，其杨氏模量E＝193GPa，密度ρ＝7930kg/m3，泊松比ν＝0.3，微穿孔直径为 d＝0.12mm，穿孔率为σ＝0.071％，孔深等于板厚，背腔(空腔结构)深度为 D＝30mm。利用本发明的吸声系数计算方法与现有的刚性微穿孔理论吸声系数计算方法(忽略结构-声耦合作用，微穿孔吸声结构的输入阻抗为Za＝ZMaa+ZD) 对采用上述微穿孔吸声结构的吸声系数进行对比，求解得到试样A1的吸声系数曲线对比如图9所示，可以发现，两种方法计算结构差别巨大，采用现有的刚性微穿孔理论得到的吸声系数曲线(101)在1000Hz-1500Hz的频率范围有较好吸声效果，而使用本发明的计算方法(102)在分析频段内几乎没有吸声效果。原因在于，与空气介质不同，常用工程材料的特性阻抗与水介质的特性阻抗相差不多，当微穿孔板的结构阻抗不足够大时，微穿孔的吸声作用难以实现。由此说明，水下微穿孔板和水介质的结构-声耦合作用不容忽略。本发明提出的吸声系数计算方法考虑了结构和水介质之间的耦合作用，能够满足水介质中微穿孔吸声结构吸声系数计算需求。
对比实验2：
微穿孔板采用沉孔式微穿孔板实施例1，为在厚度为t′mpp板体1上面加工直径为d0沉孔2，然后在剩余厚度为tmpp的孔沉孔2底面加工微穿孔3。
设置一组不同厚度的沉孔式微穿孔板，沉孔直径为d0＝2mm，微穿孔深度为 tmpp＝0.6mm，微穿孔板厚度分别为t′mpp＝3mm、5mm、10mm(分别为试样B1、B2、 B3)。采用本发明计算方法对分别采用上述三种试样的本发明微穿孔吸声结构(图 7所示)进行吸声系数进行计算，曲线如图10所示。
从图中可以发现，随着沉孔式微穿孔板4厚度的增加，其吸声系数曲线逐渐趋近于刚性微穿孔板的吸声系数曲线；减小沉孔式微穿孔板的弯曲刚度，其吸声峰向低频方向移动，但是，过小的刚度会导致沉孔式微穿孔板结构阻抗不足，吸声效果变差。
对比实验3：
由于水介质中声波波长较长，传统刚性背腔微穿孔吸声结构的吸声频率较高。为降低吸声频率，本发明微穿孔吸声结构的弹性背腔由弹性较好的背板和空腔结构构成，设置一组具有相同材料、不同厚度的背板的微穿孔吸声结构，背板厚度分别为tp＝3mm、2mm(试样C1、C2)，对比本发明提出的弹性背腔微穿孔吸声结构和现有刚性背腔吸声结构的吸声系数曲线如图11所示。
从图中可以看出，相较刚性背腔吸声结构(121)，具有弹性背板的微穿孔板吸声结构(122、123)的吸声峰向低频移动，最大吸声系数也得到提高；随着背板厚度的减小，其吸声峰向更低频率移动。由此说明，本发明的背板能够有效地提高沉孔式弹性微穿孔吸声结构在低频段的吸声系数。
对比实验4：
为了验证本发明的微穿孔吸声结构吸声效果和吸声系数计算方法，通过在水介质阻抗管中试验测量了两组本发明微穿孔吸声结构(试样D1、D2)的吸声系数，其中试样D1中微穿孔板的厚度为t′mpp＝9.5mm，微穿孔深度为tmpp＝1.0mm，微穿孔直径为d＝0.175mm，背板厚度为tp＝20mm，背腔深度为D＝100mm；试样D2的厚度为t′mpp＝5.5mm，微穿孔深度为tmpp＝1.1mm，微穿孔直径为 d＝0.205mm，背板厚度为tp＝3mm，背腔深度为D＝100mm。理论结果和试验结果对比如图12所示。
由图中可以看出，理论结果(131、133)与试验结果(132、134)吻合良好，证明了本发明水介质中沉孔式弹性微穿孔吸声结构具有良好的低频吸声效果，也证明本发明沉孔式弹性微穿孔吸声结构的吸声系数计算方法准确可行。
Claims (9)
1.一种应用于水介质中的沉孔式微穿孔板，包括板体，其特征在于，所述板体上开有多个贯通的穿孔单元，所述穿孔单元包括至少位于一侧板体上的沉孔、以及与沉孔底部连通的微穿孔；所述沉孔的孔径不小于1mm，所述微穿孔孔径为0.02-0.4mm。
2.如权利要求1所述的应用于水介质中的沉孔式微穿孔板，其特征在于，所述穿孔单元包括位于板体两侧对应的上沉孔和下沉孔，以及两端分别与上、下沉孔底部连通的微穿孔。
3.如权利要求1或2所述的应用于水介质中的沉孔式微穿孔板，其特征在于，所述沉孔的孔深为5-20mm。
4.如权利要求1或2所述的应用于水介质中的所述的沉孔式微穿孔板，其特征在于，所述板体为不锈钢或白铜材料。
5.如权利要求1或2所述的应用于水介质中的沉孔式微穿孔板，其特征在于，同一板体上的所述微穿孔的孔径相同或不同，孔深相同或不同；同一板体上的所述微穿孔孔径具有两种或两种以上不同尺寸。
6.如权利要求5所述的应用于水介质中的沉孔式微穿孔板，其特征在于，同一板体上的所述微穿孔孔深具有两种或两种以上不同尺寸。
7.一种微穿孔吸声结构，包括微穿孔板和背板，所述微穿孔板与背板之间设有由侧板围成的空腔结构，其特征在于，所述微穿孔板采用权利要求1-6任一项所述的沉孔式微穿孔板。
8.如权利要求7所述的微穿孔吸声结构，其特征在于，所述背板厚度0.2-10mm。
9.一种微穿孔吸声结构的吸声系数计算方法，其特征在于，利用声电类比法建立微穿孔板吸声结构的等效电路，所述等效电路为：微穿孔板与弹性背腔串联形成回路；将微穿孔板的等效阻抗等效为微穿孔板结构阻抗和微穿孔声阻抗的并联，而将弹性背腔的等效阻抗等效为背板结构阻抗和空腔结构的声阻抗的并联；
其中，微穿孔板的等效阻抗为：
ZMaa为微穿孔板的阻抗率：
其中，ω为角频率，ρ0和η分别为水介质的密度和动力粘滞系数，tmpp为微穿孔的深度，d为微穿孔直径，为穿孔常数，σ为微穿孔板的穿孔率；Zmpp和Zp分别为微穿孔板和背板的结构阻抗，
其中，
和/>为微穿孔板或背板的第m阶模态向量和模态阻抗，a为微穿孔板或背板的半径，/>和/>为微穿孔板或背板的m阶模态阻尼和模态频率，
Dmpp,p和ρmpp,p为微穿孔板或背板的弯曲刚度和面密度，其中，
ρmpp＝[(1-σ′)t′mpp+σ′tmpp]ρ′mpp
tp为弹性背板的厚度，E和ν分别为材料的弹性模量和泊松比，f1,0为沉孔式微穿孔板的基频，t′mpp为沉孔式微穿孔板总厚度，ρ′mpp为材料的密度，σ′为沉孔的穿孔率；
当微孔孔深等于板厚时，t′mpp＝tmpp，ρmpp＝ρ′mpp；
则微穿孔吸声结构的输入阻抗为：
其中，ZD＝-jcot(kD)为空腔结构的声阻抗，k为波数，D为空腔深度；
得到微穿孔吸声结构的垂直入射吸声系数为：
其中，Z0＝ρ0c0为水介质的特性声阻抗。
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