CN116935821B - 宽频带微穿孔板pcd-mpp吸声体的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了宽频带微穿孔板PCD‑MPP吸声体的设计方法，该吸声体由单层微穿孔板MPP和并联不等深背腔PCD组成。首先根据噪声频谱特点确定该吸声体的目标吸声带宽；并基于单层MPP吸声体的半吸声带宽理论，确定PCD‑MPP吸声体的各共振频率；再根据PCD‑MPP与单层MPP吸声体的吸声理论，提出了基于共振频率的PCD‑MPP吸声体腔体深度的预测模型；随后通过调整腔体数量和各腔体深度，把直腔折叠为卷曲腔体，最终得到具有矩形截面的紧凑型宽带宽的PCD‑MPP吸声体，判断时若吸声系数不满足设计要求，则应考虑更多的共振频率设计值，以提升吸声低谷处的吸声系数。本发明可实现对目标噪声带宽的快速精准降噪，同时获得结构厚度薄、空间占用小的吸声体。

Description

宽频带微穿孔板PCD-MPP吸声体的设计方法
技术领域
本发明涉及声学降噪技术领域，具体为宽频带微穿孔板PCD-MPP吸声体的设计方法。
背景技术
微穿孔板MPP吸声体是由表面穿孔直径达到丝米级的穿孔板以及一定深度的共振腔组成，当声源发出的声音传递到微穿孔板的小孔时，孔径壁对传来的声音产生阻尼和摩擦作用，使传来的声能得到衰减，能量降低，这就是它的吸声原理。MPP吸声体具有结构简单、加工安装方便可靠、无需内敷多孔吸声材料等优点，改变穿孔率、孔径、板厚或背腔深度可获得不同的吸声特性。
然而，该吸声体的主要吸声带宽仅在共振吸声峰附近，无法在较宽的带宽上实现较高的吸声系数，这也使MPP吸声体在实际使用中受到了一定限制，为了拓宽其有效吸声带宽，在MPP板后设计不同深度的背腔是常用方法之一，但较深的背腔会使吸声体的厚度变大，结构不够紧凑，故在拓宽吸声带宽的同时，需尽可能减小吸声体的体积；其次，若能给出背腔深度与吸声体共振吸声峰带宽的定量关系，则可按需设计吸声体的背腔，实现针对性的吸声降噪。目前，针对具有并联不等深背腔的紧凑型微穿孔板吸声体的设计方法的发明专利还未曾发表。
发明内容
本发明的目的在于提供宽频带微穿孔板PCD-MPP吸声体的设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：宽频带微穿孔板PCD-MPP吸声体的设计方法，该设计方法所采用的吸声体由单层微穿孔板MPP和并联不等深背腔PCD组成，
该设计方法包括以下步骤：
步骤1，对实际噪声进行测量，把噪声峰值所在的频率范围作为PCD-MPP吸声体的目标吸声带宽；
步骤2，确定PCD-MPP吸声体的共振频率第一设计值；
步骤3，根据MPP吸声体的半吸声带宽理论，计算多个共振频率设计值；
步骤4，根据步骤3确定的各共振频率设计值，再基于MPP吸声体的共振频率与腔体深度理论，计算PCD-MPP吸声体的各腔体深度；
步骤5，根据步骤4确定的各腔体深度，再基于PCD-MPP吸声体理论，得到PCD-MPP吸声体的正入射吸声系数；
步骤6，判断在目标频率范围内的正入射吸声系数是否满足设计要求，是否存在吸声系数较低的频段；
步骤7，调整步骤6得到的PCD-MPP吸声体的部分腔体深度，并将直线腔体折叠成卷曲腔体；
步骤8，分析步骤7的紧凑型PCD-MPP吸声体的吸声系数，评估是否仍满足设计要求。
根据上述技术方案，上述步骤3中，计算多个共振频率设计值的方法为，计算共振频率第一设计值对应的共振峰的上限频率，并把该上限频率作为PCD-MPP吸声体的共振频率第二设计值，由此再计算第二个共振频率对应的共振峰的上限频率，依此类推，直到最后一个共振频率设计值不低于目标吸声带宽的上限频率。
根据上述技术方案，上述步骤2中，PCD-MPP吸声体的共振频率第一设计值即目标吸声带宽的最低频率。
根据上述技术方案，所述PCD-MPP吸声体由微穿孔板MPP及其并联不等深的腔体PCD组成，如图2所示，PCD的参数包括每个腔体宽度、结构总宽度/>、腔体深度/>，MPP参数包括穿孔率/>、孔直径/>和板厚/>。
根据上述技术方案，上述步骤3中，MPP吸声体的半吸声带宽理论的公式为：
式中，为角频率，/>为频率；/>为腔体深度；/>、/>分别为空气的密度和粘滞系数；/>为空气中的声速。
根据上述技术方案，上述步骤4中，MPP吸声体的共振频率与腔体深度/>理论的公式为：
；
式中，为PCD-MPP吸声体的腔体深度。
根据上述技术方案，上述步骤6中，判断时若吸声系数不满足设计要求，则应考虑更多的共振频率设计值，以提升吸声低谷处的吸声系数，具体而言，把吸声低谷所在频率作为新增的共振频率设计值，按步骤4计算对应的腔体深度，并与已有腔体并联，获得新的PCD-MPP吸声体，再次计算并评价其吸声系数是否满足设计要求，循环步骤4与步骤5，直到吸声系数满足设计要求。
根据上述技术方案，上述步骤7中，调整PCD-MPP吸声体的部分腔体深度的具体方法为，将直腔折叠成卷曲腔体，获得具有矩形截面的紧凑型结构，同时保证各腔体之间不留缝隙，得到具有矩形截面的紧凑型PCD-MPP吸声体，此时，折叠卷曲后的腔体的等效深度定义为该腔体中心线的长度，并与对应直腔的深度相等。
根据上述技术方案，上述步骤8中，评估紧凑型PCD-MPP吸声体是否仍满足设计要求，若不满足，需对上述腔体深度的调整方案进行修正，直到吸声系数满足设计要求，最终得到具有矩形截面的紧凑型宽带宽的PCD-MPP吸声体。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，可快速准确指导宽带宽吸声体的设计，实现对目标带宽的降噪，同时通过卷曲各腔体，形成矩形截面，使PCD-MPP吸声体的结构更紧凑，减少空间的占用。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的紧凑型宽带宽PCD-MPP吸声体设计方法流程图；
图2是本发明的直线型 PCD-MPP吸声体的基本结构示意图；
图3是本发明的具有矩形截面的紧凑型 PCD-MPP吸声体的结构示意图；
图4是本发明的紧凑型宽带宽PCD-MPP吸声体的吸声系数示意图；
图5是本发明的紧凑型宽带宽PCD-MPP吸声体的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供技术方案：宽频带微穿孔板PCD-MPP吸声体的设计方法，该设计方法所采用的吸声体由单层微穿孔板MPP和并联不等深背腔PCD组成，
该设计方法包括以下步骤：
步骤1，对实际噪声进行测量，把噪声峰值所在的频率范围作为PCD-MPP吸声体的目标吸声带宽；
步骤2，确定PCD-MPP吸声体的共振频率第一设计值；
步骤3，根据MPP吸声体的半吸声带宽理论，计算多个共振频率设计值；
步骤4，根据步骤3确定的各共振频率设计值，再基于MPP吸声体的共振频率与腔体深度理论，计算PCD-MPP吸声体的各腔体深度；
步骤5，根据步骤4确定的各腔体深度，再基于PCD-MPP吸声体理论，得到PCD-MPP吸声体的正入射吸声系数；
其中PCD-MPP吸声体理论是指吸声系数的理论解析模型，首先分别求得PCD和MPP的声阻抗，进而得到整个吸声体的声阻抗，最后得到吸声系数，此为现有技术，在本申请中不详细叙述。
步骤6，判断在目标频率范围内的正入射吸声系数是否满足设计要求，是否存在吸声系数较低的频段；
步骤7，调整步骤6得到的PCD-MPP吸声体的部分腔体深度，并将直线腔体折叠成卷曲腔体；
步骤8，分析步骤7的紧凑型PCD-MPP吸声体的吸声系数，评估是否仍满足设计要求；
步骤3中，计算多个共振频率设计值的方法为，计算共振频率第一设计值对应的共振峰的上限频率，并把该上限频率作为PCD-MPP吸声体的共振频率第二设计值，由此再计算第二个共振频率对应的共振峰的上限频率，依此类推，直到最后一个共振频率设计值不低于目标吸声带宽的上限频率；
步骤2中，PCD-MPP吸声体的共振频率第一设计值即目标吸声带宽的最低频率；
PCD-MPP吸声体由微穿孔板MPP及其并联不等深的腔体PCD组成，如图2所示，PCD的参数包括每个腔体宽度、结构总宽度/>、腔体深度/>，MPP参数包括穿孔率/>、孔直径/>和板厚/>；
式中，为角频率，/>为频率；/>为腔体深度；/>、/>分别为空气的密度和粘滞系数；/>为空气中的声速。
步骤4中，MPP吸声体的共振频率与腔体深度/>理论的公式为：
；
式中，为PCD-MPP吸声体的腔体深度；
步骤6中，判断时若吸声系数不满足设计要求，则应考虑更多的共振频率设计值，以提升吸声低谷处的吸声系数，具体而言，把吸声低谷所在频率作为新增的共振频率设计值，按步骤4计算对应的腔体深度，并与已有腔体并联，获得新的PCD-MPP吸声体，再次计算并评价其吸声系数是否满足设计要求，循环步骤4与步骤5，直到吸声系数满足设计要求；
步骤7中，调整PCD-MPP吸声体的部分腔体深度的具体方法为，将直腔折叠成卷曲腔体，获得具有矩形截面的紧凑型结构，同时保证各腔体之间不留缝隙，得到具有矩形截面的紧凑型PCD-MPP吸声体，此时，折叠卷曲后的腔体的等效深度定义为该腔体中心线的长度，并与对应直腔的深度相等。
步骤8中，评估紧凑型PCD-MPP吸声体是否仍满足设计要求，若不满足，需对腔体深度的调整方案进行修正，直到吸声系数满足设计要求，最终得到具有矩形截面的紧凑型宽带宽的PCD-MPP吸声体。
具体地，如步骤7，调整PCD-MPP吸声体的部分腔体深度的具体方法为，将图2中深度为的直腔折叠成卷曲腔体，得到图3中具有矩形截面，总厚度为/>的紧凑型PCD-MPP吸声体，此时，折叠卷曲后的腔体的等效深度定义为该腔体中心线的长度，并与对应直腔的深度相等。
实施例：下面是本申请的一种实施方式，如表1所示，步骤1：PCD-MPP吸声体的目标频率范围预设为600~2000 Hz；
如表1所示，步骤2：为了使PCD-MPP吸声体的有效吸声带宽覆盖目标频率范围，因此PCD-MPP吸声体的第一个共振频率设计值应为600 Hz；
如表1所示，步骤3：根据MPP吸声体的半吸声带宽频率区间的上下限频率的理论，计算得到共振频率为600 Hz的半吸声带宽的上限频率为1200 Hz，并把该上限频率设定为共振频率第二设计值。依此类推，直到最后一个共振频率设计值超过目标频率范围的上限。于是，各共振频率设计值为600 Hz、1200 Hz、2037 Hz；
如表1所示，步骤4：根据腔体深度预测模型计算得到对应的PCD-MPP吸声体的各腔体深度，分别为102 mm、35 mm、14 mm，并把该PCD-MPP吸声体记为样例0；
如图4和图5所示，步骤5：根据步骤4确定的各腔体深度，分别得到样例0的结构示意图及其正入射吸声系数；
如图4和表1所示，步骤6：评价步骤5得到的吸声系数，尽管样例0在目标频率范围内的正入射吸声系数均高于0.7，但在860 Hz和1560 Hz处存在吸声低谷，其吸声系数明显低于其它频率范围。于是把吸声低谷所在频率作为新增的共振频率设计值，按照同样的方法计算得到对应的两个腔体深度，并与样例0的三个腔体并联，形成具有五个腔体的PCD-MPP吸声体，记为样例1。可见，样例1在目标频率范围具有较高吸声性能，其正入射吸声系数大于0.9，满足高吸声性能的设计要求；
如图5和表1所示，步骤7：调整步骤6的PCD-MPP吸声体的部分腔体的深度，以方便折叠深度较大的腔体。于是，样例1的腔体深度序列由[102 mm, 60 mm, 35 mm, 23 mm, 14mm]调节为了[86 mm, 64 mm, 34 mm, 24 mm, 14 mm]，并把调整后的PCD-MPP吸声体记为样例2；
如图4、图5和表1所示，步骤8：评价样例2的吸声系数，发现仍具有较高的吸声性能，在600~2000 Hz的目标频率范围内的正入射吸声系数均大于0.8。尽管吸声性能相较于样例1有所降低，尤其是低频，但得到的却是具有矩形截面的紧凑型结构，这将极大方便安装与实际应用，且结构厚度仅44 mm，大大降低了空间占用率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.宽频带微穿孔板PCD-MPP吸声体的设计方法，其特征在于：该设计方法所采用的吸声体由单层微穿孔板MPP和并联不等深背腔PCD组成，
该设计方法包括以下步骤：
步骤1，对实际噪声进行测量，把噪声峰值所在的频率范围作为PCD-MPP吸声体的目标吸声带宽；
步骤2，确定PCD-MPP吸声体的共振频率第一设计值；
步骤3，根据MPP吸声体的半吸声带宽理论，计算多个共振频率设计值；
步骤4，根据步骤3确定的各共振频率设计值，再基于MPP吸声体的共振频率与腔体深度理论，计算PCD-MPP吸声体的各腔体深度；
步骤5，根据步骤4确定的各腔体深度，再基于PCD-MPP吸声体理论，得到PCD-MPP吸声体的正入射吸声系数；
步骤6，判断在目标频率范围内的正入射吸声系数是否满足设计要求，是否存在吸声系数较低的频段；
步骤7，调整步骤6得到的PCD-MPP吸声体的部分腔体深度，并将直线腔体折叠成卷曲腔体；
步骤8，分析步骤7的紧凑型PCD-MPP吸声体的吸声系数，评估是否仍满足设计要求；
上述步骤3中，计算多个共振频率设计值的方法为，计算共振频率第一设计值对应的共振峰的上限频率f2，并把该上限频率作为PCD-MPP吸声体的共振频率第二设计值，由此再计算第二个共振频率对应的共振峰的上限频率，依此类推，直到最后一个共振频率设计值不低于目标吸声带宽的上限频率；
上述步骤2中，PCD-MPP吸声体的共振频率第一设计值即目标吸声带宽的最低频率；
所述PCD-MPP吸声体由微穿孔板MPP及其并联不等深的腔体PCD组成，PCD的参数包括每个腔体宽度b、结构总宽度T、腔体深度lx，MPP参数包括穿孔率σ、孔直径d和板厚t。
2.根据权利要求1所述的宽频带微穿孔板PCD-MPP吸声体的设计方法，其特征在于：上述步骤3中，MPP吸声体的半吸声带宽理论的公式为：
式中，ω＝2πf为角频率，f为频率；lx为腔体深度；ρ、η分别为空气的密度和粘滞系数；c0为空气中的声速。
3.根据权利要求2所述的宽频带微穿孔板PCD-MPP吸声体的设计方法，其特征在于：上述步骤4中，MPP吸声体的共振频率fα,max与腔体深度lx理论的公式为：
式中，lx为PCD-MPP吸声体的腔体深度。
4.根据权利要求1所述的宽频带微穿孔板PCD-MPP吸声体的设计方法，其特征在于：上述步骤6中，判断时若吸声系数不满足设计要求，则应考虑更多的共振频率设计值，以提升吸声低谷处的吸声系数，具体而言，把吸声低谷所在频率作为新增的共振频率设计值，按步骤4计算对应的腔体深度，并与已有腔体并联，获得新的PCD-MPP吸声体，再次计算并评价其吸声系数是否满足设计要求，循环步骤4与步骤5，直到吸声系数满足设计要求。
5.根据权利要求1所述的宽频带微穿孔板PCD-MPP吸声体的设计方法，其特征在于：上述步骤7中，调整PCD-MPP吸声体的部分腔体深度的具体方法为，将直腔折叠成卷曲腔体，获得具有矩形截面的紧凑型结构，同时保证各腔体之间不留缝隙，得到具有矩形截面的紧凑型PCD-MPP吸声体，此时，折叠卷曲后的腔体的等效深度定义为该腔体中心线的长度，并与对应直腔的深度相等。
6.根据权利要求1所述的宽频带微穿孔板PCD-MPP吸声体的设计方法，其特征在于：上述步骤8中，评估紧凑型PCD-MPP吸声体是否仍满足设计要求，若不满足，需对上述腔体深度的调整方案进行修正，直到吸声系数满足设计要求，最终得到具有矩形截面的紧凑型宽带宽的PCD-MPP吸声体。
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