CN117932804A - 微穿孔板吸声结构的设计方法、微穿孔板吸声结构及船舶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及降噪技术领域，提供一种微穿孔板吸声结构的设计方法、微穿孔板吸声结构及船舶。上述的微穿孔板吸声结构的设计方法，包括：确定微穿孔板吸声结构的每个结构参数的阈值范围，结构参数包括：穿孔直径、穿孔率和板厚；将三个阈值范围内的结构参数进行组合，得到微穿孔板吸声结构的多种参数组合；在每种参数组合下确定微穿孔板吸声结构的吸声系数曲线，得到多个吸声系数曲线；基于旋转机械设备的旋转频率与吸声系数曲线中各参数的关系，在多个吸声系数曲线中选择吸声性能最优的吸声系数曲线所对应的结构参数作为微穿孔板吸声结构的设计参数。上述的微穿孔板吸声结构的设计方法，使微穿孔板吸声结构在体积不变的情况下具有最优的吸声性能。

Description

微穿孔板吸声结构的设计方法、微穿孔板吸声结构及船舶

技术领域

本发明涉及降噪技术领域，尤其涉及一种微穿孔板吸声结构的设计方法、微穿孔板吸声结构及船舶。

背景技术

随着船舶大型化、高速化、绿色化发展，当前船舶对安静性与舒适性的要求也越来越高。振动噪声成为船舶设计和制造不可忽视的重要指标。船舶辐射噪声主要来源于各类机械设备对船体的振动，随着船舶机械设备隔振技术的发展，安装基座部位隔振效果得以大幅提升，而机械设备振动沿空气传播的问题日益凸显，已成为船舶隔振降噪设计亟待解决的关键问题。在实际应用中，通常在船舶机械设备附近布放共振吸声结构以抑制机械噪声在空气中的传播。

传统的大孔径(直径大于1mm)共振吸声结构的设计过程中遇到了亟需突破的瓶颈问题，特别是船舶机械设备噪声一般处于低频，低频声波波长长，穿透力强，需要较厚的结构才能实现有效吸收，而吸声结构的布置空间有限，因此低频噪声的吸收变得十分困难。因此，在当前穿孔型吸声结构设计中，一般将穿孔板的穿孔直径设计为小于1mm，也称为微穿孔板，微穿孔板能够产生较大的声阻与较小的声质量，对低频宽带吸声十分有利。但，微穿孔板吸声结构中穿孔板的板厚、穿孔板上穿孔直径的大小以及穿孔率均会对微穿孔板吸声结构的吸声性能造成影响，基于此，如何提供一种吸声性能最优的微穿孔板吸声结构成为业内亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种微穿孔板吸声结构的设计方法、微穿孔板吸声结构及船舶，以使微穿孔板吸声结构具有最优的吸声性能。

本发明提供一种微穿孔板吸声结构的设计方法，包括：确定微穿孔板吸声结构的每个结构参数的阈值范围，其中，所述结构参数包括：穿孔直径、穿孔率和板厚；将三个所述阈值范围内的结构参数进行组合，得到微穿孔板吸声结构的多种参数组合；在每种所述参数组合下确定所述微穿孔板吸声结构的吸声系数曲线，得到多个所述吸声系数曲线；基于旋转机械设备的旋转频率与所述吸声系数曲线中各参数的关系，在多个所述吸声系数曲线中选择吸声性能最优的吸声系数曲线所对应的结构参数作为所述微穿孔板吸声结构的设计参数。

根据本发明提供的一种微穿孔板吸声结构的设计方法，所述确定微穿孔板吸声结构的每个结构参数的阈值范围的步骤进一步包括：确定所述穿孔直径的阈值范围为第一阈值范围；确定所述穿孔率的阈值范围为第二阈值范围；确定所述板厚的阈值范围为第三阈值范围。

根据本发明提供的一种微穿孔板吸声结构的设计方法，所述设计方法还包括：将所述第一阈值范围、所述第二阈值范围和所述第三阈值范围分为n段，得到(n+1)³种参数组合，其中，n为整数。

根据本发明提供的一种微穿孔板吸声结构的设计方法，所述基于旋转机械设备的旋转频率与所述吸声系数曲线中各参数的关系，在多个所述吸声系数曲线中选择吸声性能最优的吸声系数曲线所对应的结构参数作为所述微穿孔板吸声结构的设计参数的步骤进一步包括：基于每个所述吸声系数曲线得到一组吸声性能参数；基于所述旋转频率与所述吸声性能参数的关系，在多组所述吸声性能参数中选择吸声性能最优的吸声性能参数所对应的结构参数作为所述微穿孔板吸声结构的设计参数。

根据本发明提供的一种微穿孔板吸声结构的设计方法，所述基于每个所述吸声系数曲线得到一组吸声性能参数的步骤进一步包括：基于每个所述吸声系数曲线得到共振吸声频率和峰值吸声系数；计算所述共振吸声频率与所述旋转频率的频率差；基于所述共振吸声频率和所述峰值吸声系数计算相对吸声带宽，其中，所述峰值吸声系数、所述频率差和所述相对吸声带宽为所述吸声性能参数。

根据本发明提供的一种微穿孔板吸声结构的设计方法，所述基于所述旋转频率与所述吸声性能参数的关系，在多组所述吸声性能参数中选择吸声性能最优的吸声性能参数所对应的结构参数作为所述微穿孔板吸声结构的设计参数的步骤进一步包括：将每组所述吸声性能参数进行归一化处理；将归一化处理后的峰值吸声系数、频率差和相对吸声带宽的和作为吸声性能评价值。

根据本发明提供的一种微穿孔板吸声结构的设计方法，所述基于所述旋转频率与所述吸声性能参数的关系，在多组所述吸声性能参数中选择吸声性能最优的吸声性能参数所对应的结构参数作为所述微穿孔板吸声结构的设计参数的步骤还包括：在多个所述吸声性能评价值中选择最大值所对应的结构参数作为所述微穿孔板吸声结构的设计参数。

根据本发明提供的一种微穿孔板吸声结构的设计方法，所述吸声性能评价值的表达式为：

其中，α，β，γ为权重系数，α+β+γ＝1，且α，β，γ≥0，为归一化后的频率差，/>为归一化后的峰值吸声系数，/>为归一化后的相对吸声带宽，μ为吸声性能评价值。

本发明还提供了一种根据如上所述的微穿孔板吸声结构的设计方法制造的微穿孔板吸声结构，包括：吸声箱体，所述吸声箱体具有空腔；穿孔板，与所述吸声箱体盖合，所述穿孔板设有多个穿孔，每个所述穿孔的直径小于1mm。

本发明还提供了一种船舶，包括船舶舱室、旋转机械设备如上所述的微穿孔板吸声结构，所述旋转机械设备和所述微穿孔板吸声结构设置于所述船舶舱室内，所述微穿孔板吸声结构用于对所述旋转机械设备运行时产生的噪声进行消减。

本发明提供的微穿孔板吸声结构的设计方法，通过将三个结构参数的阈值范围内的数值随机组合，得到多组参数组合，将多组参数组合输入声学软件中得到多个吸声系数曲线，进而将吸声性能最优的吸声系数曲线所对应的结构参数作为微穿孔板吸声结构的设计参数，从而使微穿孔板吸声结构在体积不变的情况下具有最优的吸声性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的微穿孔板吸声结构的设计方法的流程图；

图2是本发明提供的微穿孔板吸声结构的结构示意图；

图3是吸声系数曲线图；

附图标记：

10：吸声箱体；20：穿孔板；21：穿孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面结合图1-图3描述本发明的微穿孔板吸声结构的设计方法、微穿孔板吸声结构及船舶。

如图2所示，本发明实施例提供了一种微穿孔板吸声结构，包括：吸声箱体10和穿孔板20，吸声箱体10具有空腔，穿孔板20与吸声箱体10盖合，穿孔板20上设有多个穿孔21，每个穿孔21的直径小于1mm。

具体来说，船舶机械设备受船舶舱室空间的限制，微穿孔板吸声结构的尺寸基本已确定，仅能通过调节穿孔直径、穿孔率以及穿孔板20的厚度来获得最优的吸声性能。在本实施例中，每个穿孔21的直径均相等，其中，穿孔率指穿孔板20上多个穿孔21的总面积与穿孔板20的总面积的比值，其与穿孔21的数量正相关。

进一步地，如图1所示，为了获得吸声性能最优的微穿孔板吸声结构，本发明实施例还提供了一种微穿孔板吸声结构的设计方法，具体包括以下步骤：

步骤01：确定微穿孔板吸声结构的每个结构参数的阈值范围，其中，结构参数包括：穿孔直径、穿孔率和板厚；步骤02：将三个阈值范围内的结构参数进行组合，得到微穿孔板吸声结构的多种参数组合；步骤03：在每种参数组合下确定微穿孔板吸声结构的吸声系数曲线，得到多个吸声系数曲线；步骤04：基于旋转机械设备的旋转频率与吸声系数曲线中各参数的关系，在多个吸声系数曲线中选择吸声性能最优的吸声系数曲线所对应的结构参数作为微穿孔板吸声结构的设计参数。

具体来说，针对每个结构参数设置一个阈值范围，则共有三个阈值范围，将三个阈值范围内的结构参数随机进行组合，即可得到多种参数组合，将每种参数组合输入至COMSOL声学软件中，COMSOL声学软件结合穿孔直径、穿孔率、板厚、吸声箱体10和穿孔板20的材料特性以及空腔尺寸等特征参数计算出每种参数组合方式下，微穿孔板吸声结构的多个吸声系数曲线，每个吸声系数曲线包括共振吸声频率和峰值吸声系数，共振吸声频率与旋转机械设备的旋转频率之间的频率差越小，表明微穿孔板吸声结构在共振吸声频率附近的吸声性能越强；峰值吸声系数越大，表明微穿孔板吸声结构在共振吸声频率附近的吸声性能越强；根据共振吸声频率与峰值吸声系数计算相对吸声带宽，相对吸声带宽越大，表明微穿孔板吸声结构在共振吸声频率附近的吸声性能越强。

将频率差、相对吸声带宽和峰值吸声系数的和作为吸声性能评价值。由此，可获得多个吸声性能评价值，将多个吸声性能评价值中的最大值所对应的结构参数作为微穿孔板吸声结构的设计参数，根据该结构参数设计的微穿孔板吸声结构，其吸声性能最优。

本发明实施例提供的微穿孔板吸声结构的设计方法，通过将三个结构参数的阈值范围内的数值随机组合，得到多组参数组合，将多组参数组合输入声学软件中得到多个吸声系数曲线，进而将吸声性能最优的吸声系数曲线所对应的结构参数作为微穿孔板吸声结构的设计参数，从而使微穿孔板吸声结构在体积不变的情况下具有最优的吸声性能。

进一步地，在本发明的实施例中，确定微穿孔板吸声结构的每个结构参数的阈值范围的步骤进一步包括：确定穿孔直径e的阈值范围为第一阈值范围，具体为【e₁，e₂】；确定穿孔率a的阈值范围为第二阈值范围，具体为【a₁，a₂】；确定板厚L的阈值范围为第三阈值范围，具体为【L₁，L₂】。

将第一阈值范围【e₁，e₂】、第二阈值范围【a₁，a₂】和第三阈值范围【L₁，L₂】分为n段，其中，n为整数。依次调节穿孔直径e、穿孔率a和板厚L，得到如下所述的多个穿孔直径e、穿孔率a和板厚L。具体如下：

穿孔直径e，包括

穿孔率a，包括

板厚L，包括

在穿孔直径e、穿孔率a、板厚L的取值范围内选取多个候选值，具体的选取方式也可以采用等比的形式确定候选值，或者在对应范围内随机生成一定数量的候选值，在本发明中，具体选取的方式不做限定。

对以上三个结构参数进行任意组合，每个结构参数有(n+1)种参数组合方式，三个结构参数共有(n+1)³种参数组合方式。将上述参数组合存储到MATLAB软件中，并且逐次将每一种参数组合通过基于OPC UA的软件接口分别传输COMSOL软件与MATLAB软件。在每一种参数组合方式下，在COMSOL软件输入微穿孔板吸声结构及所连接旋转的机械设备的基本条件(例如微穿孔板吸声结构的材料物性与空腔尺寸等特征参数、所连接的旋转机械设备的振动频率范围等)，通过COMSOL软件自动计算出每种参数组合下微穿孔板吸声结构的吸声系数曲线。

进一步地，在本发明的实施例中，基于旋转机械设备的旋转频率与吸声系数曲线中各参数的关系，在多个吸声系数曲线中选择吸声性能最优的吸声系数曲线所对应的结构参数作为微穿孔板吸声结构的设计参数的步骤进一步包括：基于每个吸声系数曲线得到一组吸声性能参数；基于旋转频率与吸声性能参数的关系，在多组吸声性能参数中选择吸声性能最优的吸声性能参数所对应的结构参数作为微穿孔板吸声结构的设计参数。

具体来说，如图3所示，每个吸声系数曲线的横坐标为吸声频率，纵坐标为吸声系数，峰值吸声系数s所对应的频率为共振吸声频率f′，共振吸声频率f′与旋转机械设备的旋转频率f的频率差Δf为：

Δf＝|f^′-f|，频率差Δf越小表示微穿孔板吸声结构的共振吸声频率f′越接近于旋转机械设备的旋转频率f，微穿孔板吸声结构在旋转频率f附近的吸收效率越高。峰值吸声系数s越大表示微穿孔板吸声结构在共振吸声频率f′附近的吸声性能越强。相对吸声带宽w是指吸声系数大于峰值吸声系数s一半时所对应的频带宽度，如图3所示，根据微穿孔板吸声结构的吸声系数曲线，可以计算出共振吸声频率f′对应的相对吸声带宽w，即w＝f_b-f_a。相对吸声带宽w越大表示微穿孔板吸声结构在共振吸声频率f′附近的吸声能力越强越稳定。因此，在本发明的实施例中，以微穿孔板吸声结构的频率差Δf、峰值吸声系数s以及吸声带宽w综合表征微穿孔板吸声结构对于旋转机械设备的吸声效能，频率差Δf越小吸声性能越好，峰值吸声系数s与吸声带宽w越大吸声性能越好。

进一步地，在本发明的实施例中，基于旋转频率f与吸声性能参数的关系，在多组吸声性能参数中选择吸声性能最优的吸声性能参数所对应的结构参数作为微穿孔板结构的设计参数的步骤进一步包括：将每组吸声性能参数进行归一化处理，将归一化处理后的峰值吸声系数s、频率差Δf和相对吸声带宽w的和作为吸声性能评价值。

具体来说，针对(n+1)³种结构参数的组合方式，共对应(n+1)³个频率差Δf、峰值吸声系数s和相对吸声带宽w，而对于微穿孔板吸声结构来说，微穿孔板吸声结构的频率差Δf越小越好，峰值吸声系数s与吸声带宽w越大越好。分别对(n+1)³个频率差Δf、峰值吸声系数s和相对吸声带宽w进行归一化处理，具体如下：

其中，min(Δf)与max(Δf)分别为(n+1)³个频率差Δf的最小值与最大值，min(s)与max(s)分别为(n+1)³个峰值吸声系数s的最小值与最大值，min(w)与max(w)分别为(n+1)³个相对吸声带宽w的最小值与最大值。

将和/>的和作为微穿孔板吸声结构的吸声性能评价值，将多个吸声性能评价值中的最大值所对应的结构参数作为微穿孔板吸声结构的设计参数。

进一步地，考虑到实际工作过程中，运行的旋转机械设备的数量等实际工况的影响，微穿孔板吸声结构的吸声性能评价值μ可以表征为：

其中，α+β+γ＝1，并且α，β，γ≥0。α，β，γ可以根据微穿孔板吸声结构对于吸声效率、吸声性能、吸声稳定性的具体设计需求进行灵活调整。

在MATLAB软件中，针对(n+1)³种设计参数组合方式，分别计算得到(n+1)³个对应的吸声性能评价值μ。选择吸声性能评价值μ的最大值，其对应的结构参数的组合方式即为最优的组合方式，从而实现了微穿孔板吸声结构对于吸声效率、吸声性能、吸声稳定性的综合吸声性能的最优设计。

需要说明的是：在本发明的实施例中，使用了COMSOL软件与MATLAB软件，二者通过基于工业通讯数据交互规范与架构的软件接口连接。工业通讯数据交互规范与架构(Object Linking and Embedding for Process Control，Unified Architecture，OPCUA)为不同应用、设备、驱动、软件间提供了统一标准接口，其独立于硬件制造商与软件开发商，能够解决通讯系统的跨平台问题、实时性问题、安全性问题和集成性问题等。通过使用OPC UA，可将存储于MATLAB软件内的参数组合传输至COMSOL软件，然后由COMSOL软件自动计算出每种参数组合方式下的吸声系数曲线，且通过OPC UA可将根据每个吸声系数曲线得到的峰值吸声系数s、频率差Δf和相对吸声带宽w传输至MATLAB软件进行存储。

本发明实施例还提供了一种船舶，包括船舶舱室、旋转机械设备和微穿孔板吸声结构，旋转机械设备和微穿孔板吸声结构设置于船舶舱室内，微穿孔板吸声结构用于对旋转机械设备运行时产生的噪声进行消减。

具体来说，旋转机械设备运行时会因振动产生噪声，根据本发明实施例提供的微穿孔板吸声结构的设计方法设计的微穿孔板吸声结构在不改变体积的情况下，能够最大程度将噪声降低，使操作者拥有更为舒适的操作环境。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种微穿孔板吸声结构的设计方法，其特征在于，包括：

确定微穿孔板吸声结构的每个结构参数的阈值范围，其中，所述结构参数包括：穿孔直径、穿孔率和板厚；

将三个所述阈值范围内的结构参数进行组合，得到微穿孔板吸声结构的多种参数组合；

在每种所述参数组合下确定所述微穿孔板吸声结构的吸声系数曲线，得到多个所述吸声系数曲线；

基于旋转机械设备的旋转频率与所述吸声系数曲线中各参数的关系，在多个所述吸声系数曲线中选择吸声性能最优的吸声系数曲线所对应的结构参数作为所述微穿孔板吸声结构的设计参数。

2.根据权利要求1所述的微穿孔板吸声结构的设计方法，其特征在于，所述确定微穿孔板吸声结构的每个结构参数的阈值范围的步骤进一步包括：

确定所述穿孔直径的阈值范围为第一阈值范围；

确定所述穿孔率的阈值范围为第二阈值范围；

确定所述板厚的阈值范围为第三阈值范围。

3.根据权利要求2所述的微穿孔板吸声结构的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括：

将所述第一阈值范围、所述第二阈值范围和所述第三阈值范围分为n段，得到(n+1)³种参数组合，其中，n为整数。

4.根据权利要求1所述的微穿孔板吸声结构的设计方法，其特征在于，所述基于旋转机械设备的旋转频率与所述吸声系数曲线中各参数的关系，在多个所述吸声系数曲线中选择吸声性能最优的吸声系数曲线所对应的结构参数作为所述微穿孔板吸声结构的设计参数的步骤进一步包括：

基于每个所述吸声系数曲线得到一组吸声性能参数；

基于所述旋转频率与所述吸声性能参数的关系，在多组所述吸声性能参数中选择吸声性能最优的吸声性能参数所对应的结构参数作为所述微穿孔板吸声结构的设计参数。

5.根据权利要求4所述的微穿孔板吸声结构的设计方法，其特征在于，所述基于每个所述吸声系数曲线得到一组吸声性能参数的步骤进一步包括：

基于每个所述吸声系数曲线得到共振吸声频率和峰值吸声系数；

计算所述共振吸声频率与所述旋转频率的频率差；

基于所述共振吸声频率和所述峰值吸声系数计算相对吸声带宽，其中，所述峰值吸声系数、所述频率差和所述相对吸声带宽为所述吸声性能参数。

6.根据权利要求5所述的微穿孔板吸声结构的设计方法，其特征在于，所述基于所述旋转频率与所述吸声性能参数的关系，在多组所述吸声性能参数中选择吸声性能最优的吸声性能参数所对应的结构参数作为所述微穿孔板吸声结构的设计参数的步骤进一步包括：

将每组所述吸声性能参数进行归一化处理；

将归一化处理后的峰值吸声系数、频率差和相对吸声带宽的和作为吸声性能评价值。

7.根据权利要求6所述的微穿孔板吸声结构的设计方法，其特征在于，所述基于所述旋转频率与所述吸声性能参数的关系，在多组所述吸声性能参数中选择吸声性能最优的吸声性能参数所对应的结构参数作为所述微穿孔板吸声结构的设计参数的步骤还包括：

在多个所述吸声性能评价值中选择最大值所对应的结构参数作为所述微穿孔板吸声结构的设计参数。

8.根据权利要求6所述的微穿孔板吸声结构的设计方法，其特征在于，所述吸声性能评价值的表达式为：

其中，α，β，γ为权重系数，α+β+γ＝1，且α，β，γ≥0，为归一化后的频率差，/>为归一化后的峰值吸声系数，/>为归一化后的相对吸声带宽，μ为吸声性能评价值。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的微穿孔板吸声结构的设计方法制造的微穿孔板吸声结构，其特征在于，包括：

吸声箱体，所述吸声箱体具有空腔；

穿孔板，与所述吸声箱体盖合，所述穿孔板设有多个穿孔，每个所述穿孔的直径小于1mm。

10.一种船舶，其特征在于，包括船舶舱室、旋转机械设备和权利要求9所述的微穿孔板吸声结构，所述旋转机械设备和所述微穿孔板吸声结构设置于所述船舶舱室内，所述微穿孔板吸声结构用于对所述旋转机械设备运行时产生的噪声进行消减。