机械阻抗结构的低频吸声性能研究

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为提升传统吸声材料的低频吸声性能,通常采用设置背腔或增加材料厚度的方法,但是这些方法将限制吸声材料在空间受限环境下的应用。近年来,新型吸声材料中的声学超材料成为解决低频噪声的有效手段,然而声学超材料对加工技术和材料的要求也更高,以致大部分还处于试验研究阶段。另一种低频新型吸声材料是复合型材料,该材料的吸声性能较好,但是复合型材料在低频吸声需要组合低频吸声材料或结构。因此,开发低频吸声材料或结构是噪声控制领域的重点。机械阻抗结构是一种共振吸声结构,该结构容易产生较高的吸声系数。这篇文章以丰富低频噪声控制措施为契机,探索提高机械阻抗结构低频声学性能的方法及措施。主要的研究内容如下:(1)降低结构的吸声峰值频率。理论分析发现吸声峰值频率与粘弹性材料的弹性系数成正比,与机械阻抗板的质量成反比;指出实际应用的降频措施,以调节弹性系数为主,调节机械阻抗板的质量为辅。用驻波管分别测量结构换用弹性系数较小的胶管材料和增加机械阻抗板质量的吸声系数曲线,试验结果表明,结构换用胶管的降频效果更好,吸声峰值频率从710 Hz降低到335 Hz,实现了结构的低频吸声。(2)拓宽结构的低频吸声频带宽度。首先分析结构的声学品质因子,发现使用的粘弹性材料一定时,改变材料的阻尼系数,弹性系数将成比例变化,这一关系是导致机械阻抗结构在低频吸声带宽窄的原因;指出选择弹性系数与阻尼系数比值较小的粘弹性材料,有利于机械阻抗结构在低频获得较宽的吸声频带;最后基于当前常见的胶管材料开展试验验证,结果表明,机械阻抗结构使用弹性系数与阻尼系数比值较小的乳胶管时,其在低频的吸声性能更佳。(3)优化机械阻抗板的面积和形状。分析结构的声学特性参数可知,随着机械阻抗板面积的增加,结构的吸声系数峰值先增加后减小,吸声频带宽度呈现降低的趋势。通过理论分析发现,当机械阻抗结构固定在特定频率吸声时,结构的吸声频带宽度与机械阻抗板的面积成正比,即机械阻抗板的面积越大,结构的吸声频带宽度越宽,但是机械阻抗板的面积越大,结构的吸声系数先增加后减小,综合考虑建议选取吸声系数0.8为机械阻抗结构的最低吸声系数临界值。依据吸声系数临界值,使用胶管的铝制圆形结构在直径200 mm的低频吸声性能最佳。最后讨论了常用的正方形结构形状对吸声性能的影响,发现正方形边长与圆形直径相同的情况下,正方形结构的吸声性能优于圆形结构,并且使用胶管和铝制板的结构边长为420 mm的低频吸声性能最佳。
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