劉德軍,彭力,張 偉
(天津航天瑞萊科技有限公司,天津300462)
穿孔板的聲阻與其孔徑的平方成反比[1],如果把穿孔的孔徑從毫米級(jí)縮小到絲米級(jí)(0.1mm 級(jí)),則穿孔板本身會(huì)具有足夠的聲阻,這種絲米級(jí)穿孔板被稱為微穿孔板。微穿孔板與空氣背腔組成的共振吸聲體具有吸聲特性可進(jìn)行精確理論計(jì)算,半吸聲帶(吸聲系數(shù)大于等于最大吸聲系數(shù)1/2的頻帶)寬約2個(gè)倍頻程(并可通過(guò)組合進(jìn)一步擴(kuò)大),以及構(gòu)造簡(jiǎn)單、用途廣泛的特點(diǎn)[2-3]。微穿孔板所用材料非常規(guī)多孔吸聲材料,不怕風(fēng)吹、水洗,若采用金屬或耐火材料制造,也不怕高溫或短時(shí)間的火焰;在排氣和通風(fēng)消聲器的使用中還證明微穿孔板吸聲特性受風(fēng)的影響較小[4],可以在很多惡劣環(huán)境(如高溫、高濕、高速氣流等)下使用,為航空航天領(lǐng)域的消聲降噪提供了一種良好的解決方案。若采用透光材料制作,微穿孔板的應(yīng)用范圍還可拓展至高速公路、鐵路、城市高架、輕軌等交通噪聲屏障(不阻礙視線),室內(nèi)泳池、體育館、保齡球館、大型商場(chǎng)、展示廳等建筑的墻面和頂棚(削弱混響,同時(shí)不影響采光)。
本文基于微穿孔板吸聲體的基本原理,編制了一套快速設(shè)計(jì)微穿孔板吸聲體的圖表;選定一種合適的透光材料及加工工藝制作透明微穿孔板,并進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證。
微穿孔板吸聲體的基本原理由我國(guó)著名聲學(xué)專家馬大猷教授最早提出,基于等效電路模型建立,如圖1所示。馬氏理論包含2個(gè)基本前提:1)孔間距遠(yuǎn)小于入射聲波長(zhǎng),可忽略孔間板面對(duì)聲波的影響;2)孔間距遠(yuǎn)大于穿孔直徑,各孔之間的相互作用可忽略不計(jì),即認(rèn)為各孔吸聲特性互不影響。這些條件在常規(guī)應(yīng)用中均可滿足,但值得注意的是,馬氏理論默認(rèn)板為剛性,未考慮板本身振動(dòng)對(duì)微穿孔板吸聲體的影響,在板的振動(dòng)效應(yīng)不可忽略時(shí),該理論的有效性降低[5-8]。本文所研究微穿孔板為剛性,且結(jié)構(gòu)參數(shù)均在馬氏理論可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的范圍內(nèi)。
圖1 微穿孔板吸聲體的基本結(jié)構(gòu)及其等效電路Fig.1Basicstructure of micro-perforated panel sound absorber and itsequivalent circuit diagram
微穿孔板吸聲體的正入射吸聲系數(shù)α可表示為[9]
式中:r為相對(duì)聲阻率;m為相對(duì)聲質(zhì)量;ω為聲波的角頻率;D為空氣背腔深度,mm;c為空氣中的聲速,mm/s。
式(1)適用非金屬板、導(dǎo)熱系數(shù)很小的情況,若導(dǎo)熱系數(shù)很大或采用金屬板,還需考慮熱傳導(dǎo)效應(yīng)。斜入射吸聲系數(shù)也可推導(dǎo)得出[9],此處不再展開(kāi)。
噪聲控制工程通常關(guān)注的頻帶范圍為31.5~10 000Hz,滿足馬氏理論的基本前提;選用透光板材,熱傳導(dǎo)效應(yīng)可忽略;利用上述公式可進(jìn)行準(zhǔn)確估算,使用Excel工具進(jìn)行簡(jiǎn)易制作,可自動(dòng)計(jì)算吸聲系數(shù)并生成圖表,如圖2所示,圖中以黃色亮顯的為需要輸入的基本參數(shù)。
圖2 快速計(jì)算圖表樣式Fig.2Thefast calculation chart
常見(jiàn)透光材料主要有玻璃和高分子聚合物兩大類,結(jié)合“引言”中提到的應(yīng)用場(chǎng)景,綜合考慮當(dāng)前市場(chǎng)保有量、獲取成本、透光度及物性,PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯,俗稱“有機(jī)玻璃”)與PC(聚碳酸酯)均適宜作為透明微穿孔板的原料,但其特點(diǎn)各異:PMMA 透光率高達(dá)92%~99%,PC為86%~89%,而普通采光玻璃僅略高于80%;PMMA 易加工、耐候性極佳,常用于戶外產(chǎn)品,而PC要用于戶外還需添加UV 防護(hù)劑和抗氧化劑;PC比PMMA擁有更好的耐磨性、韌性、抗沖擊強(qiáng)度和耐高溫能力,有防爆作用,但硬度高,不易加工;有些復(fù)合材料可兼顧PMMA 與PC的優(yōu)點(diǎn),但成本很高。本次樣件設(shè)計(jì)的材質(zhì)選用PMMA,一些特定場(chǎng)合(如抗沖擊、防爆)可選擇PC。
材料一定時(shí),微穿孔板吸聲體的性能取決于其結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔徑d、板厚t、穿孔率σ和空腔深度D)??紤]PMMA的常見(jiàn)規(guī)格及板材強(qiáng)度,t不宜過(guò)薄,而過(guò)厚則會(huì)增加自重和成本,且批量生產(chǎn)不宜具有多種規(guī)格,故取t為2mm 或3mm;空腔深度直接影響安裝方式及所占空間,兼顧輔材規(guī)格,暫定D為40 mm(可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整,建議不超過(guò)100 mm)。
如圖3(a)所示,保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,隨著孔徑d的減小,吸聲帶寬逐漸增加,當(dāng)孔徑減小至一定值時(shí),最大吸聲系數(shù)低于0.5,此時(shí)實(shí)用性降低;孔徑具有一最佳值使最大吸聲系數(shù)為1。最大吸聲系數(shù)和0.5吸聲頻帶(吸聲系數(shù)大于等于0.5的頻帶)相對(duì)于孔徑變化是一對(duì)負(fù)相關(guān)的矛盾體,因此在設(shè)計(jì)微穿孔板吸聲體時(shí)需根據(jù)實(shí)際降噪要求綜合考慮。如圖3(b)所示,保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,隨著穿孔率的增大,吸聲帶寬逐漸增加,穿孔率具有一最佳值使得最大吸聲系數(shù)為1,同時(shí)共振頻率移向高頻。綜上可知,高頻率范圍的寬頻帶高吸收對(duì)應(yīng)小孔徑和大穿孔率,低頻率范圍的寬頻帶高吸收對(duì)應(yīng)大孔徑和小穿孔率[10]。
圖3 單參數(shù)變化對(duì)微穿孔板吸聲體的性能影響Fig.3Theinfluenceof single parameter change on sound absorption performance
據(jù)此,本文設(shè)計(jì)了6種規(guī)格的微穿孔板吸聲體樣件,其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。常見(jiàn)穿孔排布方式為正方形和正三角形,同孔徑、孔心距下,正三角形排布方式的穿孔率更高。樣件1~4為正方形布孔,5、6為正三角形布孔。調(diào)研當(dāng)前市場(chǎng)主流穿孔工藝及供應(yīng)商發(fā)現(xiàn),絲米級(jí)小孔采用常規(guī)機(jī)械工藝無(wú)法保證質(zhì)量,故本文選擇普通激光打孔工藝。
表1 樣件結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1Structural parametersof thesamples
送檢前對(duì)樣件進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn),樣件3的板厚為2.6mm,樣件4的孔徑為0.8mm,與設(shè)計(jì)參數(shù)不一致(表1中以紅色粗體標(biāo)示),則這2個(gè)樣件的穿孔率也會(huì)較設(shè)計(jì)參數(shù)有所變化(人工測(cè)量存在誤差)。依據(jù)GB/T18696.1—2004[11]進(jìn)行正入射吸聲系數(shù)測(cè)試,樣件為圓形,直徑99 mm,每件記錄2組數(shù)據(jù),取平均值,結(jié)果如表2所示。
表2 樣件實(shí)測(cè)正入射吸聲系數(shù)Table2Measured sound absorption coefficient of the sample at normal incidence
6個(gè)樣件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示。結(jié)果表明:對(duì)于單層非金屬微穿孔板吸聲體,忽略板本身可能的振動(dòng),正入射吸聲系數(shù)計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果一致性較好,滿足工程設(shè)計(jì)要求;快速設(shè)計(jì)圖表在常規(guī)噪聲控制應(yīng)用范圍內(nèi)有效,最大偏差不超過(guò)15%。
圖4 樣件正入射吸聲系數(shù)計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.4Comparison between theoretical and measured sound absorption coefficient of samplesat normal incidence
本文結(jié)合理論與實(shí)測(cè),編制了一套快速設(shè)計(jì)微穿孔板吸聲體的圖表,并選定PMMA 作為透光材料,采用普通激光穿孔工藝制作透明微穿孔板。經(jīng)對(duì)正入射吸聲系數(shù)實(shí)測(cè)驗(yàn)證,結(jié)論如下:
1)快速圖表計(jì)算方法有效,最大偏差不超過(guò)15%,且滿足工程設(shè)計(jì)精度要求;
2)PMMA 和PC 適宜作為透明微穿孔板原料,可解決一些特殊場(chǎng)合的降噪問(wèn)題;
3)普通激光穿孔可滿足微穿孔板制造工藝要求。
值得注意的是,穿孔過(guò)密會(huì)影響板材的透明度,在樣件設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮。此外,樣件送檢前的人工測(cè)量存在誤差,而微調(diào)理論計(jì)算中的參數(shù)可使樣件的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)吸聲系數(shù)曲線幾乎完全吻合。該方法為檢驗(yàn)此類結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)質(zhì)量提供了一種思路,后續(xù)將用精密計(jì)量的方法予以驗(yàn)證。