沈惠杰， 張 濤， 湯智胤， 郁殿龍

(1. 海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033；2. 國(guó)防科技大學(xué) 裝備綜合保障技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410073)

船舶空調(diào)通風(fēng)管路系統(tǒng)在工作過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生空氣噪聲，嚴(yán)重影響著船員的身心健康，成為船舶設(shè)計(jì)制造中亟待解決的重要課題之一[1-2]。

空調(diào)通風(fēng)管路系統(tǒng)噪聲降噪屬于空氣管路噪聲問(wèn)題，其傳統(tǒng)降噪方法是無(wú)源消聲技術(shù)[3-6]。如針對(duì)管路系統(tǒng)的動(dòng)力元件(風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等)的噪聲譜，分析噪聲的生成原因、變化規(guī)律，進(jìn)而改良結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計(jì)或加裝消聲器等，減小噪聲，但無(wú)源消聲方法往往僅對(duì)高頻噪聲有效，對(duì)低頻噪聲不易取得好的效果。有源消聲，又稱主動(dòng)噪聲控制，它是基于聲波的相干原理，產(chǎn)生與噪聲幅值相同、相位相反的聲波，二列波相消干涉以減小管道噪聲[7-8]。由于有源消聲能有效地控制低頻噪聲而引起眾多減振降噪研究者的青睞。但由于噪聲聲波的幅值、相位都會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，從而要求主動(dòng)噪聲控制器必須是自適應(yīng)和實(shí)時(shí)的，導(dǎo)致控制算法計(jì)算量大、系統(tǒng)復(fù)雜度高、可靠性不高，且控制頻帶較窄，難以在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制?？照{(diào)通風(fēng)管路系統(tǒng)低頻空氣噪聲的寬帶消減始終是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的難題。

近年來(lái)，凝聚態(tài)物理領(lǐng)域聲子晶體和聲學(xué)超材料等新概念、新理論在減振降噪領(lǐng)域的應(yīng)用探索[9-11]，為空調(diào)通風(fēng)管路系統(tǒng)空氣噪聲的治理提供了一條新的思路。聲子晶體、聲學(xué)超材料的典型結(jié)構(gòu)特征是人工結(jié)構(gòu)單元在基體中有序排列而形成聲學(xué)周期結(jié)構(gòu)[12]。經(jīng)過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的周期結(jié)構(gòu)可以獲得低頻彈性波/聲波帶隙，從而實(shí)現(xiàn)“小尺寸控制大波長(zhǎng)”，打破了低頻噪聲控制技術(shù)瓶頸。譬如，Liu等[13]和張振方等[14]先后將小體積擴(kuò)張室引入管道周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而獲得了可以控制聲波傳播的低頻帶隙，利用帶隙頻率范圍內(nèi)的聲波/彈性波衰減特性達(dá)到低頻降噪目的。Richoux等[15]將Helmholtz共鳴器周期引入一維波導(dǎo)管，研究了其低頻消聲特性和非線性因素對(duì)帶隙的影響。這些著作對(duì)聲子晶體、聲學(xué)超材料在管路系統(tǒng)的低頻減振降噪進(jìn)行了積極的探索研究，不過(guò)大部分的工作停留在理論分析和數(shù)值分析階段，試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究和測(cè)試工作相對(duì)較少。本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)了周期附加Helmholtz消聲器的空調(diào)通風(fēng)管路，并對(duì)該周期管路的聲學(xué)性能進(jìn)行仿真分析。進(jìn)一步，對(duì)試驗(yàn)管路的消聲性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，從試驗(yàn)上驗(yàn)證了周期管路帶隙特性對(duì)低頻空氣聲傳播的控制效果，為空調(diào)通風(fēng)管路系統(tǒng)低頻噪聲治理提供解決思路。

1 管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其聲學(xué)特性

本文所設(shè)計(jì)的Helmholtz消聲器周期管路結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。它由Helmholtz消聲器沿空調(diào)通風(fēng)管路軸向方向等間隔布置，形成一維周期管路結(jié)構(gòu)。Helmholtz消聲器的頸管開(kāi)有螺紋，如圖1(b)所示，可通過(guò)圖1(c)中的螺紋孔座安裝于周期管路單元上；周期管路單元由開(kāi)有內(nèi)、外螺紋的圓柱鋼管(即空調(diào)通風(fēng)管路)和螺紋套筒通過(guò)螺紋配合安裝形成，如圖1(c)所示。圓柱鋼管上等距焊接多個(gè)螺紋孔座，該螺紋孔座的內(nèi)螺紋與頸管的外螺紋配合；螺紋孔座還備有旋塞，當(dāng)不安裝Helmholtz共振腔時(shí)，可用旋塞將周期管路單元上的螺紋孔座開(kāi)口關(guān)閉。

圖1 Helmholtz消聲器周期管路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of the periodic pipe with Helmholtz mufflers attached periodically

當(dāng)Helmholtz消聲器以一定的間隔距離在空調(diào)通風(fēng)管路安裝形成周期管路后，空調(diào)通風(fēng)管路可視為聲子晶體或聲學(xué)超材料中的“基體”，而Helmholtz消聲器則視為人工結(jié)構(gòu)單元，即共振單元。這樣的周期結(jié)構(gòu)在聲波入射激勵(lì)下，可使共振單元的聲學(xué)諧振與空調(diào)通風(fēng)管路內(nèi)的長(zhǎng)波聲波相互耦合共振，引起聲能耗散，阻礙聲波向下游管路傳播，形成聲波帶隙[16]。

以圖2和圖3的算例為例，闡述所設(shè)計(jì)周期管路的聲波傳播特性。計(jì)算中Helmholtz消聲器的頸管半徑rn、長(zhǎng)度ln和共振腔半徑rm、長(zhǎng)度lm分別選取為：rn=22.5 mm，ln=54 mm，rm=79.5 mm，lm=140 mm，空調(diào)通風(fēng)管路半徑rp為50.5 mm。實(shí)際中，管路軸向上不可能安裝無(wú)限多的消聲器形成理想周期結(jié)構(gòu)，只能安裝數(shù)目有限的消聲器?？紤]到后繼試驗(yàn)測(cè)試中數(shù)據(jù)線長(zhǎng)度限制，我們假定空調(diào)通風(fēng)試驗(yàn)管路上安裝了3個(gè)Helmholtz消聲器，即周期單元個(gè)數(shù)為3個(gè)，研究該周期單元數(shù)目下周期管路的聲傳播特性。

圖2 不同晶格常數(shù)下周期管路的聲傳遞損失Fig.2 Sound transmission loss of the periodic pipe under different lattice constants

圖2所示為不同晶格常數(shù)下周期管路的聲傳遞損失(transmission loss，TL)曲線，圖中實(shí)線、虛線和點(diǎn)劃線分別對(duì)應(yīng)Helmholtz消聲器的安裝間距(即晶格常數(shù))lp分別為40 cm，60 cm和80 cm三種情況。計(jì)算采用COMSOL有限元商業(yè)仿真軟件建立周期管路有限元模型，仿真計(jì)算這幾種情況下Helmholtz消聲器周期管路的聲傳遞損失特性。從圖2可以看出，當(dāng)lp=40 cm時(shí)，在所關(guān)注的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了一條聲傳播低頻衰減帶隙：122～194 Hz，該頻帶內(nèi)減噪量(noise reduction，NR)在5 dB以上，最大衰減量達(dá)80 dB；當(dāng)lp增加為60 cm時(shí)，噪聲衰減量在5 dB以上的頻帶范圍為116～173 Hz，最大衰減值84 dB；這兩種情況的噪聲衰減峰值位置均位于141 Hz附近；當(dāng)lp進(jìn)一步增大到80 cm時(shí)，除了在衰減峰值附近有消聲帶隙外，在較高頻率范圍還出現(xiàn)了第二條帶隙，這兩條帶隙頻率范圍分別約為：105～165 Hz和195～260 Hz?？梢?jiàn)，在這三種晶格常數(shù)下，周期管路在頻率141 Hz附近均有聲傳播低頻衰減帶隙出現(xiàn)，帶隙噪聲衰減量在5 dB以上的帶寬可達(dá)55 Hz及以上，噪聲最大衰減量在70 dB以上。隨著lp的增大，該帶隙會(huì)稍向低頻移動(dòng)，但其最大聲衰減量位置基本不變，始終處于共振峰位置。事實(shí)上，此帶隙即所謂的局域共振帶隙(resonant gap, RG)，它的形成機(jī)理遵循局域共振帶隙機(jī)理，即周期結(jié)構(gòu)中的各個(gè)“共振單元”在入射聲波激勵(lì)下產(chǎn)生諧振并與“基體”長(zhǎng)波行波相互作用誘導(dǎo)所致[17]。該帶隙中心頻率主要取決于單個(gè)共振單元(Helmholtz消聲器)的共振頻率fH。對(duì)于此處的共振單元，其共振頻率可由式(1)計(jì)算獲得

(1)

式中：LH=ρlne/Sn和CH=Vm/ρc2分別為Helmholtz消聲器的聲抗和聲容；lne為頸管的修正長(zhǎng)度[18]；ρ和c分別為消聲器內(nèi)介質(zhì)密度和聲速；Vm和Sn分別為Helmholtz共振腔的體積和頸管橫截面積。由該式可得到上述參數(shù)下該Helmholtz消聲器的共振頻率fH為141 Hz，這與圖中局域共振帶隙最大衰減峰值相一致。由式(1)可以知道，改變晶格常數(shù)并未能調(diào)節(jié)共振頻率值，因此，局域共振帶隙在不同晶格常數(shù)下其帶隙基本保持不變。此外，圖2中當(dāng)lp取為80 cm時(shí)，在所計(jì)算頻率范圍內(nèi)還出現(xiàn)了第二條帶隙，此帶隙對(duì)聲傳播抑制效果較第一條帶隙較弱，它即布拉格帶隙(bragg gap, BG)，其形成原因可以歸結(jié)為周期管路中各個(gè)周期單元間的入射波、反射波和傳遞波之間相互耦合，并在某些頻段內(nèi)產(chǎn)生相消干涉從而阻止相應(yīng)頻率的聲波往下游管路傳播。該帶隙遵循布拉格散射帶隙機(jī)理，其帶隙頻率滿足布拉格條件

(2)

式中，n為第n條布拉格帶隙。在上述參數(shù)下，獲得第一條布拉格帶隙中心頻率fB,1為212 Hz，這與圖中布拉格帶隙頻率位置基本相符。進(jìn)一步調(diào)節(jié)布拉格條件或共振單元的共振參數(shù)，可使布拉格帶隙和局域共振帶隙相互靠近，并在一定條件下，這兩種帶隙的帶邊相互接合，形成一個(gè)超寬帶隙，謂之為耦合帶隙(coupled gap, CG)。布拉格帶隙和局域共振帶隙的精確耦合為

fH=fB,n

(3)

不失一般性，增大晶格常數(shù)，使布拉格帶隙向低頻移動(dòng)，如圖3所示。當(dāng)lp=121.34 cm時(shí)，Helmholtz消聲器的共振頻率fH與第一條布拉格帶隙的布拉格條件fB, 1相等，此時(shí)兩種條帶隙剛好相互耦合，在低頻域形成一條超寬強(qiáng)衰減耦合帶隙：90～200 Hz，如圖中陰影區(qū)域所示。該帶隙可使原來(lái)聲衰減量本不大的布拉格帶隙的聲衰減能力得到顯著的增強(qiáng)，同時(shí)，共振帶隙的最大消聲峰值會(huì)有所減小。不過(guò)，整條耦合帶隙頻率范圍內(nèi)對(duì)噪聲傳播的衰減均處于一個(gè)較高的水平，且?guī)掃h(yuǎn)比耦合前的任一條帶隙寬度寬得多，差不多等于兩條帶隙寬度之和。因此，利用耦合帶隙控制空調(diào)通風(fēng)管路系統(tǒng)的低頻噪聲傳播，頻帶將更寬廣，效果將更為顯著。

圖3 晶格常數(shù)變化下周期管路中布拉格帶隙和局域共振帶隙的耦合Fig.3 The couple of Bragg and locally-resonant gaps achieved by changing the lattice constant

2 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果討論

管路可按照相對(duì)于聲音來(lái)源方向和測(cè)試管路的位置分別命名為上游管路和下游管路，測(cè)試管路上、下游側(cè)可分別看成兩個(gè)獨(dú)立聲學(xué)系統(tǒng)。對(duì)于安裝消聲器的管路系統(tǒng)的消聲性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)最常用的有噪聲衰減量、插入損失(insertion loss，IL)和傳遞損失等幾種[19-21]。其中，噪聲衰減量定義為消聲器進(jìn)口截面聲壓級(jí)與出口截面聲壓級(jí)之差，也稱為減噪量，其表達(dá)式為

NR=10lg(Ii)-10lg(Io)

(4)

式中，Ii和Io分別為測(cè)試管路上、下游側(cè)的聲功率。插入損失則定義為在管路下游某聲壓測(cè)試點(diǎn)在接入消聲器前后的聲壓級(jí)差值，如下

IL=10lg(IP)-10lg(IM)

(5)

式中，IM和IP分別為安裝消聲器時(shí)和不安裝消聲器時(shí)管路出口的聲功率。對(duì)于周期管路的聲傳播特性測(cè)試，可將周期管路(即測(cè)試管路)視為一個(gè)消聲元件整體，在周期管路兩端安裝阻抗管、聲傳感器、揚(yáng)聲器和管端邊界，如圖4所示。將所設(shè)計(jì)的Helmholtz消聲器周期管路放置于圖中虛線框內(nèi)。布置在上游管一端的揚(yáng)聲器用以發(fā)射掃頻信號(hào)。聲信號(hào)采集及激勵(lì)系統(tǒng)由含任意波形信號(hào)發(fā)生器的B & K 7700 Pulse軟件及3560C型多分析儀硬件采集前端、2732立體聲功率放大器、4260阻抗管、以及頻響匹配精度較高的4187型傳聲器構(gòu)成。PULSE軟件用于輸出穩(wěn)態(tài)高斯白噪聲信號(hào)至2732功率放大器，信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)大后驅(qū)動(dòng)4206T內(nèi)置揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，4187傳聲器在相應(yīng)測(cè)量位置拾取聲音信號(hào)并輸入至3560C型多分析儀采集前端，并將信號(hào)采集前端的聲信號(hào)輸入PULSE 軟件計(jì)算得到聲傳感器位置的聲功率級(jí)。若是基于雙傳聲器傳遞函數(shù)法，該阻抗管的有效測(cè)量頻段為50～6.4 kHz。由于試驗(yàn)場(chǎng)地和條件限制，本試驗(yàn)采用減噪量和插入損失來(lái)考察所設(shè)計(jì)周期管路的消聲效果，測(cè)試原理圖見(jiàn)圖4。

圖4 管路噪聲傳遞特性測(cè)試原理示意圖Fig.4 Sketch map of the test method for noise transmitting in the piping system

圖5所示為試驗(yàn)加工制造的周期管路實(shí)物照片，圖中，Helmholtz消聲器的頸管半徑rn、長(zhǎng)度ln和共振腔半徑rm、長(zhǎng)度lm及空調(diào)通風(fēng)管路半徑rp均與圖2、圖3保持一致。周期管路上開(kāi)有多個(gè)螺紋孔座，這樣，Helmholtz消聲器可以在主管路上按不同的間隔安裝布置，研究不同晶格常數(shù)下的消聲性能。圖6給出的是試驗(yàn)周期管路在幾中不同布置間距下的減噪量曲線。

圖5 試驗(yàn)管路圖Fig.5 Experimental picture of the noise test

由于測(cè)試條件限制，管路軸向上不可能安裝無(wú)限多的消聲器形成理想周期結(jié)構(gòu)，只能安裝數(shù)目有限的消聲器，因此試驗(yàn)中只考慮安裝3個(gè)Helmholtz消聲器的空調(diào)通風(fēng)管路。

圖6中三角形點(diǎn)劃線、圓點(diǎn)點(diǎn)劃線和實(shí)線分別對(duì)應(yīng)以下三種工況：①消聲器與阻抗管以及消聲器間的間距分別為lp1=24 cm，lp2=40 cm，lp3=40 cm和lp4=24 cm，如圖所示；②lp1=66 cm，lp2=63 cm，lp3=60 cm和lp4=66 cm；③lp1=36 cm，lp2=103 cm，lp3=100 cm和lp4=17 cm。理論上，對(duì)于理想周期結(jié)構(gòu)，要求每?jī)蓚€(gè)Helmholtz消聲器的間距l(xiāng)p能夠保持一致。但由于試驗(yàn)管路加工精度和周期管路單元兩端套筒寬度的影響，使Helmholtz消聲器間的間距難以保持一致。因此，后兩種工況下，消聲器間的間距不是嚴(yán)格相等的，而是有些誤差。這個(gè)安裝誤差的影響將在下文中進(jìn)行分析。

觀察圖6可以看出，在上述幾種不同安裝間距下，布置了3個(gè)Helmholtz消聲器的空調(diào)通風(fēng)管路系統(tǒng)(近似有限周期管路)在所關(guān)注低頻域均有聲傳播衰減帶隙出現(xiàn)。

圖6 試驗(yàn)測(cè)得幾種不周期間距下試驗(yàn)管路的減噪量曲線Fig.6 Noise reduction curves of the experimental pipe with various installing spaces

譬如，當(dāng)消聲器間安裝間距l(xiāng)p=40 cm時(shí)，有一個(gè)低頻消聲帶隙出現(xiàn)，該帶隙頻率范圍約為108～180 Hz，最大衰減量達(dá)60 dB，消聲峰值位于140 Hz附近；當(dāng)間距進(jìn)一步增大時(shí)，如圖6中圓點(diǎn)點(diǎn)劃線所示，局域共振帶隙兩邊帶邊頻率略向低移偏移，不過(guò)消聲峰值位置基本保持不變；當(dāng)消聲器間的間隔增大到足夠大時(shí)，如圖中實(shí)線所示的情況時(shí)，不僅出現(xiàn)了布拉格帶隙，而且此時(shí)的布拉格帶隙下帶邊基本和局域共振帶隙的上帶邊相接壤，形成一個(gè)比前兩種工況更寬的消聲帶。分別將圖6中的三條曲線與圖2、圖3中相對(duì)應(yīng)的曲線對(duì)比，可見(jiàn)試驗(yàn)所測(cè)與數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果基本一致，但也存在一定的偏差，如第一種工況：lp=40 cm時(shí)，數(shù)值仿真的帶隙頻率范圍是122～194 Hz，消聲峰位置為141 Hz；而實(shí)測(cè)的結(jié)果是108～180 Hz，消聲峰位置為140 Hz。造成這個(gè)偏差的原因，筆者認(rèn)為主要有兩個(gè)方面：一是加工誤差；二是測(cè)試環(huán)境誤差。加工誤差主要是加工的消聲器尺寸與數(shù)值仿真計(jì)算的尺寸難以完全一致，而且每個(gè)消聲器的尺寸也略有些不同。測(cè)試環(huán)境誤差則是因?yàn)閿?shù)值仿真計(jì)算的環(huán)境為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15 ℃下的管道完美輻射邊界條件，而試驗(yàn)測(cè)試時(shí)的氣壓和溫度與該標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境有出入。而且測(cè)試用的阻抗管管端雖然加了吸聲材料，但與理想邊界條件尚有差距。值得一提的是，Helmholtz消聲器間的間距由于加工誤差，沒(méi)有嚴(yán)格相等。這在下文中將會(huì)重點(diǎn)分析這個(gè)間距誤差對(duì)管路系統(tǒng)消聲特性帶來(lái)的影響。

理論計(jì)算與試驗(yàn)所測(cè)雖有誤差，但大體的帶隙頻率范圍基本一致，參數(shù)調(diào)節(jié)變化規(guī)律相同，且消聲峰值誤差也只有1 Hz，誤差值不大，可以接受?？梢哉f(shuō)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果較為有力的驗(yàn)證了聲學(xué)周期管路的消聲設(shè)計(jì)原理。

進(jìn)一步測(cè)試所計(jì)周期管路的插入損失。插入損失考慮了消聲器和管道系統(tǒng)的源阻抗及負(fù)載阻抗等特性影響，可以反映裝置消聲器前后的綜合消聲效果。試驗(yàn)中，先測(cè)得安裝Helmholtz消聲器周期管路下游管路聲傳感器的聲功率級(jí)IM(ω)，再將周期管路上的消聲器去掉，測(cè)試同樣管路在未安裝消聲器情況下游管路傳感器的聲功率級(jí)IP(ω)，通過(guò)式(5)計(jì)算即可得到周期管路的插入損失。由于測(cè)試試驗(yàn)條件限制，測(cè)試未考慮介質(zhì)流動(dòng)的工況。雖然介質(zhì)流動(dòng)對(duì)Helmholtz消聲器的消聲效果有一定的削弱作用，但消聲器基本能保持其原本的消聲特性。測(cè)試中選取消聲器安裝間距較大的兩種工況進(jìn)行測(cè)量：①lp1=56 cm，lp2=83 cm，lp3=80 cm和lp4=36 cm；②lp1=36 cm，lp2=103 cm，lp3=100 cm和lp4=17 cm，即圖6中實(shí)線所對(duì)應(yīng)工況。測(cè)試結(jié)果如圖7所示，圖7中星點(diǎn)線和圓點(diǎn)線分別對(duì)應(yīng)這兩種間距工況下的聲插入損失。

圖7 試驗(yàn)測(cè)得周期試驗(yàn)管路的插入損失曲線Fig.7 Transmission losses for the experimental periodic pipe

從圖7中星點(diǎn)線可以看出，在該安裝間距下，周期管路在低頻域出現(xiàn)了兩個(gè)聲傳播衰減帶隙：104～164 Hz和176～224 Hz，它們分別為局域共振帶隙和布拉格帶隙。由布拉格條件知道，當(dāng)周期管路中兩消聲器間的間隔增加時(shí)，布拉格帶隙將向低頻移動(dòng)，如圖中圓點(diǎn)線所示。在該參數(shù)條件下布拉格帶隙的下帶邊與局域共振帶隙的上帶邊已經(jīng)相互接合，形成耦合帶隙：106～216 Hz，其帶寬達(dá)到118 Hz。帶隙頻率范圍與圖6的帶隙基本吻合，所觀察到的結(jié)果與圖6高度一致。這再一次檢驗(yàn)了該周期管路對(duì)低頻噪聲傳播控制的有效性和測(cè)試結(jié)果的正確性。帶隙耦合使周期管路布拉格帶隙的噪聲衰減量上有較大的增加，拓寬了噪聲強(qiáng)衰減頻帶，從而提高了整個(gè)周期管路在低頻域的消聲效果。不過(guò)，圖7中的耦合帶隙不算真正的完美(理想)耦合帶隙，因?yàn)樵囼?yàn)中的Helmholtz消聲器布置間距未能達(dá)到理論預(yù)測(cè)的精確耦合條件：121.43 cm，導(dǎo)致本次試驗(yàn)未能獲得圖3所呈現(xiàn)的完美(理想)耦合帶隙。這也是后續(xù)工作需要改進(jìn)的地方。

圖6與圖7中低頻段(50 Hz以下)的測(cè)試曲線出現(xiàn)了一些振蕩，與理論預(yù)測(cè)有一定偏差。分析認(rèn)為，這是由于阻抗管測(cè)量的頻率范圍和阻抗管本身的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，且測(cè)試管路末端與測(cè)量室之間沒(méi)有嚴(yán)格隔開(kāi)，測(cè)量室亦不是消聲室，存在低頻環(huán)境噪聲，影響了這一頻段管路聲傳播特性曲線的測(cè)量。所幸設(shè)計(jì)的周期管路結(jié)構(gòu)其聲波帶隙基本在100 Hz以上。因此，低頻段的測(cè)量條件限制尚未影響到本文的聲波帶隙試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖8所示為有限周期和近似有限周期管路的聲傳遞損失曲線，計(jì)算采用有限元模型仿真計(jì)算，選擇圖7中的兩種工況對(duì)比分析。先看第一種情況：3個(gè)消聲器間距離分別為80 cm和83 cm時(shí)近似有限周期管路的聲傳遞損失與晶格常數(shù)為80 cm時(shí)周期管路的聲傳遞損失，分別對(duì)應(yīng)圖中的圓點(diǎn)線和實(shí)線。近似有限周期管路其中一個(gè)消聲器安裝間距比周期管路的晶格常數(shù)80 cm大3 cm，從而導(dǎo)致其布拉格帶隙的帶邊頻率略微向低移偏移，不過(guò)，總體上對(duì)帶隙位置、寬度、衰減程度的影響微乎其微。再看第二種情況，也是近似有限周期管路的其中一個(gè)消聲器安裝間距比周期管路的晶格常數(shù)大3 cm，如圖中星點(diǎn)線與虛線所示。對(duì)比這兩條曲線可以看出，這樣的一個(gè)誤差值對(duì)絕大部分頻率對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)沒(méi)有明顯的影響，不過(guò)對(duì)局域共振帶隙和布拉格帶隙相鄰的帶邊頻率稍有影響。這是因?yàn)閹对隈詈线^(guò)程中，參數(shù)越是接近精確耦合條件，帶邊頻率對(duì)參數(shù)變化越是敏感。而此時(shí)的晶格常數(shù)已經(jīng)較為接近兩種帶隙的精確耦合條件，所以稍有影響。不過(guò)，影響的帶邊頻率偏移量大約在10 Hz以內(nèi)，筆者認(rèn)為這樣的誤差可以接受，因?yàn)橛绊憙H局限于兩種帶隙相接壤的頻率范圍。當(dāng)然這種誤差在設(shè)計(jì)之初應(yīng)當(dāng)盡量避免。

圖8 有限周期和近似有限周期管路的聲傳遞損失Fig.8 Transmission losses for an finite ideal periodic pipe and a finite sub-periodic experimental pipe

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了頸管端開(kāi)有螺紋的Helmholtz消聲器和開(kāi)有多個(gè)螺紋孔座的空調(diào)通風(fēng)管路。通過(guò)頸管螺紋主管路螺紋孔座的匹配安裝，可以形成不同晶格常數(shù)(周期單元長(zhǎng)度)的周期管路。對(duì)該周期管路的聲傳播特性仿真計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的周期管路存在可使聲波傳播發(fā)生衰減的局域共振帶隙和布拉格帶隙。局域共振帶隙位置主要取決于單個(gè)共振單元的共振頻率，而布拉格帶隙位置則主要取決于晶體常數(shù)大小。當(dāng)Helmholtz消聲器布置間距增大時(shí)，可使布拉格帶隙向低頻移動(dòng)并與局域共振相互接合，形成超寬低頻帶隙，即耦合帶隙。耦合帶隙使布拉格帶隙的噪聲衰減能力得到較大的增強(qiáng)，從而有效展寬了噪聲強(qiáng)衰減頻帶，提高周期管路在低頻域的消聲效果。進(jìn)一步，對(duì)該周期管路的噪聲衰減量和插入損失進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果證實(shí)了周期管路中局域共振帶隙和布拉格帶隙的存在，觀察到了兩種帶隙位置在安裝間距調(diào)節(jié)下的耦合帶隙。帶隙頻率范圍與有限元模型仿真計(jì)算結(jié)果基本一致，參數(shù)調(diào)節(jié)變化規(guī)律相同，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果較有力的驗(yàn)證了聲學(xué)周期管路的消聲設(shè)計(jì)原理。最后，分析了加工制造誤差對(duì)聲波帶隙的影響和提出后續(xù)試驗(yàn)中應(yīng)避免的問(wèn)題。總之，試驗(yàn)結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果兩方面有力說(shuō)明了利用帶隙特性進(jìn)行空調(diào)通風(fēng)管路低頻噪聲傳播控制的有效性和可行性，可為現(xiàn)代船舶空調(diào)通風(fēng)管路系統(tǒng)低頻噪聲的治理提供技術(shù)支撐。