并联不等深背腔微穿孔板吸声体设计方法

技术领域

本发明涉及周期性并联不等深背腔的紧凑型微穿孔板吸声体的降噪技术领域，具体为一种并联不等深背腔微穿孔板吸声体设计方法。

背景技术

微穿孔板吸声体(MPA)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MPA的吸声原理。根据其四个主要参数(穿孔率、孔径、板厚、背腔深度)的不同组合可获得不同的吸声特性以满足不同吸声需求，并具有结构简单、加工安装方便可靠、无需内敷多孔吸声材料等优点。

然而，该吸声体的主要吸声频带仅在共振吸声峰附近，无法在较宽的频带上实现较高的吸声系数，这也使MPA在实际使用中受到了一定限制，为了拓宽MPA的有效吸声带宽，在微穿孔板板厚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体积变大，结构不够紧凑，故在拓宽吸声频带的同时，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频带的定量关系，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

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供一种可快速指导PCD-MPA(Micro-perforatedPanel Absorber with Periodic Cavities of Different-depths)腔体深度设计，实现对目标频带降噪，使PCD-MPA结构更紧凑，减少空间的占用的并联不等深背腔微穿孔板吸声体设计方法。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种并联不等深背腔微穿孔板吸声体设计方法，包括如下步骤：

步骤1，视管道横截面尺寸，初步确定PCD阶数、腔体宽度、深度序列、MPP参数，根据PCD-MPA吸声系数的预测方法，绘制初步的吸声系数曲线；

步骤2，观察吸声系数曲线，找出其吸声谷，并根据lx-fα,max图线得出吸声谷对应的腔体深度，设置该深度的腔体即可将该吸声谷的吸声系数得到提升，并调整PCD的深度序列，重新绘制PCD-MPA的吸声系数曲线；

步骤3，不断重复过程步骤2，直到得出符合要求的吸声系数曲线，并记录对应的PCD-MPA参数；

步骤4，对于调整腔体深度后满足吸声要求的PCD-MPA，再调整PCD-MPA腔体排序，微调腔体深度，以便于卷曲，得到结构紧凑的PCD-MPA；

步骤5，腔体深度微调后，重新绘制卷曲后的PCD-MPA的吸声系数曲线，观察曲线，是否满足设计要求，若不满足，则返回步骤2继续优化，直到满足要求；

步骤6，记录PCD-MPA的各项参数。

优选地，所述PCD-MPA吸声系数的预测方法是借助有限元分析软件COMSOLMultiphysics完成PCD-MPA的数值建模工作，预测声波不同角度入射时PCD-MPA的吸声性能。

优选地，建模过程中，在不影响计算结果准确性的前提下做了适当的简化：第一，该吸声体在xy平面上是等截面的，故将三维模型简化为二维模型；第二，PCD背腔内的分隔板极薄，在几何建模时仅以直线表示其位置而不体现厚度，且忽略结构自身振动带来的影响。

优选地，在PCD-MPA的有限元仿真模型中，包括两个声学作用域：压力声学及热粘滞性声学，两个作用域交接的部分形成热-声耦合边界，虚拟阻抗管左端与完美匹配层相邻，设置无反射边界条件以模拟无限大的声学扩散场；右端为MPP局部反应表面，将前述声阻抗率ZMPP定义到该边界。

优选地，调整PCD-MPA的腔体序列基本方法是将深度较小的腔体布置在中间，由中间向两侧的腔体深度逐渐变大。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种并联不等深背腔微穿孔板吸声体设计方法，具备以下有益效果：

1、本发明得出的lx-fα,max图线，可快速指导PCD-MPA腔体深度的设计。

2、按需设计PCD-MPA参数，包括腔体深度、腔体宽度、MPP参数，实现对目标频带的降噪。

3、通过卷曲各腔体，使PCD-MPA结构更紧凑，减少空间的占用。

附图说明

图1为PCD-MPA二维结构示意图；

图2为PCD-MPA的有限元数值仿真模型(a)物理模型；(b)有限元仿真网格化模型；

图3为PCD-MPA的解析计算结果与有限元仿真结果对比验证(a)入射角；(b)入射角；(c)入射角；(d)780Hz及2460Hz下PCD-MPP表面能流密度分布图，箭头表示大小与方向；

图4为PCD-MPA腔体深度对正入射吸声系数的影响；

图5(a)、5(b)为PCD-MPA腔体深度与共振吸声频带的关系分析；

图6为PCD腔体深度度lx与共振吸声频带fα,max的关系曲线；

图7为PCD-MPP腔体深度lx与共振吸声频带fα,max关系曲线的验证；

图8为PCD-MPA的设计方法归纳；

图9为某噪声的声压级频谱特性；

图10为初拟的PCD-MPA的吸声系数曲线；

图11为调整背腔深度后的PCD-MPA的吸声系数曲线；

图12为满足吸声要求的紧凑型PCD-MPA的吸声系数曲线。

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1-12，一种并联不等深背腔微穿孔板吸声体设计方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，视管道横截面尺寸，初步确定PCD阶数、腔体宽度、深度序列、MPP参数，根据PCD-MPA吸声系数的预测方法，绘制初步的吸声系数曲线；

步骤2，观察吸声系数曲线，找出其吸声谷，并根据lx-fα,max图线得出吸声谷对应的腔体深度，设置该深度的腔体即可将该吸声谷的吸声系数得到提升，并调整PCD的深度序列，重新绘制PCD-MPA的吸声系数曲线；

步骤3，不断重复过程步骤2，直到得出符合要求的吸声系数曲线，并记录对应的PCD-MPA参数；

步骤4，对于调整腔体深度后满足吸声要求的PCD-MPA，再调整PCD-MPA腔体排序，微调腔体深度，以便于卷曲，得到结构紧凑的PCD-MPA；

步骤5，腔体深度微调后，重新绘制卷曲后的PCD-MPA的吸声系数曲线，观察曲线，是否满足设计要求，若不满足，则返回步骤2继续优化，直到满足要求；

步骤6，记录PCD-MPA的各项参数。

在深度序列为25mm、49mm、76mm，腔体宽度b＝1mm的直腔3阶PCD-MPA基础上，分别新增深度为303、10、5的腔体，构成[303；25；49；76]、[10；25；49；76]、[5；25；49；76]三种PCD，并分别与[25；49；76]的PCD对比，分析吸声峰的变化，如图4所示，发现新增腔体的深度越大，吸声峰越向低频靠近，故可推测，303mm、10mm、5mm深度的腔体分别对应240Hz、2500Hz、3500Hz的吸声峰，该方法可得到腔体深度与共振吸声峰频率的关系，并指导PCD的优化。

根据这种对应关系确定相应的腔体深度。现以腔体宽度为1mm的二阶PCD-MPA为例，保持其中一个腔体深度不变，改变另一腔体深度，观察其吸声峰的移动，便可得出腔体深度与吸声峰频带的对应关系。

图5(a)的图1给出了[303；5]、[303；10]、[303；15]、[303；20]、[303；25]、[303；35]六种深度序列的2阶PCD-MPA的吸声系数曲线，由图可知，深度为5、10、15、20、25、35mm的腔体的吸声峰所在频带分别为3460、2350、1860、1620、1350、1140Hz，与此同时，还绘制了这些腔体深度(微穿孔板的参数相同)在微穿孔板吸声结构的对应的正入射吸声系数曲线，如图5(a)的图2，以上这些腔体深度在MPP的首个共振吸声频带分别为1220Hz、1480Hz、1700Hz、1980Hz、2460Hz、3555Hz，由于MPP吸声结构与PCD-MPA吸声结构在吸声原理上稍有差别，两者的共振吸声频带有100Hz左右的偏移，但总体来说具有很好的对应性。

随着腔体深度逐渐向303mm靠近，其吸声峰也逐渐靠近，出现两个峰值合并的情况，进而影响对峰值所在频带的判断。

现以[150；10]、[100；10]、[70；10]、[50；10]四种序列的2阶PCD-MPA(腔体宽度b＝1mm)的吸声系数曲线进行研究。由图5(b)可知，深度为50、70、100、150mm的腔体的吸声峰所在频带分别为960、760、580、420Hz。这些深度的腔体在单层MPP中，其吸声峰频带有20Hz左右的偏移。与高频相比，低频吸声峰的偏移量较小。

按照上述方法，统计多组腔体深度lx与吸声峰频带fα,max的定量关系，得到表格2，再把表2数据绘制成散点图，并拟合，得到如图6所示的关系曲线，需指出的是，该曲线是基于腔体宽度为1mm的2阶PCD-MPA得出，且MPP参数为d＝t＝0.4mm，p＝1.8％。

表2：PCD腔体深度lx与共振吸声频带fα,max的对应关系统计表

以序列[189；76；49；25；10]为例，对lx-fα,max图线是否适用于5阶PCD-MPA进行验证(图7左侧两幅)。在图7的lx-fα,max图线中，各深度腔体分别对应点A、B、C、D、E，吸声峰分别位于360Hz、750Hz、1000Hz、1450Hz、2460Hz；在吸声系数曲线中，吸声峰a、b、c、d、e分别位于360Hz、740Hz、940Hz、1400Hz、2460Hz。lx-fα,max图图线能较为准确预测从低频到中高频的5阶PCD-MPA各深度腔体的吸声峰位置。

现对lx-fα,max图线是否适用于腔体宽度b＝10mm的PCD-MPA进行验证(图7右侧两幅)，以序列为[25；49；76；10]为例。在图7的lx-fα,max图线中，各深度腔体分别对应点C、B、A、D，吸声峰分别位于750Hz、1000Hz、1450Hz、2460Hz；在吸声系数曲线中，吸声峰a、b、c、d分别位于760Hz、940Hz、1400Hz、2460Hz。当腔体宽度为10mm时，lx-fα,max图线也能较为准确预测各深度腔体的吸声峰位置。

综上，lx-fα,max图线是基于MPP参数为d＝t＝0.4mm，p＝1.8％的条件下提出，可快速指导不同腔体宽度、不同阶数的PCD-MPA设计，具有较高精度。可用同样方法绘制其他MPP参数下的PCD-MPA腔深与共振吸声频率的图线。

其中，PCD-MPA吸声系数的预测方法是借助有限元分析软件COMSOL Multiphysics完成PCD-MPA的数值建模工作，预测声波不同角度入射时PCD-MPA的吸声性能。

其中，建模过程中，在不影响计算结果准确性的前提下做了适当的简化：第一，该吸声体在xy平面上是等截面的，故将三维模型简化为二维模型；第二，PCD背腔内的分隔板极薄，在几何建模时仅以直线表示其位置而不体现厚度，且忽略结构自身振动带来的影响。

图1展示了PCD-MPA的二维结构示意图。图1(a)、1(b)分别为直腔和紧凑型(卷曲后)的PCD-MPA，相关参数及描述见表1。称拥有N个并联子背腔的该种吸声体单元为N阶PCD-MPA，b为单个子背腔宽度，忽略极薄的分隔板厚度，T＝N×b为一个周期背腔的总宽度。图1(a)中三个直腔平行排布于MPP后，其深度分别为lx1、lx2、lx3，经过卷曲形成了图1(b)所示的外部形状规整、内含多个分隔板的矩形背腔，它们之间通过子背腔等效深度lx相联系，lt为紧凑型PCD-MPA的厚度。

表1：PCD-MPA的主要参数

其中，在PCD-MPA的有限元仿真模型中，包括两个声学作用域：压力声学及热粘滞性声学，两个作用域交接的部分形成热-声耦合边界，虚拟阻抗管左端与完美匹配层相邻，设置无反射边界条件以模拟无限大的声学扩散场；右端为MPP局部反应表面，将前述声阻抗率ZMPP定义到该边界。

现以腔体宽度为1mm的三阶PCD-MPA为例，其腔体深度序列为[25，49，76]，MPP参数为。其中，利用数值解析的方法来计算图1(a)所示PCD-MPA的斜入射吸声系数，利用有限元仿真来计算图1(b)所示的斜入射吸声系数，通过对比两者吸声系数曲线的重合度，来验证上述斜入射吸声系数预测方法的准确性。

对比结果如图3所示。研究表明：声波以不同角度入射时，PCD-MPA的吸声系数解析计算结果与有限元仿真模拟结果几乎完全吻合，这表明前文提出的PCD-MPA吸声性能理论预测方法是合理可行的。截取图3(a)中780Hz及2460Hz处的两个频点，其并联直腔及卷曲子背腔的吸声体表面能流密度分布情况如图3(d)所示。经观察可知：在同一频率下，并联直腔与卷曲子背腔的PCD-MPA表面能流密度分布情况完全相同，780Hz时子背腔l2及l3与孔颈中的空气柱共振强烈，吸声系数可达0.99，2460Hz时子背腔l1在整个吸声机制中起主导作用，吸声系数为0.78。

综上，前文提出的PCD-MPA吸声性能的理论预测方法是可行有效的，卷曲子背腔能够在节省空间的同时保证吸声性能不发生改变。当PCD结构较为复杂时，只需求出等效深度序列即可较为准确的预测PCD-MPP的吸声性能。

其中，调整PCD-MPA的腔体序列基本方法是将深度较小的腔体布置在中间，由中间向两侧的腔体深度逐渐变大，通过卷曲各腔体，使PCD-MPA结构更紧凑，减少空间的占用。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。