微穿孔板聲學結構的機理特點及其在吸聲、消聲及隔聲領域的應用

     本文論述了微穿孔板聲學結構的機理特點及其在吸聲、消聲及隔聲領域的應用，并提供了本安百利輔機廠消聲器的產品設計性能、規格以及制造工藝技術，可供專業人員參考。    　
　【關鍵詞】微穿孔板 吸聲 消聲 噴阻 巖棉
    一、 前言　
　 著名的聲學專家、科學院院士馬大猷教授一九七五年在《中國科學》上發表了獨創的《微穿孔板吸聲結構的理論和設計》論文。二十多年來，根據馬先生的理論，微穿孔板結構得到了迅速發展，并在各個領域廣泛應用。我安百利電力輔機廠是把馬先生的理論應用于實踐的單位之一，生產制造了各種規格的不同類型的消聲器，并將微穿孔板吸聲結構成功結合于抗阻型消聲器中,使消聲器不怕水，耐溫防火，清潔，無污染，可耐高溫，耐腐蝕，能承受高連氣流沖擊。在吸聲降噪方面已經得到十分廣泛應用。并用于各發電單位重要環保降噪工程。本文重點介紹微穿孔板消聲器的設計制造技術,同時概述微穿孔板的加工制造技術。
二、 微穿孔板吸聲結構：　　
     在板厚小于1.0毫米的薄板上穿以孔徑小于1.0毫米的微孔，穿孔率在1～5%之間，后部留有一定的厚度（5～20cm）的空氣層，空腔內不填任何吸聲材料，這樣即構成了微穿孔板吸聲結構。常用單層或雙層微穿孔板結構形式。微穿孔板吸聲結構是一種低聲質量、高聲阻的共振吸聲結構，其性能介于多孔吸聲材料和共振吸聲結構之間，其吸聲頻帶寬度可優于常規的穿孔板共振吸聲結構。研究表明，表征微穿孔板吸聲特性的吸聲系數和頻帶寬度，主要由微穿孔板結構的聲質量m和聲阻r來決定，而這兩個因素又與微孔直徑d及穿孔率p有關。微穿孔板吸聲結構的相對聲阻抗Z（以空氣的特性阻抗ρC為單位）用式（1）計算：　
　z=r+jwm=jctg(WD/C)　　（1）　　式中：　
　ρ -- 空氣密度（公斤/厘米3）；
　　C -- 空氣中聲速（米/秒）；　　
D -- 腔深（穿孔板與后壁的距離）（毫米）；　
　m -- 相對聲質量；　　r -- 相對聲阻； 　
　w -- 角頻率，W=2πf(f為頻率)；　　
而r和m分別由式（2）（3）表達：　　r=atkr/dzp 　　（2）
　　m=(0.294)×10-3tkm/p 　　（3）　　式中：　　
t-- 板厚（毫米）　　d-- 孔徑（毫米）　
　p-- 穿孔率（%） 　　kr-- 聲阻系數 　
　kr=(1+x2/32)1/2+(2x)1/2/8×d/t　　
km--聲質量系數　　km=1+(1+(1/(9+(x2/2))))+0.85d/t　
　其中x=ab f，a和b為常數，對于絕熱板a=0.147,b=0.32對于導熱板a=0.235，b=0.21。聲吸收的角頻帶寬度，近似地由r/m決定，此值越大，吸聲的頻帶越寬。
　　r/m=(l/d2)×(kr/km)　　(4)　　式中
l-- 常數，對于金屬板l=1140,而隔熱板l=500。
上式也可以用式（5）表達　　
r/m=50f((kr/km)/x2)　　(5)　
　而kr/km的近似計算式為　
　kr/km=0.5＋0.1x＋0.005x2　(6)　
　利用以上各式就可以從要求的r、m 、f求出微穿孔板吸聲結構的x、d、t、p等參量。由于微穿孔板的孔徑很小且稀，基聲阻r值比普通穿孔板大得多，而聲質量m又很小，故吸聲頻帶比普通穿孔板共振吸聲結構大得多，一般性能較好的單層或雙層微穿孔板吸聲結構的吸聲頻帶寬度可以達到6～10個1/3信頻程以上。這就是微穿孔板吸聲結構最大的特點。
　　共振時的最大吸聲系數α0為　　α0=4r/(1+r)2　　(7)　
　 具體設計微穿孔板吸聲結構時，可通過計算，也可查圖表，計算結果與實測結果相近。在實際工程中為了擴大吸聲頻帶的寬度，往往采用不同孔徑、不同穿孔率的雙層或多層微穿孔板復合結構。　　
　 三、微穿孔板消聲器　　
      微穿孔板聲學結構在消聲技術領域也早有十分廣泛的應用，利用微穿孔板聲學結構設計制造的微穿孔板消聲器種類繁多，最簡單的是直管式消聲器，而多數是阻抗復合式消聲器。微穿孔板消聲器用金屬穿孔薄板制成，常見的微穿孔板可用鋼板(管)、不銹鋼板(管)、合金板(管)等材料制做，由于微穿孔板后的空氣層內可填裝多孔性巖棉材料，即利用吸聲材料的阻性吸聲原理,進一步達到降噪消聲目的.其吸聲系數高，吸收頻帶寬，壓力損失很小，氣流再生噪聲低，且易于控制。為獲得寬頻帶高吸收效果，一般用雙層微穿孔板結構。微穿孔板與外殼之間以及微穿孔板之間的空腔尺寸大小按需要吸收的頻帶不同而異，吸收低頻空腔大些（150~200毫米），中頻小些（80~120）毫米，高頻更小些（30~50毫米），雙層結構的前腔深度一般應小于后腔，前后腔深度之比不大于1：3，前部接近氣流的一層微穿孔板穿孔率應高于后層，為減小軸向聲傳播的影響，可在微穿孔板消聲器的空腔內每隔500毫米左右加一塊橫向隔板。　　單層管式微穿孔板消聲器是一種共振式的吸聲結構。對于低頻消聲，當聲波波長大于共振腔（空腔）尺寸時，可以應用共振消聲器計算式（7）來計算微穿孔板消聲器的消聲量LTL：　　LTL=10lg(1+(a+0.25)/(a2+b2×f/fo-fo/f)2))（分貝）（7）　　式中　
a=rs　　　　　b=sc/2πfov　　
r -- 相對聲阻　　s -- 通道截面積（米2）　　
v -- 板后空腔體積（米3）　　
c -- 空氣中的聲速（米/秒）　
　f -- 入射聲波頻率（赫）　
　f0 -- 共振頻率（赫）　
　f0=(c/2π)×(p/tD)1/2　
　t=t+0.8d+1/3PD　　t -- 微穿孔板的厚度（米）　
　p -- 穿孔率（%）　　D -- 板后空腔深度（米）　
　D -- 穿孔孔徑（米）　　
   對于中頻消聲，微穿孔板消聲器的消聲量可以應用阻性消聲器的計算式（8）進行計算：　　LTL=ψ(α0)pL/s　　(分貝)　　（8）　　式中
ψ（α0） -- 消聲系數，它是與吸聲系數α0 有關的量，
α0和ψ(α0)相互關系經驗值可由表查得　
　P -- 管道橫斷面的周長（米）　
　L -- 管道的長度（米）　　
S -- 管道橫截面面積（米2）　　
　　微穿孔板消聲器高頻消聲性能實測值比理論估算值要好。試驗證明，消聲量與流速有關，與消聲器溫升無關。流速增高，氣流再生噪聲提高，消聲性能下降，金屬微穿孔板消聲器可承受較高氣流速度的沖擊，當流速達到70米/秒時，仍有10分貝以上的消聲量。這也是微穿孔板消聲器優于一般阻性消聲器的又一重要特點。　
　我安百利電力輔機廠生產的抗噴阻型消聲器對高頻高壓高汽流場所又結合用消聲原理中的抗性原理(即利用管道的截面突變,使聲波向前傳播到擴張室后反射180度后使波與波振幅相等,相位相反,相互干涉,達到最理想消聲效果.