微孔板吸声结构的理论
多种共振吸声结构的吸声机理介绍
多孔吸声材料对低频声吸声性能比较差，因此往往采用共振吸声原理来解决低频声的吸收。
由于它的装饰性强，并有足够的强度，声学性能易于控制，故在建筑物中得到广泛的应用。
一、单个共振器1结构形式它是一个密闭的内部为硬表面的容器，通过一个小的开口与外面大气相联系的结构，称为核姆霍兹共振器。
单个共振器示意图2吸声原理单个共振器可看成由几个声学作用不同的声学元件所组成，开口管内及管口附件空气随声波而振动，是一个声质量元件；空腔内的压力随空气的胀缩而变化，是一个声顺元件；而空腔内的空气在一定程度内随声波而振动，也具有一定的声质量。
空气在开口壁面的振动摩擦，由于粘滞阻尼和导热的作用，会使声能损耗，它的声学作用是一个声阻。
当入射声波的频率接近共振器的固有频率时，孔颈的空气柱产生强烈振动，在振动过程中，由于克服摩擦阻力而消耗声能。
反之，当入射声波频率远离共振器固有频率时，共振器振动很弱，因此声吸收作用很小，可见共振器吸声系数随频率而变化，最高吸声系数出现在共振频率处。
3共振频率计算单个共振器对频率有较强选择性，共振频率f0可由下式求得：式中，c 为声速；S 为颈口面积，S=πr²；r 为颈口半径；V 为空腔体积；t为颈的深度，即板厚；d 为圆孔直径。
因为颈部空气柱两端附近的空气也参加振动，需要对t 进行修正，其修正值一般取0.8d。
二、穿孔板共振吸声结构1结构形式在各种薄板上穿孔并在板后设置空气层，必要时在空腔中加衬多孔吸声材料，可以组成穿孔板共振吸声结构，由于每个开口背后均有对应空腔，这一穿孔板结构即为许多并联的核姆霍兹共振器。
一般硬质纤维板、胶合板、石膏板、纤维水泥板以及钢板、铝板均可作为穿孔板结构的面板材料。
穿孔板共振吸声结构简图2吸声原理由于它是核姆霍兹共振器的组合，因此可看作是由质量和弹簧组成的一个共振系统。
当入射声波的频率和系统的共振频率一致时，穿孔板颈的空气产生激烈振动摩擦，加强了吸收效应，形成了吸收峰，使声能显著衰减；远离共振频率时，则吸收作用小。
微穿孔板共振吸声结构
微穿孔板共振吸声结构1. 引言吸声技术在工业和建筑领域中起着关键的作用。
传统的吸声材料通常是通过吸收和散射声波来减少噪音。
然而，它们的效率和频率范围有限。
为了克服这些局限，微穿孔板共振吸声结构被提出，并在近年来得到了广泛的关注和研究。
微穿孔板共振吸声结构是一种利用板材上的微小孔洞以及板材的共振效应来吸收声波的高效率结构。
本文将详细介绍微穿孔板共振吸声结构的工作原理、设计要素、吸声机制以及应用领域。
2. 工作原理微穿孔板共振吸声结构的工作原理基于声波与孔洞的相互作用以及板材的共振效应。
当声波波长远大于孔洞直径时，声波可以穿过孔洞而不被吸收。
然而，当声波的波长与孔洞直径相当或比孔洞直径小很多时，声波将不可避免地与孔洞交互作用。
当声波入射到孔洞时，部分声能会通过孔洞透射，而另一部分声能会被孔洞吸收。
对于只有一个孔洞的情况，吸收的声能将被转换为孔洞周围的机械振动能量。
当孔洞直径正好满足某种条件时，即共振条件，孔洞周围的振动将会被放大，达到最大值。
这种共振效应会导致能量的集中损耗，从而实现高效的吸声效果。
3. 设计要素设计微穿孔板共振吸声结构需要考虑以下几个要素：3.1 孔洞直径和间距孔洞直径和间距是决定共振频率的关键因素。
当孔洞直径和间距满足一定的条件时，共振频率将出现在所需的频率范围内。
3.2 板材的刚度和密度板材的刚度和密度会影响共振频率的选择范围。
通常情况下，刚度越高、密度越低，共振频率就会越高。
因此，在设计过程中需要仔细选择板材的物理参数。
3.3 板材的厚度板材的厚度会影响吸声效果的宽带性。
较厚的板材可以在更大的频率范围内实现吸声效果，但相应地，吸声效率会下降。
因此，需根据具体应用需求合理选择板材的厚度。
3.4 孔洞形状和排列方式孔洞的形状和排列方式也对吸声效果有影响。
一般来说，大小不一的孔洞可以扩展共振频率范围，而规则排列的孔洞可以提高吸声效率。
4. 吸声机制微穿孔板共振吸声结构的吸声机制可以分为以下两个方面：4.1 孔洞吸声机制孔洞作为共振体，通过共振效应将声能转换为机械振动能量，最终通过摩擦耗散转化为热能。
消声器的选择
消声器的选择消声器是阻止声音传播而允许气流通过的一种器件，是消除空气动力性噪声的重要措施。
衡量消声器的好坏，主要考虑以下三个方面：1、消声器的消声性能；（消声量和频谱特性）2、消声器的空气动力性能；（压力损失等）3、消声器的结构性能。
（尺寸、价格、寿命等）消声器的选用应根据防火、防潮、防腐、洁净度要求，安装的空间位置，噪声源频谱特性，系统自然声衰减，系统气流再生噪声，房间允许噪声级，允许压力损失，设备价格等诸多因素综合考虑并根据实际情况有所偏重。
一般的情况是：消声器的消声量越大，压力损失及价格越大；消声量相同时，如果压力损失越小，消声器所占空间就越大。
微孔板系列消声设备是根据中科院院士马大猷教授的微孔板吸声结构理论（微孔板的声阻和孔径的平方成反比，而且声质量与孔径无关，孔径缩小到小于一毫米以下时，就可以使声阻和声质量的比例大为提高，不用另加多孔材料，就能获得较好的吸声性能）研制而成的新型消声设备，是一种不采用阻性填料的全金属结构消声设备，具有消声频带宽（特别是双空腔结构）压力损失小，耐高温和高速气流冲击、气流再生噪声低等特点，适用于洁净、超净环境和易腐蚀易燃环境，如医院、净化房、制药厂、食品厂、电子厂、化学厂、提炼厂、石油、油脂、溶剂以及其他危险品存放场所。
和阻性消声器相比，微孔板系列消声器尤其适合高速风管系统，实验表明：随着风速的增加，它的动态插入损失的下降比阻性消声器少得多，根据我们的经验对于一般系统阻性消声器的消声效果要好于微孔板消声器。
消声器的消声频率特性。
阻性消声器对中高频噪声效果比较好，微孔板消声器消声频带较宽。
消声器的适用风速一般为6-8m/s，最高不宜超过12m/s，同时注意消声器的压力损失。
注意消声器的净通道截面积，风管和消声器连接时，必要时（风速有限制时）需作放大处理。
消声器等消声设备安装，须有独立的承重吊杆或底座；与声源设备须通过软接头连接。
当两个消声弯头串联使用时，两个弯头的连接间距应大于弯头截面对角线长度的2.5倍。
七种共振吸声结构的吸声机理介绍
七种共振吸声结构的吸声机理介绍来源：整理⾃《噪声与振动控制⼯程⼿册》，作者：马⼤猷。
多孔吸声材料对低频声吸声性能⽐较差，因此往往采⽤共振吸声原理来解决低频声的吸收。
由于它的装饰性强，并有⾜够的强度，声学性能易于控制，故在建筑物中得到⼴泛的应⽤。
单个共振器⼀、单个共振器⼀、1结构形式它是⼀个密闭的内部为硬表⾯的容器，通过⼀个⼩的开⼝与外⾯⼤⽓相联系的结构，称为核姆霍兹共振器。
单个共振器⽰意图2吸声原理单个共振器可看成由⼏个声学作⽤不同的声学元件所组成，开⼝管内及管⼝附件空⽓随声波⽽振动，是⼀个声质量元件；空腔内的压⼒随空⽓的胀缩⽽变化，是⼀个声顺元件；⽽空腔内的空⽓在⼀定程度内随声波⽽振动，也具有⼀定的声质量。
空⽓在开⼝壁⾯的振动摩擦，由于粘滞阻尼和导热的作⽤，会使声能损耗，它的声学作⽤是⼀个声阻。
当⼊射声波的频率接近共振器的固有频率时，孔颈的空⽓柱产⽣强烈振动，在振动过程中，由于克服摩擦阻⼒⽽消耗声能。
反之，当⼊射声波频率远离共振器固有频率时，共振器振动很弱，因此声吸收作⽤很⼩，可见共振器吸声系数随频率⽽变化，最⾼吸声系数出现在共振频率处。
3共振频率计算单个共振器对频率有较强选择性，共振频率f0可由下式求得：式中，c 为声速；S 为颈⼝⾯积，S=πr²；r 为颈⼝半径；V 为空腔体积；t 为颈的深度，即板厚；d 为圆孔直径。
因为颈部空⽓柱两端附近的空⽓也参加振动，需要对t 进⾏修正，其修正值⼀般取0.8d。
穿孔板共振吸声结构⼆、穿孔板共振吸声结构⼆、1结构形式在各种薄板上穿孔并在板后设置空⽓层，必要时在空腔中加衬多孔吸声材料，可以组成穿孔板共振吸声结构，由于每个开⼝背后均有对应空腔，这⼀穿孔板结构即为许多并联的核姆霍兹共振器。
⼀般硬质纤维板、胶合板、⽯膏板、纤维⽔泥板以及钢板、铝板均可作为穿孔板结构的⾯板材料。
穿孔板共振吸声结构简图2吸声原理由于它是核姆霍兹共振器的组合，因此可看作是由质量和弹簧组成的⼀个共振系统。
微穿孔板吸声结构的研究进展
微穿孔板吸声结构理论是由我国声学家马大猷首先提出并发展起来的吸声理论，它开辟了吸声结构应用的新纪元。
在这一理论的推动下，微穿孔板迅速在众多领域得到了广泛应用，如飞机降噪、体育馆吸声、通风管道吸声等。
微穿孔板不仅在国内得到推广使用，而且也大阔步迈向国外，赢得了许多赞誉。
如德国波恩的政府议会大厅，它的玻璃结构透明的圆形外壳，引发了严重的音质问题，在中国驻德国访问学者查雪琴教授的设计指导下[1]，采用玻璃制的微穿孔板布置于大厅外壳内表面，通过微穿孔板吸声较好地克服了大厅的音质缺陷，同时又保留了大厅原有的透明的外形。
这一事件轰动了当时的整个德国，也促进了微穿孔板在全世界的研究应用。
微穿孔板吸声结构理论是不断发展的，从最初的单层结构到双层结构、三层结构，微穿孔板的吸声性能在大幅度改善，而通过对微穿孔板进行不同形式的串联和并联的结构组合，也可设法提升微穿孔板的吸声性能。
在微穿孔板应用方面，应用的领域也在不断拓宽，而且近年来也有人在研究微穿孔板在水中的吸声性能，以期将来微穿孔板能在水下得到应用，可以料想，这将有利于在水下需要降噪的作业场合（潜艇游走时的降噪）。
为了能够对微穿孔板吸声结构理论和应用的发展进程有全面的了解，下文在介绍马大猷开创的微穿孔板吸声结构基础理论的前提下，综述了微穿孔板吸声结构的理论发展、吸声系数实验测量方法以及微穿孔板吸声结构在实际工程领域的一些应用。
最后提出微穿孔板的发展应该努力的方向。
1基础理论见图1，左边图为微穿孔板吸声结构，右边图为其等效电路。
图中各个参数的意义如下：d为孔的直径，b为相邻孔之间的距离，p为板面的穿孔率（所有孔的面积在整个板面积上所占的比例），t为板的厚度，D为板后的空气层的厚度。
R 为声阻尼，M为声质量，Z为声抗，ρc为空气的特性阻抗，p为声压。
考虑声波在微穿孔板上正入射，则吸声系数为（1）其中板的声阻抗率为Z=R+JwM。
用空气的特微穿孔板吸声结构的研究进展Advances in the study of microperforated-panel acoustic absorber郭天葵（广东工业大学，广东广州510006）摘要：在介绍马大猷开创的微穿孔板吸声结构基础理论的前提下，综述了微穿孔板吸声结构的理论发展、吸声系数实验测量方法以及微穿孔板吸声结构在实际工程领域的一些应用。
常用吸声材料及吸声机理
(１．陆 军 工 程 大 学 野 战 工 程 学 院 ,江 苏 南 京 ２１０００７; ２．中 国 (浦 东 )知 识 产 权 保 护 中 心 ,上 海 ２００１３６)
摘 要 :使 用 吸 声 材 料 进 行 降 噪 吸 声 是 当 前 常 用 的 一 种 吸 声 方 案 ,本 文 简 要 介 绍 了 常 用 的 吸 声 材 料 种 类 及 其 吸 声 机 理 ,展 望 了 未 来 吸 声 材 料 的 发 展 方 向 . 关 键 词 :吸 声 材 料 ;吸 声 机 理 ;泡 沫 材 料
工程中常用的纤维类吸声材料包括无机纤维、 有机纤维和金属纤维.
无机纤维材料通常指以矿物质为基本原材料制 作 而 成 的 化 学 纤 维 ,品 种 包 括 玻 璃 棉 、岩 棉 等 . 从 上 个 世 纪 ９０ 年 代 开 始 ,无 机 纤 维 材 料 技 术 在 北 美 和 欧 洲等地区得到 迅 速 发 展 和 应 用,无 机 纤 维 材 料 具 备 良好的绝热性 能 以 及 优 异 的 吸 声 隔 音 性 能,且 耐 酸 碱 、抗 老 化 、抗 菌 、阻 燃 能 力 强 .
有机纤维材料指以天然植物纤维为原材料加工 或者通过有机聚 合 物 制 作 而 成 的 纤 维 材 料,图 ３ 为 聚酯纤维材料显微结构.通过天然植物纤维制作的 有机纤维材料 在性 能,然而其防火、防 潮 能 力 较 差,因 此 其 使 用 范 围 受 限.近年来,人们 将 纺 织 纤 维 制 作 成 多 孔 结 构 的 复 合 材 料 ,在 家 居 领 域 得 到 了 较 广 泛 的 应 用 .
并联微穿孔板吸声结构研究
压 电 与 声 光
2008 年8月
PI EZO EL ECT ECT RICS & ACO U ST OO P T ICS
文章编号 :1004-2474(2008)04-0489-03
Vo l.30 No .4 A ug .2008
并联微穿孔板吸声结构研究
王 鹏 , 王敏庆 , 刘彦森 , 张军锋 , 栾海霞
[ 6] 刘 克 , N OCK E C , 马大 猷 .扩 散场 内微 穿孔 板吸 声 特性的实验研究[ J] .声学学报 , 2000, 25(3):211-218.
[ 7] 刘 克 .微穿孔板和微缝板吸声体研究进展[ J] .应 用 声学 , 2002 , 21(1):1-5 .
[ 8] G B/ T 18696, 阻抗 管中 吸声 系数 和声 阻抗 测量 规范 , 第 2 部分 :传递函数法[ S] .
图 3 为两块相同面积不同共振频率板的吸声系 数对比 。 由图可知 , 通过理论计算和仿真实验得到 的吸声系数基本吻合 。图 4 为两块板各自的吸声系 数。与D 不同的两块板的各自吸声系数相比较 。 该参数的两个微穿孔板并联后 , 组合吸声系数出现 两个吸收峰值 , 吸收性能得到很大提升 , 吸收峰值明
参考文献 :
[ 1] 刘延俊 , 骆艳洁 , 刘景 西 .光电液 伺服 带材边 缘位 置 控制及其计算 机 仿真 与优 化[ J] .机 床与 液 压 , 2001 (4):6 8-6 9 .
图 5 为理论计算的垂直入射下组合吸声系数 。 图 6 为实验测量的组合吸声系数[ 5] 。比较图 5 、6 可 看出 , 理论计算的吸声系数与实验测量的结果基本 吻合 , 理论计算中的两个吸收峰值点均能在实验结 果中找到 , 但普遍稍高于实验测量值 。 另外实验测 量结果中在250 H z和 1 250 H z 处吸声系数对比理 论计算的吸声系数突然下降很多 , 很可能是由于试 件面积过小 , 两块板后腔深度不同而在交界处引起 的边缘效应导致的 。
微穿孔板吸声结构计算及其应用
（ ） .:/ $=( & =! , " ; ! ; 7 对于声阻， 微科 学 版）
第. (卷
损耗!在计算穿孔板相对声阻率时， 穿孔的有效长 度! " 可由下式计算： （ ） ! " #"$! " # % & 为圆管的末端修正系数， 可根据 值取经验值 " $ ! ! ［ ］ ’ 声阻末端修正系数! 经验值见表 " %
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茂等：微穿孔板吸声结构计算及其应用
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、微孔板吸声结构的理论
在板厚小于1.0mm的薄板上穿以孔径小于等于1.0mm的微孔，穿孔率为1～5%，
消声器
后部留有一定的厚度（5-20cm）空气层，该层不填任何吸声材料，这样即构成了微穿孔板吸声结构。
它是一种低声质量，高声阻的共振吸声结构，其研究表明，表征微穿孔板吸声特性的吸声系数和频带宽度，主要由微穿孔板的声质量m和声阻r来决定，而这两个因素又与微孔直径d及穿孔率p 有关。
微穿孔板吸声结构的相对声阻抗Z（以空气的特性阻抗ρC为单位）用式（1）计算：
Z=r+jwm=jctg(WD/C)（1）
式中：
ρ--空气密度（kg/cm3）；
C--空气中声速（m/s）；
D--腔深（mm）；
m--相对声质量；
r--相对声阻；
w--角频率，W=2πf(f为频率)；
而r和m分别由式（2）（3）表达：
r=atkr/dzp（2）
m=(0.294)×10-3tkm/p（3）
式中：
t--板厚（毫米）
d--孔径（毫米）
p--穿孔率（%）
kr--声阻系数kr=(1+x2/32)1/2+(2x)1/2/8×d/t
km--声质量系数km=1+{1+[1/(9+(x2/2))]}+0.85d/t
其中x=abf，a和b为常数，对于绝热板a=0.147,b=0.32；对于导热板a=0.235，b=0.21
消声器。
声吸收的角频带宽度，近似地由r/m决定，此值越大，吸声的频带越宽。
r/m=(l/d2)×(kr/km)(4)
式中l--常数，对于金属板l=1140,而隔热板l=500。
上式也可以用式（5）表达：
r/m=50f((kr/km)/x2)(5)
而kr/km的近似计算式为：
kr/km=0.5+0.1x+0.005x2(6)
利用以上各式就可以从要求的r、m、f求出微穿孔板吸声结构的x、d、t、p等参量。
由于微穿孔板的孔径很小且稀，基声阻r值比普通穿孔板大得多，而声质量m又很小，故吸声频带比普通穿孔板共振吸声结构大得多，一般性能较好的单层或双层微穿孔板吸声结构的吸声频带宽度可以达到
6～10个1/3信频程以上。
这就是微穿孔板吸声结构最大的特点。
共振时的最大吸声系数α0为α0=4r/(1+r)2(7)
具体设计微穿孔板吸声结构时，可通过计算，也可查图表，计算结果与实测结果相近。
在实际工程中为了扩大吸声频带的宽度，往往采用不同孔径、不同穿孔率的双层或多层微穿孔板复合结构。
二、微穿孔板理论在抗喷阻消声器设计中的应用
利用微穿孔板声学结构设计制造的消声器种类很多，主要型为抗喷阻型消声器。
该型式消声器是用不锈钢穿孔薄板制成，因该九台消声器是用于石化单位，空气腐蚀性比较大，故穿孔板后的空气层内填装的吸声材料为耐腐蚀金属软丝布。
利用吸声材料的阻性吸声原理，进一步达到降噪消声的作用，
消声器
其吸声系数高，吸收频带宽，压力损失小，气流再生噪声低，且易于控制。
为获得宽频带高吸收效果，一般用三级微穿孔板结构。
微穿孔板与外壳体之间以及微穿板之间的空腔尺寸大小按需要吸收的频带不同而异，低频腔大（150～200mm）,中频小些(80～120mm），高频更小些（30～50mm），双层结构的前腔深度一般应小于后腔，前后腔深度之比不大于1：3，前部接近气流的一层微穿孔板穿孔率应高于后层，为减小轴向声传播的影响，可在微穿孔板消声器的空腔内每隔500mm左右加一块横向隔板。
试验证明，微穿孔板消声器不论是低频、中频、高频消声性能实测值比理论估算值要好。
且消声量与流速有关，与消声器温升无关，当流速达到70米/秒时，一般其它型式消声器已无法解决噪声问题，而微孔型消声器可承受70m/s
气流速度的冲击，仍有15dBA以上的消声器。
这也是微孔消声器优于一般消声器一个重要特点。