一种抑制微穿孔板非线性效应的结构参数设计方法与流程

本发明涉及一种抑制微穿孔板非线性效应的结构参数设计方法，吸声降噪技术领域。

背景技术：

微穿孔板吸声结构具有清洁、质轻、防潮、耐高温、板材多样性等优点，被誉为21世纪最具吸引力的绿色环保吸声材料。微穿孔板吸声结构是由我国声学泰斗马大猷教授于1975年提出，经过几十年的发展，微穿孔板结构在较低声压级线性条件下(声压级spl一般小于100db，甚至更小)的声阻抗理论模型以及相关的声学设计理论已相当完善，然而在具有高强度声场的应用环境下，如航空发动机、导弹发射井等，微穿孔板结构的声阻抗将依赖于入射声压级，表现出强烈的非线性效应，此时其声阻抗包括两部分，一部分是线性声阻抗，另一部分是由非线性效应导致的非线性声阻抗。线性声阻抗与声压级无关，可应用线性条件下成熟的声阻抗计算公式进行精确计算，因此建立高声强下微穿孔板结构的准确声阻抗模型的关键在于非线性声阻抗的精确获得。为此，各国学者一直在做不懈的努力，但遗憾的是，截至目前，关于微穿孔板结构的非线性声阻抗模型基本都是半经验的，还没有一种公认的模型或者方法能够对其进行精确地计算和预测。纠其主要原因在于，非线性吸声机理在于孔端射流和涡脱落引起的声涡能量转换，由于声涡能量转换这一物理过程的复杂性，已阻断了获得高声强下精确的声阻抗理论模型的可能性。非线性效应不仅使微穿孔板结构在线性条件下完善的声阻抗理论模型以及声学设计理论不再合适，还导致其吸声性能下降以及难以建立精确的声阻抗理论模型等问题。这是因为微穿孔板本身已提供足够的线性声阻，如果再加上非线性声阻，反而会导致吸声性能下降。虽然国内外众多学者通过降低线性声阻，利用非线性声阻起主导作用可将微穿孔板结构的应用延伸至高声压级(如采用孔径大于1mm的普通穿孔板)，但这种方法并没有从根本上解决微穿孔板结构适用的声压级范围受非线性效应局限的问题。因为非线性声阻抗会随着声压级大小的变化而变化，因而很难针对不同声压级进行普适设计。这些都给非线性效应的有效利用带来局限。

研究表明，微穿孔板结构的声阻抗随着声压级的增大会经历一个从线性阶段到非线性阶段的转变，并且在转变处对应一个特定的声压级，可称之为临界声压级，它是非线性声阻抗开始起作用的临界条件。如果可以实现对非线性效应的有效抑制，即提高临界声压级的大小，使其在临界声压级以下具有线性吸声能力，则不仅能将微穿孔板有效应用的声压级范围拓宽至高声强，还能应用线性条件下完善的声学设计理论对其吸声特性进行准确预测和按需设计。此种方法与现有的尽量减小线性声阻，通过非线性声阻抗拓展其应用至高声强的方法有本质的不同，尚未见报道。

技术实现要素：

目的：针对微穿孔板吸声结构在高声强下的应用受非线性效应局限的问题，本发明提供一种通过结构参数设计抑制微穿孔板非线性效应的方法，通过实现对高声强下微穿孔板吸声结构的非线性效应的有效抑制，使其在给定的声压级范围内具有良好的线性吸声性能，大大拓宽微穿孔板吸声结构可以有效应用的声压级范围。

技术方案：一种抑制微穿孔板非线性效应的结构参数设计方法，包括以下步骤：

步骤一：对高声强噪声场进行频谱和声压级分析，根据噪声能量的频域分布情况，明确微穿孔板所期望工作的线性声压级范围和最大降噪频率点，进而确定限制条件参数以及待设计参数，其中，已知参数包括：

p0：微穿孔板工作环境的最大声压级，单位为db；

f0：微穿孔板的最大降噪频率点，即共振频率，此频率下的噪声最大，单位为hz；

待设计的参数：

d:微穿孔板的穿孔直径，单位为m；

t/d:无量纲参数，表示微穿孔板的长径比，t为板厚，单位为m；

σ：微穿孔板的穿孔率，无量纲参数；

步骤二：选取一组{d，t/d}参数，d小于0.2×10^-3m，t/d大于1。

步骤三：根据步骤二选定的{d，t/d}参数，代入公式(1)计算对应的穿孔率σ：

其中，无量纲变量，由此得到参数组合{d，t/d，σ}

步骤四：根据步骤三中的参数组合{d，t/d，σ}及已知参数f0，通过数值仿真绘制微穿孔板结构声阻抗z随入射声压级pi变化的曲线，其中，pi是入射声压pii转换为以db为单位的表示，高声强下声阻抗z与入射声压pii的基本关系式为：

其中，

x/ρ0c0＝ωh/σc0-cot(ωlc/c0)(4)

上述公式(2)～(4)中，z是微穿孔板结构声阻抗，单位为mksrayls；rl是线性声阻，单位为mksrayls；x是声抗，单位为mksrayls；pii是入射声压，单位为pa；ρ0是空气密度，单位为kg/m³；c0是空气中的声速，单位为m；ω＝2πf是角频率，单位为rad/s，v是运动粘滞系数；单位为m²/s，cd是流量系数，具体表达式为：

其中，

上述(5)～(20)式中，ppk的单位是pa，de的单位是m，其它参数均为无量纲参数。

kss是静态粘滞损耗参数，为无量纲参数：

kss＝13+10.23(t/d)^-1.44(21)

kac是声粘滞损耗参数，为无量纲参数：

kac＝3+2.32(t/d)^-1(22)

h是惯性长度参数：

κh＝13.06[1-exp(-64.9(t/d)^4.365)](25)

ah＝0.725(t/d)^-1.227,bh＝1.02(t/d)^-1.411,mh＝3.42exp(-0.117(t/d))(28)

上述(23)～(28)式中，h和hres的单位是m，其余新涉及到的参数均为无量纲参数；

共振时：

lc＝(c0/2πf0)arccot(2πf0h/σc0)(29)；

其中，lc是空腔深度，单位为m；

步骤五：观察步骤四中微穿孔板结构声阻抗z随入射声压级pi变化的曲线，获得非线性声阻抗开始起作用的转变声压级，即临界声压级pt，单位为db，如果p0≤pt，说明所选设计参数满足微穿孔板结构的非线性效应抑制，如果p0>pt，说明所选设计参数不满足，此时，减小孔径d或增大t/d，然后返回步骤三，直到获得可以实现非线性效应的结构参数。

有益效果：本发明采用一种通过结构参数设计抑制微穿孔板非线性效应的方法，克服了高声强下微穿孔板吸声结构的应用受非线性效应的局限，通过根据实际的噪声情况，确定最大声压级p0和最大降噪频率点f0，可以设计出实现非线性效应有效抑制的微穿孔板结构参数，使其在高声强下具有良好的线性吸声性能。与现有的利用非线性效应产生非线性声阻抗进行吸声降噪相比，本发明的吸声性能不依赖非线性声阻抗，因而不会受入射声压级的影响，吸声频带更宽，适用的声压级范围更广。

附图说明

图1为微穿孔板吸声结构参数图；

图2为抑制微穿孔板非线性效应的结构参数设计方法具体流程图；

图3为实施例1中声阻抗随入射声压级变化曲线；

图4为实施例2中第1组参数组合对应的声阻抗随入射声压级变化曲线；

图5为实施例2中第2组参数组合对应的声阻抗随入射声压级变化曲线；

图6为实施例2中第3组参数组合对应的声阻抗随入射声压级变化曲线；

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

如图1～6所示，一种抑制微穿孔板非线性效应的结构参数设计方法，包括以下步骤：

步骤一：对高声强噪声场进行频谱和声压级分析，根据噪声能量的频域分布情况，明确微穿孔板所期望工作的线性声压级范围和最大降噪频率点，进而确定限制条件参数以及待设计参数，其中，已知参数包括：

p0：微穿孔板工作环境的最大声压级，通过结构参数设计，实现只要满足声压级pt<p0时，微穿孔板的线性响应起主导作用，非线性效应可以忽略，单位为db；

f0：微穿孔板的最大降噪频率点，即共振频率，此频率下的噪声最大，单位为hz；

待设计的参数：

d:微穿孔板的穿孔直径，单位为m；

t/d:无量纲参数，表示微穿孔板的长径比，t为板厚，单位为m；

σ：微穿孔板的穿孔率，无量纲参数；

步骤二：选取一组{d，t/d}参数，d小于0.2×10^-3m，t/d大于1。

步骤三：根据步骤二选定的{d，t/d}参数，代入公式(1)计算对应的穿孔率σ：

其中，无量纲变量，由此得到参数组合{d，t/d，σ}

步骤四：根据步骤三中的参数组合{d，t/d，σ}及已知参数f0，通过数值仿真绘制微穿孔板结构声阻抗z随入射声压级pi变化的曲线，其中，pi是入射声压pii转换为以db为单位的表示，高声强下声阻抗z与入射声压pii的基本关系式为：

其中，

x/ρ0c0＝ωh/σc0-cot(ωlc/c0)(4)

上述公式(2)～(4)中，z是微穿孔板结构声阻抗，单位为mksrayls；rl是线性声阻，单位为mksrayls；x是声抗，单位为mksrayls；pii是入射声压，单位为pa；ρ0是空气密度，单位为kg/m³；c0是空气中的声速，单位为m；ω＝2πf是角频率，单位为rad/s，v是运动粘滞系数；单位为m²/s，cd是流量系数，具体表达式为：

其中，

af＝0.785-0.76(1-e^-3.63t/d),bf＝3.63(t/d)^0.6(18)

上述(5)～(20)式中，ppk的单位是pa，de的单位是m，其它参数均为无量纲参数。

kss是静态粘滞损耗参数，为无量纲参数：

kss＝13+10.23(t/d)^-1.44(21)

kac是声粘滞损耗参数，为无量纲参数：

kac＝3+2.32(t/d)^-1(22)

h是惯性长度参数：

κh＝13.06[1-exp(-64.9(t/d)^4.365)](25)

ah＝0.725(t/d)^-1.227,bh＝1.02(t/d)-^1.411,mh＝3.42exp(-0.117(t/d))(28)

上述(23)～(28)式中，h和hres的单位是m，其余新涉及到的参数均为无量纲参数；

共振时：

lc＝(c0/2πf0)arccot(2πf0h/σc0)(29)；

其中，lc是空腔深度，单位为m；

步骤五：观察步骤四中微穿孔板结构声阻抗z随入射声压级pi变化的曲线，获得非线性声阻抗开始起作用的转变声压级，即临界声压级pt，单位为db，如果p0≤pt，说明所选设计参数满足微穿孔板结构的非线性效应抑制，如果p0>pt，说明所选设计参数不满足，此时，减小孔径d或增大t/d，然后返回步骤三，直到获得可以实现非线性效应的结构参数。

实施例1：设计实现非线性抑制到110db的微穿孔板吸声体结构参数。

首先，在步骤一中，对高声强噪声场进行频谱和声压级分析，确定实际噪声环境的最大声压级为p0＝110db和最大降噪频率点为f0＝2000hz；

随后，由于110db适中，从制作成本考虑，可先选择较大孔径和较小穿孔率。因此先选取d＝0.5×10^-3m，t/d＝1，根据公式(1)计算得到穿孔率σ＝0.0084；

随后，将已知参数代入公式(2)～(28)得到空腔深度lc＝0.0032m以及声阻抗随入射声压级的曲线，如图3所示。观察图3，可以看出非线性声阻抗开始起作用的转变声压级，即临界声压级pt＝115db。

随后，比较实际噪声环境所需降噪的最大声压级p0与临界声压级的pt的大小，p0<pt，因此所设计的微穿孔板结构参数满足要求。

实施例2：设计实现非线性抑制到140db的微穿孔板吸声体结构参数。

首先，在步骤一中，对高声强噪声场进行频谱和声压级分析，确定实际噪声环境的最大声压级为p0＝140db和最大降噪频率点为f0＝3000hz；

随后，由于140db较大，可先从较小孔径和较小穿孔率。因此先选取d＝0.1×10^-3m，t/d＝4，根据公式(1)计算得到穿孔率σ＝0.066；

随后，将已知参数代入公式(2)～(28)得到空腔深度lc＝0.0218m以及声阻抗随入射声压级的曲线，如图4所示。观察图4，可以看出非线性声阻抗开始起作用的转变声压级，即临界声压级pt＝125db。

随后，比较实际噪声环境所需降噪的最大声压级p0与临界声压级的pt的大小，p0>pt，因此所设计的微穿孔板结构参数不满足要求，重复步骤三；

由于总声阻抗中的非线性部分的部分反比于1/d和t/d，因此减小孔径d或提高板厚t均可。假设保持孔径d不变，提高t/d＝6，此时根据公式(1)计算得到穿孔率σ＝0.0967；

随后，将已知参数代入公式(2)～(28)得到空腔深度lc＝0.022m以及声阻抗随入射声压级的曲线，如图5所示。观察图5，可以看出非线性声阻抗开始起作用的转变声压级，即临界声压级pt＝135db；

随后，比较实际噪声环境所需降噪的最大声压级p0与临界声压级的pt的大小，p0>pt，因此所设计的微穿孔板结构参数不满足要求，继续重复步骤三；

假设继续减小孔径d至0.8×10^-2m，此时t/d＝7.5根据公式(1)计算得到穿孔率σ＝0.1464。

随后，将已知参数代入公式(2)～(28)得到空腔深度lc＝0.024m以及声阻抗随入射声压级的曲线，如图6所示。观察图6，可以看出非线性声阻抗开始起作用的转变声压级，即临界声压级pt＝140db；

随后，比较实际噪声环境所需降噪的最大声压级p0与临界声压级的pt的大小，p0≤pt，因此所设计的微穿孔板结构参数满足要求。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。