宽带通风式微穿孔声学降噪结构设计

发布时间：2020-07-06 08:53

【摘要】：近年来,声学超材料的产生与发展为降噪技术提供了新的设计思路与方法。声学超材料是一种新型的人工结构,通过调节声学超材料结构的参数可以实现负折射、声聚焦、声隐身等自然材料所不具备的声学性质。声学超材料能够突破隔声质量定律的限制,在亚波长尺度范围内对声波进行调控,通过小尺寸控制大波长,有益于减小结构的尺寸,使结构更为紧凑,实用性更强,尤其在低频降噪领域有广阔的应用前景。本文基于声学超材料,以机柜中风扇产生的气动噪声特性为理论依据,设计了一种宽带通风式微穿孔声学降噪结构,实现了在较宽低频带上的噪声吸收,且具有很好的通风性能。本文主要包括以下内容:第一章为绪论,介绍了本课题研究的背景及意义,并简要概述了声学超材料在降噪领域的发展现状。第二章首先介绍了风扇噪声的产生机理及其声源特性,然后应用气动声学理论,利用ProE、FLUENT和ACTRAN对机柜中风扇的声辐射模型进行了建模仿真,设置风扇工作在不同工况下,通过分析仿真得到的结果发现风扇产生的气动噪声主要由一系列离散噪声和宽带噪声组成,离散噪声是风扇噪声产生的主要来源。当风扇转速提高,离散噪声峰值点对应的频率向高频移动,相对应的峰值也会增大。仿真得到的风扇产生的离散噪声峰值主要集中在500Hz-1200Hz频率范围内。第三章首先对噪声评价参量作了简要介绍,然后通过对不同工况下不同位置处机柜中风扇产生的噪声声场进行测量分析,测量结果显示机柜内部风扇产生的噪声声场的频谱特性随风扇工况的增加会发生变化,且高频成分逐渐增多,离散噪声主要集中在500Hz-1500Hz,测量结果与仿真结果有很好的一致性。此外通过分析风扇噪声声场的指向性图,发现噪声在空间呈现一定的指向性分布,各工况下的噪声的指向性基本一致。第四章首先简要回顾了声学吸声结构的研究进展,然后提出了一种宽带通风式微穿孔声学降噪结构,利用电力声类比从理论上对该吸声结构的工作原理作了详细分析并进行了推导。接着通过COMSOL软件研究了吸声结构中微穿孔板的孔径、孔深、穿孔率以及通道的宽度对结构的本征频率及吸声带宽的影响。理论分析和数值仿真结果显示通过调节该吸声结构单元的结构参数,可以在特定低频带下实现较宽的吸声带宽。此外,还利用四传声器法对吸声结构进行了实验测量,数值仿真结果与实验结果有很好的一致性,该结构能够在较宽低频带上实现有效的声吸收,又能保证很好的通风性能。本文所提出的结构由于其结构紧凑,吸声频带宽,通风性能好,除了可用于降低管道中风扇的噪声,还适用于现有的小型集成化的设备,具有很强的实用性和可行性,在降噪领域有非常广阔的应用前景。第五章总结概括了本文的主要内容,并对今后的工作加以展望。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O422.8
【图文】：

声子晶体,局域

具有自然材料所不具备的声学性质［１５＿２２］，如负折射、声聚焦、声隐身等，能逡逑够对声波进行很好的调控，在低频降噪领域有很好的应用。２０００年，Ｌｉｕ等人基逡逑于电磁超材料理论通过引入局部共振单元首次实现了声学超材料，结构如图１．２逡逑所示，左图是样品单元细胞，置于中间的金色小球外部涂了一层薄薄的硅橡胶（白逡逑色区域），右图是以环氧树脂为基底的样品结构，小球和硅橡胶相当于弹簧振子逡逑系统中的振子和弹簧，小球在运动时能够吸收声能使得超低频处产生了声学禁带逡逑该结构实现了小尺寸控制大波长的目的，为低频降噪技术提供了新的思路。逡逑Ｊ逡逑图１．２局域共振声子晶体结构［２３］逡逑在此之后，越来越多的可用于降噪的结构被提出来。２０１２年，Ｍｅｉ等人提逡逑出了一种能在ｌＯＯ－ｌＯＯＯＨｚ低频范围内实现高吸收的薄膜型材料，其结构如图１．３逡逑所示，薄膜四周被固定，单个薄膜上的左右两边各嵌有４片半圆状的铁片，由于逡逑多重共振

矩形薄膜,吸声系数,声学,材料

图１．３邋（ａ）矩形薄膜型声学超材料；（ｂ）吸声系数［２４］逡逑等人提出了一种可利用经典的声学局域共振原理及细管中声波的衰减效应来实逡逑现宽带吸收的吸声结构，如图１．４所示，该结构由２５个横截面相同、高度均匀逡逑递增的矩形锯齿等间距排列而成，底部为刚性背衬，通过调节两根矩形棒间空气逡逑间隙的高度使结构产生共振，同一频率的声波可以被局域在不同位置，而同一位逡逑置也能够实现对不同频率的声波的局域效果，由于细管对声波的吸收效应，使得逡逑局域在空气间隙中的驻波完全吸收，从而实现了小尺寸、宽频的吸收效果［２５］。逡逑ｈ邋（ａ）逦（ｂ）逡逑ｋＵ逡逑ｐｌａｎｅ邋ｗａｖｅ逡逑■逦？逦，逦３逡逑ｐｌｏｘｉｕｌａｓｓ逡逑图１．４⑻样品结构图；（ｂ）实验装置示意图［２５］逡逑３逡逑

示意图,实验装置,结构图,样品

逦２００逦４００逦６００逦８００逦１，０００邋１．２００逡逑Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋（Ｈｚ）逡逑图１．３邋（ａ）矩形薄膜型声学超材料；（ｂ）吸声系数［２４］逡逑等人提出了一种可利用经典的声学局域共振原理及细管中声波的衰减效应来实逡逑现宽带吸收的吸声结构，如图１．４所示，该结构由２５个横截面相同、高度均匀逡逑递增的矩形锯齿等间距排列而成，底部为刚性背衬，通过调节两根矩形棒间空气逡逑间隙的高度使结构产生共振，同一频率的声波可以被局域在不同位置，而同一位逡逑置也能够实现对不同频率的声波的局域效果，由于细管对声波的吸收效应，使得逡逑局域在空气间隙中的驻波完全吸收，从而实现了小尺寸、宽频的吸收效果［２５］。逡逑ｈ邋（ａ）逦（ｂ）逡逑ｋＵ逡逑ｐｌａｎｅ邋ｗａｖｅ逡逑■逦？逦，逦３逡逑ｐｌｏｘｉｕｌａｓｓ逡逑图１．４⑻样品结构图；（ｂ）实验装置示意图［２５］逡逑３逡逑

【参考文献】