卷曲空间嵌入多孔材料以实现低频宽带吸声

发布日期：2021-06-25

研究背景：
  噪声污染存在于生产生活的各个方面，如交通运输、建筑工地和机场或火车站周围等，已成为当今世界的四大污染之一，困扰人们的生活与工作，降低了人们的生活品质，严重的还会危害着人们的身心健康。尤其是低频噪，不仅会损坏人们的听觉系统，还会与人体器官发生共振，损害人们的神经系统和心脑血管系统。低频噪声由于其波长较长、穿透功率较高而难以消除，如何降低低频频率噪声已成为当前研究的主流。
内容简介：
  为了解决传统吸声材料的低频吸声问题，提出了一种多孔材料中嵌入卷曲空间耦合结构（CSPM）。卷曲空间（CSC）结构由折叠结构和迷宫结构组成，在每个结构的顶部切割一个矩形槽以允许声波进入。图1显示了CSC的结构及其重要尺寸，右侧的迷宫结构和左侧的折叠结构如图1所示。CSC的整个长度和宽度为a0=100mm，CSC的高度为H0=60mm。a1=58mm，a2=94mm分别为CSC左右矩形槽的长度，b1=12mm，b2=4mm分别为CSC左右矩形槽的宽度。h0=5mm为折叠板至CSC顶部的距离，L0为两矩形槽中心之间的距离。CSC外壁厚度t0=1mm，内板厚度t1=2mm，t2=2mm。如图1（d）所示，CSPM由嵌入多孔材料中的CSC组成。CSPM的总长度和宽度为120mm，厚度为110mm。
  CSPM在低频段形成共振吸声峰，在105Hz时吸声性能达到85%以上，在315Hz时吸声性能达到90%以上。通过调整CSC的尺寸参数，可以控制吸声峰值处的频率，由四种不同参数的CSC组成的CSMPs嵌入到多孔材料中，其吸收性能在195Hz～600Hz范围内可达0.75以上。研究了多孔材料的孔隙率、流阻率、曲折因子等参数对耦合结构的吸声性能的影响。为了验证模拟的正确性，本文制作了CSPM，并通过阻抗管测试了其吸声性能。
  该研究工作主要受到国家重点研究开发项目(Grant No. 2018YFA0703300)、国家自然基金(Grant No. 51705033. U19A200125)、吉林省科技厅(Grant No. 20190103001JH, 202002042JC, 20180101324)项目支持。
图文导读：

图 1. (a) 卷曲空间结构透视图, (b) 卷曲空间结构左剖面图及其重要尺寸, (c) 曲空间结构俯视剖面图及其重要尺寸 (d)卷曲空间嵌入多孔材料耦合结构透视图

图 2. (a) CSPM的吸声系数α和反射系数R图. CSPM在(b)80Hz、(c)105Hz和(d)540Hz的相对声压图；P为总声压场，P₀为入射声压大小。

图3. (a) CSPMs的边界条件, (b) CSPMs与多孔材料的吸声性能对比图

图4. CSPMs在(a)195Hz、(b)210Hz、(c) 245Hz和(d) 290Hz的相对声压图

图5. (a)曲折因子对CSPM的吸声性能影响 (b) 流阻率对CSPM的吸声性能影响(c) 孔隙率对CSPM的吸声性能影响

图6. 三组不同参数的CSPM的吸声性能测试与仿真结果

（撰稿：王义普   审核：翟昌太）