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基于声传递矩阵法的多层微穿孔管消声器的结构设计和优化

刘灿礼  
【摘要】:近年来,微穿孔板结构因具有良好的消声性能且不受材料的限制等优点而被制作成管道结构,并且在消声器中得到广泛应用。微穿孔管消声器与其他种类的消声器相比,是一种低声质量、高声阻的新型吸声结构。为了获得某些特殊频率处的高吸收或满足某些特殊环境的需要,国内外学者对微穿孔管消声器的建模以及结构设计进行了一系列的研究。目前对微穿孔管消声器的研究主要集中在单层结构的研究上,对双层甚至多层结构的理论研究鲜有文献介绍。研究方法也多集中在采用传统的传递矩阵法或有限元法。一般而言,虽然多层微穿孔管的建模较复杂,但吸声性能较单层的更优,对其进行理论建模并进行优化设计意义重大,因此对多层微穿孔管消声器声学性能展开了探讨研究。首先,基于一维平面波假设和微穿孔板吸声理论,将传统传递矩阵法和精细积分法相结合,提出了一种新的传递矩阵法,并应用于分析单层微穿孔管消声器的声学特性。通过与声学有限元分析结果相比,表明新传递矩阵法能够精确计算单层微穿孔管消声器的声学特性,且效率高。进而将新传递矩阵法应用于分析腔体长度、穿孔管壁厚、孔径以及穿孔率对微穿孔管消声器声学特性的影响。分析结果表明:腔体长度对消声器声学特性影响较大,穿孔管壁厚、孔径以及穿孔率对微穿孔管消声器低频影响不明显,对中高频有明显的影响。此后,由于单层微穿孔管消声器的消声性能有限,将新传递矩阵法扩展应用于分析双层微穿孔管消声器的声学性能分析。通过与声学有限元分析结果相比,表明新传递矩阵法能够有效计算双层微穿孔管消声器的声学特性,且具有较高的计算精度。基于新传递矩阵法,对比分析了单层和双层微穿孔管消声器的消声效果,并且研究了不同膨胀腔厚度对双层微穿孔管消声器声学性能的影响。分析结果表明:双层的消声效果优于单层;增加膨胀腔厚度可以改善双层微穿孔管消声器声学性能。最后,为了获得具有更优良消声性能的消声器,将新传递矩阵法扩展应用于分析三层微穿孔管消声器的声学特性。通过与声学有限元分析结果相比,表明新传递矩阵法具有较高的计算精度。此外,基于新传递矩阵法分析了三层微穿孔管消声器结构参数对声学性能的影响。参数讨论表明腔体长度、孔径、内层穿孔管直径、中间层穿孔管直径和腔体直径对消声器声学性能有明显的影响。基此,本文选取这些参数作为优化设计变量,平均声传递损失作为优化目标,采用响应面法对三层微穿孔管消声器进行结构优化。优化结果表明:优化后的三层微穿孔管消声器平均声传递损失得到了明显提高,且三层微穿孔管消声器的消声效果得到改善。


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