一、阻抗復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)基本原理

為了更加清楚地介紹阻抗復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的原理，首先回顧下阻性吸聲結(jié)構(gòu)和抗性吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)的頻譜特性曲線。

圖1 阻性和抗性結(jié)構(gòu)吸聲性能特性曲線

如果我們把阻性吸聲材料和抗性吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能綜合起來，由抗性吸聲結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)低頻段的吸聲，阻性材料來承擔(dān)高頻部分的吸聲。兩者組合起來，就能獲得下圖中綠色線所示的吸聲系數(shù)曲線；而如果單純采用阻性吸聲材料來實(shí)現(xiàn)綠色曲線的吸聲性能，需要的阻性材料的厚度就要厚得多。由此可見，采用阻抗復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)可以有效減小吸聲結(jié)構(gòu)的厚度。

圖2 阻抗復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲原理（抗性-和阻性-的復(fù)合結(jié)構(gòu)-的吸聲性能）

二、阻抗復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)抗性吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲原理，通過調(diào)整共振板后腔的深度或者板的面密度，可以將上圖中的紅色曲線所表示的共振吸聲峰調(diào)整到不同位置，以實(shí)現(xiàn)吸聲頻段的向低頻延伸。但如果共振吸聲結(jié)構(gòu)的共振峰和阻性吸聲材料的第一共振峰的頻率相距太大，將會(huì)在兩個(gè)吸聲曲線之間的頻段形成吸聲系數(shù)的低谷，因此兩個(gè)共振峰之間間隔的合理匹配（主要是共振吸聲結(jié)構(gòu)后腔深度與阻性材料厚度的匹配）是阻抗復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要控制的因素。

共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸收頻帶比較窄的問題，可以通過采用多層結(jié)構(gòu)形成多個(gè)共振峰來彌補(bǔ)，例如采用雙層微穿孔結(jié)構(gòu)就可以獲得比較寬的吸聲頻帶。

圖3 雙層微穿孔吸聲結(jié)構(gòu)拓寬吸聲頻帶

通過采用多層共振吸聲結(jié)構(gòu)形成多個(gè)共振峰就可以獲得低頻較寬的吸聲頻帶，同時(shí)在高頻段可以通過較薄的材料實(shí)現(xiàn)高頻段的吸聲，兩者結(jié)合起來就可以實(shí)現(xiàn)低頻寬帶吸聲。

圖4 多層共振吸聲結(jié)構(gòu)和阻性材料組合形成的低頻寬帶吸聲

三、阻抗復(fù)合結(jié)構(gòu)的典型案例

雖然可以通過采用多層共振吸聲結(jié)構(gòu)來構(gòu)成多個(gè)共振峰，使得在低頻段形成比較平滑的吸聲曲線，但共振吸聲層數(shù)的增加也就意味著吸聲結(jié)構(gòu)厚度的增大。而用較薄的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低頻吸聲是研究中一直在努力解決的問題。

我們可以作這樣的思考，如果不同的共振峰能夠在同一層共振結(jié)構(gòu)中形成，那就可以解決多層結(jié)構(gòu)的厚度增加的問題。讓我們回到最基本的力學(xué)原理中去尋找解決問題的方法。我們知道，對于長寬為lx、ly 的矩形簡支板，模態(tài)簡振頻率可以通過下式計(jì)算：

式中，fp,q 為 (p,q) 模態(tài)的簡振頻率，p 和q 為正整數(shù)；h 為板的厚度，ρ 為面密度；cL 為縱波聲速。

圖5中給出了正方形板的幾個(gè)振動(dòng)模態(tài)，由此可以看出，只要被正確有效激發(fā)，自由振動(dòng)的板可以同時(shí)在不同模態(tài)頻率下振動(dòng)。利用這一原理，就可以在不增加結(jié)構(gòu)厚度的條件下，使得共振結(jié)構(gòu)在多個(gè)模態(tài)頻率下產(chǎn)生吸收峰。接下來就是如何優(yōu)化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)的有效激發(fā)的問題。

圖5 正方形板的部分振動(dòng)模態(tài)

1. 低頻共振CPA吸聲結(jié)構(gòu)

一個(gè)成功的案例就是在德國建筑物理研究所研發(fā)成功的CPA吸聲結(jié)構(gòu)，其原理可以用下圖來表示：將鋼板布置在具有很好彈性的材料上，形成相當(dāng)于鋼板布置在一系列彈簧上的效果，鋼板可以自由振動(dòng)，并且是多模態(tài)的。同時(shí)通過鋼板尺寸等參數(shù)的優(yōu)化，使得多模態(tài)頻率都獲得比較高的吸聲峰。聲波也會(huì)從側(cè)面透入到彈性材料，產(chǎn)生高頻的聲吸收。由于側(cè)面的面積比較小，所以總的高頻吸聲量將不是很大。可以預(yù)計(jì)這種結(jié)構(gòu)將會(huì)獲得如圖6中最右邊藍(lán)線的吸聲系數(shù)曲線。

圖6 低頻共振吸聲結(jié)構(gòu)CPA的原理

圖7中給出了100mm厚低頻共振吸聲結(jié)構(gòu)CPA在混響室測試的照片以及所測量得到的吸聲系數(shù)曲線。從吸聲系數(shù)曲線中可以看出，CPA的吸聲性能與我們原理分析中的預(yù)想結(jié)果一致。圖中同時(shí)給出了同樣100mm厚多孔性材料吸聲性能的對比，可以明顯看出CPA在低頻吸聲的巨大優(yōu)勢。

圖7 低頻共振吸聲結(jié)構(gòu)CPA混響室測試及性能

雖然CPA吸聲結(jié)構(gòu)在高頻的吸聲系數(shù)還比較低，但這種結(jié)構(gòu)在聽音室、錄音室等房間的模態(tài)抑制中有非常大的作用。我們知道在一般聽音室、錄音室等聲學(xué)功能房間的設(shè)計(jì)中，我們通常希望吸聲結(jié)構(gòu)在低頻有比較好的吸聲，而在高頻盡量少吸聲，因?yàn)榉块g內(nèi)吸收高頻聲波的地方實(shí)在是太多了。所以在聽音室、錄音室等房間的設(shè)計(jì)中都要用到一種叫低頻陷阱 (Bass trap) 的吸聲結(jié)構(gòu)來補(bǔ)償房間內(nèi)低頻部分的吸聲。采用CPA這種在低頻有特別好吸聲性能的結(jié)構(gòu)，可以更加好地控制房間內(nèi)低頻的聲場以及混響時(shí)間等參數(shù)，使得房間在全頻帶內(nèi)具有更加好的傳輸特性。

2. 寬頻共振BCA吸聲結(jié)構(gòu)

如果你也想在高頻獲得很高的吸聲，比如用于消聲室這樣的聲學(xué)環(huán)境，那也是很容易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楸容^薄的阻性材料就能實(shí)現(xiàn)很好的高頻吸聲。我們可以想象，在CPA前面在加上一層薄的阻性吸聲材料，就可以實(shí)現(xiàn)在寬頻帶很好的吸聲效果，這就是德國建筑物理研究所研發(fā)成功的BCA吸聲結(jié)構(gòu)。圖8中給出了BCA吸聲結(jié)構(gòu)的原理圖，可以預(yù)期這種結(jié)構(gòu)可獲得圖8中最右邊綠色曲線的吸聲系數(shù)曲線。

圖8 寬頻共振吸聲結(jié)構(gòu)BCA的原理

圖9中給出了將CPA100后部的阻性材料分拆出30mm放在共振板前面形成的BCA100吸聲結(jié)構(gòu)測量結(jié)果，以及和CPA100、阻性吸聲材料的吸聲系數(shù)曲線的對比。可以看出在CPA前部加一層阻性吸聲材料，確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)高頻吸聲的提升，獲得寬頻帶內(nèi)很好的吸聲效果。

圖9 三種吸聲結(jié)構(gòu)吸聲性能對比

進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，就可以獲得更加理想的吸聲性能。圖10中給出典型的3中厚度BCA結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)測量曲線。可以看出，除了低頻優(yōu)越的吸聲性能，BCA在高頻也具有了非常理想的吸聲，是一種理想的寬頻吸聲結(jié)構(gòu)。

圖10 三種寬頻共振BCA結(jié)構(gòu)吸聲性能

參考文獻(xiàn)：

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