几种声学周期结构和材料的吸声性能

kaola1992

在现代建筑中，周期性结构的使用越来越普遍。利用周期结构，一方面可以展现出与众不同的建筑美感；另一方面，从建筑声学角度考虑，还可以有效地调节环境声场，节约建筑吸声材料，降低成本。 吸声材料也是现代建筑中极为重要的一大角色。其中，多孔材料由于其取材范围广、制造过程相对简单等优点，已成为目前应用最广泛的吸声材料。而为了有效解决低频吸声的问题，有源吸声体的概念亦被提出。针对建筑声学中的声场优化问题，对几种周期结构和吸声材料的吸声性能进行了研究。研究成果包括以下四个方面：(1)        基于Rayleigh方法，研究了一维、二维平面周期结构对声场的作用，并重点考察了吸声材料占比、边界效应对结构吸声性能的影响。论文得出以下结论：在平面周期结构中，吸声材料占比越大或结构的周期越小，吸声效果越好；边界效应的存在，使得实际测量的吸声系数高于理论计算值；吸声材料之间的间距增大，或者周期结构中“阻抗跳变”现象减少，均会减弱边界效应的影响；在材料占比相同、材料间隙相当的情况下，一维周期结构的吸声性能优于二维平面结构。(2)        基于De Bruijn的理论，研究了周期性矩形凹槽结构的声学特性，并对凹槽结构的几何参数进行分析，提出了结构的优化设计方案。本文研究表明：凹槽结构的周期越小或吸声材料占比越大，吸声性能越好；在相同周期和材料占比的情况下，矩形凹槽结构的吸声性能远好于平面周期结构；凹槽结构内存在共振吸声现象，且凹槽深度对应于共振频率的“四分之一波长奇数倍”。(3)        讨论了多孔材料的两种阻抗模型，并分别考察了两种模型的输入参数对材料吸声特性的影响，提出了材料的优化设计方案。研究得出以下结论：多孔材料的厚度、流阻率均与材料的阻尼状态有关；增加材料的厚度，吸声系数的峰值频率会向低频处移动，且吸声峰值先增大后减小；多孔材料的流阻率拥有一个最佳值，过大或者过小的流阻率，都会降低材料的吸声系数；增加材料的结构因子，会使吸声峰向低频处偏移；增加材料的体积穿孔率，在全频带上，吸声系数均增大。(4)        通过低频近似，以及“电-力-声”线路类比，推导了简化的有源吸声体的阻抗模型；并通过实验测量验证了模型的适用性。研究表明：不同于传统的阻尼吸声材料，有源吸声体的特性阻抗实部可取到小于1的数值；将有源吸声体与刚性材料（或传统吸声材料）相结合，可调节“有源-无源”系统的特性阻抗到最佳值，使得正入射吸声系数达到最优；再者，通过调节反馈回路中功率放大器的线性增益，还可以控制有源吸声体的正入射吸声系数、使其达到预设值。