基于金属尖劈与共振吸声器的新型复合共振金属尖劈吸声结构

黄月芹，黄显淞，秦军旭

（1.广西科技大学鹿山学院，广西 柳州545000；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545007）

噪声、振动及舒适性（简称NVH）是汽车最重要的性能指标之一[1]，而NVH性能测试与分析离不开声学试验室，特别是消声室，消声室为NVH试验提供一个良好的声学环境，对汽车NVH开发具有重要的意义。消声室建设的核心内容是声学指标的设计，这其中包含自由声场要求与吸声结构的设计。目前国际国内主要的汽车公司及相关的汽车研发中心的消声室声学结构为金属尖劈结构及共振吸声结构，这两种结构在实际的应用中各有其优缺点，金属尖劈在中高频率段具有良好的吸声效果及较好的声场均匀性，但是自由声场的大小与金属尖劈长度有关，所要求的截止频率越低，其尖劈长度就越长，消声室室内的空间利用率就越低，而且尖劈越长，其结构就越容易变形，会导致室内声场不均匀；共振吸声结构在低频率段具有很好的吸声作用，但是在中高频段吸声效果及声场均匀性较差。本文主要从理论及实际应用的角度来探讨金属尖劈及共振吸声结构在声学试验室建设中的重要作用，并在此基础上提出一种新型复合共振金属尖劈吸声结构。

1 自由声场

消声室的声学指标一般采用最低截止频率、自由声场半径及声场的均匀性来进行评价，为了获得准确的声源的特性，应该把声源放在一个没有干扰的理想空间中，这个空间无限延伸，也就是说声传播的各个方向无干扰，声波直线传播没有反射声，也无其他声波的干扰，但是实际上消声室空间有限，通过在消声室各个面铺设强吸声材料，吸收入射声波，形成局部无反射的空间，该空间即所谓的自由场空间。由于点声源的声波是以球形波的形式传播，即为发散式直线传播，如图1所示，在传播过程中球形波如果遇到障碍物将会进行反射或是衍射，任何反射或衍射都将破坏该自由场。所谓的自由场半径指的是在此半径范围内没有任何声波的反射存在，用于衡量声学自由场空间大小[2]。消声室声学自由场半径及最低截止频率与消声室室内铺设的吸声材料及吸声结构息息相关，通过对吸声材料及吸声结构的设计，可以设计出不同的自由场半径及不同的最低截止频率。要求的截止频率越低及自由场半径越大，也就意味着半消声室声学指标越好。

图1 点声源与球形波传播

2 金属尖劈吸声结构

尖劈属于被动式吸声的一种，内部填充多孔吸声材料。尖劈吸声系统从顶部到底部逐渐增大的结构，在满足较大的吸声面积的同时实现了与空气阻抗的匹配（即逐渐过渡理论），从而满足对低频的有效吸收。一般认为，当吸声材料出现在声波波峰位置（1/4波长）的时候，将会出现最大的吸收率（≥0.99%）。尖劈的声学特性常用声压反射系数表示，反射系数≤0.1时（吸声系数≥0.99）所对应的最低频率，称为截止频率[3]。尖劈吸声结构的吸声特性主要取决于尖劈的长度和形状，尖劈的长度L决定了截止频率，通常尖劈的长度不小于对应截止频率的1/4波长，这种吸声尖劈的长度L（mm）可以根据以下公式计算：

其中：L为金属尖劈长度；c为空气中声速（340 m/s），f为下限截止频率，λ 为波长。

根据该公式，半消声室要求截止频率为50 Hz时，尖劈的长度为1 700 mm，这就是著名的四分之一波长理论[4]。要求的截止频率越低尖劈的长度就越长，占用消声室的空间就越大，实物如图2所示。如果金属尖劈内部填充的是巴斯夫棉吸声材料，其吸声系数与截止频率关系如图3所示，当截止频率为50 Hz时，吸声系数为0.81，当截止频率为100 Hz时，吸声系数为0.99，从试验的角度直接说明金属尖劈在中高频率吸声效果良好，而在低频吸声效果较差。由于金属尖劈结构牢固不易变形，吸声效果可以长时间保持稳定，其使用寿命年限大于20年以上，又因为半消声室的建设成本比较高，一个通过半消声室的建设费用通常要以千万人民币为单位，出于建设费用及使用寿命方面的因素考虑，在消声室要求的截止频率不低（中高频率可满足大部分试验要求）的情况下目前国际国内比较流行采用金属尖劈作为其吸声结构框架。

图2 金属尖劈

图3 截止频率与吸声系数

3 共振吸声器

板式共振吸声结构为反应吸声方式。梅歇尔1994年著文中[5]，论述一种“弹性”板式共振吸声器，但板共振器只在窄带范围起作用的。经过多次改进后，正如富克斯2001年图4描述的那样发展为宽频带的复合板共振吸声器，除了质量一弹簧共振之外，同时也可以激发大量弯曲振动。图4中，一块0.5~3 mm厚的钢板，它的整个面板直至边界都能受到自由受激自由振动。对于这种重量的钢板（一般重量为5＜m″＜25 kg/m-2），在构造深度只有 50 mm~100 mm 的情况下，如果要求在50 Hz~100 Hz或者更低于的频率，比如31.5 Hz下起作用，显然仅靠空腔填充松散得吸声材料，与面板无接触是不可能达到最佳的吸声效果（吸声系数接近于1。）克雷默等1974年提出让几层面板以很小的内摩擦（如钢板）结合，再与高内摩擦的、不影响板振动的弹性材料组合肯定是有利的，同时最好还让整块板在弹性层上“浮动”，根据这个原则，可以对只在窄带范围起作用的板式共振吸声结构的基础上对其进一步优化，经过多次的改进发展成为宽频带的复合共振吸声器，除了质量-弹簧共振之外，可以同时激发大量的弯曲振动。复合板共振吸声器与板式共振吸声器的区别在于：

尽量使用薄的、弹性强的板，根据需要也可以用很重的面板；

一般构造的深度很小，对于主要应用频率范围为（31~125 Hz）最大深度为d=100 mm

振动板的面积趋向于SA>1 m2；

矩形效果更佳，两个边长约为：1.5 m≤LX>LY≥1 m；

结构1与4之间没有闭合的空气层；

结构1和2之间长效弹性点连接；

把吸声器在墙上或是顶板上的固定安装构造，不得妨碍板的振动；

可按需要调整吸声器的框架侧面板的穿孔率，使得声波从侧面进入多孔层2，起到另一个附加吸声体的作用，在频率范围A之后，衔接到范围B（125 Hz以上）。板式共振吸声结构如图4所示。

图4 板式共振吸声结构

4 新型复合共振金属尖劈吸声结构

为了满足工业界用户对低频测试的要求，国内所有的新建的通过噪声半消声室都大部分已经要求能够进行低至截止频率至少为40 Hz（通过噪声测量），这是技术发展的方向。同时如考虑通过噪声声源排序，问题源寻找，结合车辆通过噪声的声源（进气、排气、发动机、胎噪、风噪等主要声源），特别是尾排噪声，通常要考虑到 31.5 Hz，所以试验室通常也会要求提供截止频率31.5 Hz满足尾排测试点自由场半径的要求[6]。国外的整车噪声消声室，如德国大众、保时捷、荷兰DAF等，可以在一定范围内测量到25 Hz。如果要到达到31.5 Hz，采用尖劈，尖劈差不多要2.7 m，房间两侧加起来需要5.4 m，这要求房间的体积很大，造成空间上及大的浪费。

根据金属尖劈的吸声特点及复合共振板吸声结构的特点，研制出了一种占用空间小但是在低、中、高频上都具有很好吸声作用的复合共振金属尖劈新型吸声结构。为了与普通金属尖劈进行比较，还是以半消声室截至频率为50 Hz进行比较，按照四分之一波长理论计算，截至频率为50 Hz时，尖劈的长度为1 700 mm，如果采用的是新型的复合共振金属尖劈结构，同样是50 Hz的截至频率，结构总长（L）为650 mm，安装空腔50 mm，金属穿孔钢板采用0.8 mm厚镀锌钢板，如图所示5所示。

图5 复合共振金属尖劈节点

复合共振金属尖劈结构外部采用的对声波无阻碍的金属冲孔外壳，内部由进口聚酯纤维及Basotect巴斯夫吸声材料以及对低频噪音起吸声作用共振频率为50 Hz的共振板构成。该结构具有简洁美观，节约空间，吸声性能出众和抗冲击性高的优点。复合共振金属尖劈结构的组成：

（1）最外部是由0.8 mm镀锌冲孔板加工成的外壳罩面；开孔率大于等于40%左右；

（2）冲孔板后紧贴绝热阻燃纤维布，增加摩擦阻力，增加吸声效果；

（3）纤维布后为防潮层；该防潮层是为满足南方潮湿天气设计的；

（4）接下来增加进口聚酯纤维环保吸声材料，作为在中高频段的吸声材料；

（5）在进口聚酯纤维环保吸声材料层后面是1.5~2.0 mm的钢板，作为共振板；

（6）共振板后面是进口Basotec，巴斯夫吸声棉，增加共振板振动的阻尼损耗，提高吸声效果使共振板的共振频率范围变宽。

复合共振金属尖劈新型吸声结构既包含了金属尖劈空气阻抗及声阻抗逐渐过渡的吸声原理所带来的中高频的吸声优势，也融合了共振器对低频吸声吸声带来的附加价值。为了改善系统的低频特性，根据复合板共振吸声器的特点，可以在位于金属尖劈内部设计薄板共振结构，板后预留一定的空间，形成共振声学声腔。在此结构中，薄板的弹性和其后的空间层弹性共同构成了共振结构的弹性，而质量由薄板结构的质量确定。在低频时，可以将这种共振结构理解成单自由度的振动系统。当声波的激率频率与薄板结构的共振率一致时，系统发生共振，薄板产生较大的变形，薄板在变形的过程中，将吸收声波能量，起到消声作用。在共振器后面的空腔中填充一定量的多孔材料，可以增加共振版振动的阻尼损耗，提高吸声效果，使共振版的共振吸声频率范围变宽。

薄板共振吸声结构的共振频率计算公式为：

式中 ρ为空气密度（kg/m3）；c为声速（m/s）；m为板的面密度（kg/m3）；D为板与刚性壁之间空气厚度（m）；K为刚度因素，kg/（m2·s2）

K与板的弹性、骨架结构、安装情况有关、对于矩形薄板（边长为a和b，厚度为h），有：

式中E为板材的杨氏模量，δ为泊松比。

当复合共振金属尖劈吸声结构同样采用进口巴斯夫棉作为吸声材料时，采用驻波管法进行试验得出其截止频率与吸声系数关系如图6所示。截止频率为40 Hz时，吸声系数已经达到0.89，而当截止频率为50 Hz时，系数系数可达到0.99，截止频率为100 Hz时，吸声吸声接近于1，从理论与实验的角度充分说明复合共振金属尖劈结构在低中高频率都具有较好的吸声作用，并且其吸声结构的长度与金属尖劈结构相比大大缩短，大大提高消声室房间空间的利用率。其最终的复合共振金属尖劈吸声机构实物如图7所示。

图6 新型吸声结构截止频率与吸声系数

图7 新型复合共振金属尖劈吸声结构实物

5 结束语

通过分析研究两种不同的吸声结构的优缺点，根据现代NVH测试发展的需求，消声室截止频率至少为40 Hz及以下（通过噪声测量），研制出的新型复合共振金属尖劈吸声结构，该结构既包含了金属尖劈空气阻抗及声阻抗逐渐过渡的吸声原理所带来的中高频的吸声优势，也融合了共振器对低频吸声吸声带来的附加价值，因此，该结构在低中高全频率段上有优势的吸声效果。同时该结构使得空间利用率最大化，目前该吸声结构已经成功运用到国内某一汽车整车半消声试验室，获得重大成功。