专利名称：一种用于吸声的多孔性吸声结构材料的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种用于吸声的多孔性吸声结构材料的设计方法，属于车辆噪声控制
技术领域。
背景技术：
目前，吸声结构材料在工业和建筑等领域的应用越来越多，其吸声系数直接影响着吸声效果。合理地设计吸声结构、选用吸声结构材料是降低产品噪声水平，增强产品的市场竞争力的重要手段。 吸声结构材料虽然已在车辆上大量应用，但对于吸声结构材料的选择、结构的设计还是采用经验推测、反复尝试的设计方法。虽然取得了一定的降噪效果，但这种反复设计、试验的方法，开发效率低下(王万祥、陶荣华、高尚流等，客车噪声治理与降噪材料选用，客车技术与研究，No. 6，2006)。在设计中对于吸声结构材料的选择以及厚度的确定等关键问题凭经验试凑(曹金山，重型汽车车外加速噪声控制，重型汽车，Vol. 96， 2006)，针对汽车吸声结构材料的设计缺乏系统、科学的方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于吸声的多孔性吸声结构材料的设计方法，以克服已有仅凭经验对吸声结构材料进行设计、无法针对要求的吸声性能进行设计和匹配、吸声结构材料无法在各声音频率下都满足吸声性能要求的缺点，使得对吸声结构材料的设计能够有的放矢。 本发明提出的用于吸声的多孔性吸声结构的设计方法，包括以下步骤
(1)对需要应用多孔性吸声结构材料的声学环境的声音进行测量和频谱分析，得到声学环境的总声压级LpA及声音频率的声压级分布LpA(fi)，其中&表示第i个声音频率；
(2)设定期望总声压级Lp/，计算噪声评价数N，N = LpA-5，根据噪声评价数N，计算上述各声音频率下的声压级Lp， Lp = a+bN，得到期望声压级分布L/(f》，其中a、 b分别为与各声音频率相关的常数，取值范围分别为-50-1. 2 ; (3)根据上述声音频率的声压级分布LpA(fi)与上述各声音频率下的期望声压级
分布Lp/(fi)，得到各声音频率下需要降低的声压级AL(f》二LpA(fi)-L/(fi); (4)定义设定吸声结构材料的吸声系数NRC与单位面积吸声结构材料的价格
Value之比为吸声结构材料的性价比PPR，P尸i = 1000^二，计算得到待用的吸声结构材料
Fa/we
的性价比PPR，选择吸声结构材料的性价比PPR最大的三种材料作为吸声结构材料的候选吸声结构材料； (5)分别计算上述PPR最大的三种候选材料的吸声系数 对于不同种类的吸声结构材料，分别利用以下对应的公式进行计算 (5-1)单层纤维型多孔性吸声结构材料的吸声系数a n为
1 —
Zccoth(>Z) —p0c0
ZccothOZ) + /90c0 其中，P。为空气的密度，P。的单位是kg/m3，c。为空气中的声速，单位是m/s，L为所述的选择材料的厚度，Ze和y分别为所述的候选吸声结构材料的特征阻抗和传播系数，
Zc = Ac。[l + 0.571(^)_°754 ] - ,>。c。
;k
2仏
》/ + / + 0.0978(，)—0 7 ]
c0 r」c0 ^ 、其中，/ = V1! ， f为使用所述的候选吸声结构材料时的期望声音频率，R为所述的
候选吸声结构材料的流阻系数； (5-2)单层泡沫型多孔性吸声结构材料的吸声系数a n为Zc cothO丄)—A)Co
1 —
Zccoth(;^) + / 0c0 其中，P。为空气的密度，P。的单位是kg/m3，c。为空气中的声速，单位是m/s，L为所述的候选吸声结构材料的厚度，Ze和y分别为所述的候选吸声结构材料的特征阻抗和传播系数，
0[1 + 22(1 + 262)/(1 + 0/(1 + 20 ; /力][2 + O.5(l + z2/7)/(l + 02/V^〗
O.5A(l + 0 其中Zc=l + g-Z'」 7 =-
+ 别
1 + (1 +々)/(1 + 02/*
上式中，Q为所述的候选吸声结构材料的结构参数，Dp为所述的候选吸声结构材料的微孔直径，小为所述的候选吸声结构材料的孔隙率，P为所述的候选吸声结构材料的20%偏转声压，z、y、p、b和B分别为根据上述结构参数Q确定的无量纲变量和参数；
(5-3)多层多孔性吸声结构材料的吸声系数为
Zf( ) cothO丄)-p。c。 其中，P。为空气的密度，P。的单位是kg/m c。为空气中的声速，单位是m/s，L为所述的候选吸声结构材料的厚度，Zf(n)和y分别为所述的候选吸声结构材料的最外层的特征阻抗和传播系数； 所述的候选吸声结构材料的表面阻抗Zf(j)为a = 1 . Zf( ) = Z'
c(y)
,y = l,2,.,.，" 其中，Z。(j)、 y (j)、 Zf(j)、 L(j)分别为第j层材料的特征阻抗、传播系数、表面阻抗与厚度，当吸声结构为n层时，分别计算各层材料的特征阻抗Ze和传播系数y ，然后得到整个
选择材料的最外层的表面阻抗Zf(n)，将Zf(n)代入吸声系数CIn的计算公式中，得到多层吸声
结构材料的吸声系数an; (6)根据上述期望声压级分布Lp/(fi)以及各种候选吸声结构材料的吸声系数计
5算公式，确定吸声结构材料的最小厚度。
本发明提出的用于吸声的多孔性吸声结构的设计方法，其优点是 1、本发明方法可以有效的针对实际声学环境，如汽车车内空间等，特定的吸声要
求，设计出吸声结构材料的组成和厚度，从而更加有效的提高吸声结构的吸声性能。 2、本发明方法进行吸声结构设计的同时，在优化中考虑了吸声结构材料的吸声性
能、布置要求和成本，提高了设计的效率，降低了吸声结构的成本，使所设计的吸声结构能
够在各声音频率下都能够达到所要求的吸声性能。
图1是本发明方法中各声音频率下需要降低的声压级的确定流程框图。
图2是本发明方法中吸声结构材料最小厚度的计算流程图。
具体实施例方式
本发明提出的用于吸声的多孔性吸声结构材料的设计方法，包括以下步骤
(1)对需要应用多孔性吸声结构材料的声学环境的声音进行测量和频谱分析，得到声学环境的总声压级LpA及声音频率的声压级分布LpA(fi)，其中&表示第i个声音频率；
(2)设定期望总声压级LpAe，计算噪声评价数N， N = LpA_5，根据噪声评价数N，计算上述各声音频率下的声压级Lp， Lp = a+bN，得到期望声压级分布L/(f》，其中a、 b分别为与各声音频率相关的常数，取值范围分别为-50-1. 2 ; —般来说，由于吸声结构材料的吸声性能是有限的，所以期望总声压级L/一般比声学环境的总声压级LpA小5至10dB(A); (3)根据上述声音频率的声压级分布LpA(fi)与上述各声音频率下的期望声压级分布Lp/ (f》，得到各声音频率下需要降低的声压级A L (f》=LpA (f i) -Lp/ (f》，其流程框图如图1所示。 对于吸声结构材料的吸声过程，AL(f》等于入射声压级工人牧与反射声压级l反斷
之差，
<formula>formula see original document page 6</formula>[OO43] ^a射/和^S牧是入射声波能量和反射声波能量； 上述声音频率下的材料的吸声系数",为吸声结构材料所吸收的声波能量^吸收/,与
入射声波能量￡入射/的比值；
<formula>formula see original document page 6</formula> 所以，依据上述声音频率下所需降低的声压级AL(f》确定出吸声结构材料的期望吸声系数"/ ;<formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 7</formula>
(4)对于吸声结构材料的选择，需要考虑两个问题， 一个是吸声性能， 一个是使用 因此，提出吸声结构材料的性价比参数PPR (Performance-Price-Ratio)作为评价吸 其中，P。为空气的密度，单位是kg/m3， c。为空气中的声速，单位是m/s， L为所述 的候选吸声结构材料的厚度，Ze和y分别为所述的候选吸声结构材料的特征阻抗和传播系 数， — /p。c。
^ = M
+ / ^ [1 + 0.0978(^Z)—0 7 ]
其中"、V^T，f为使用所述的候选吸声结构材料时的期望声音频率，R为所述的
候选吸声结构材料的流阻系数；
o，g) 「 )]
1 + (1 + 4)/(1 + 2)2/*
上式中，Q为所述的候选吸声结构材料的结构参数，Dp为所述的候选吸声结构材 料的微孔直径，小为所述的候选吸声结构材料的孔隙率，P为所述的候选吸声结构材料的 结构参数Q的表达式如下所示，其中y为空气的动态粘性系数，y 1. 85X10—5Pa. s， k为空气中的波数，k = 2 ji f/Cn
lO-3 g =
1 — 0 |200//
V^oco L 3Aico
，Pxl0 n
i+~-K1 + z = 0.01, 0///
"10^/^; = 10'
10
-3
3Poco (W)
1 — 0 200/i 6 =
10
一3
(w)2
尸x103 ■ 3p0c02 (5-3)多层多孔性吸声结构材料的吸声系数a n为 or = 1 — 其中，P。为空气的密度，单位是kg/m3， c。为空气中的声速，单位是m/s， L为所述 的候选吸声结构材料的厚度，Zf(n)和Y分别为所述的候选吸声结构材料的最外层的特征阻 抗和传播系数； 所述的候选吸声结构材料的表面阻抗Zf(j)为
7 =7
or
Z
f(j)'
L(j)分别为第j层吸声结构材料的特征阻抗、传播系数、表
当有空气层存在时，空气的特征阻抗Zc 其中，Zc(j). 面阻抗与厚度； 最底面假设为刚性壁面，即有Zf(。)
&和传播系数Y &为
Zc air = P 0c0
Yair = i2 Ji f/c 当吸声结构为n层时，分别计算各层材料的特征阻抗Zc和传播系数Y ，然后得到
整个选择材料的最外层的表面阻抗Zf(n)，将Zf(n)代入吸声系数CIn的计算公式中，得到多层
吸声结构材料的吸声系数a n ; (6)根据上述期望声压级分布Lp/(fi)以及各种候选吸声结构材料的吸声系数计 算公式，确定吸声结构材料的最小厚度，吸声结构材料最小厚度的计算流程图如图2所示。
依据期望的吸声系数以及吸声结构材料吸声特性模型，就可以优化确定所需吸声 结构材料的最小厚度，确定过程如图2所示；选定了候选吸声结构材料后，先计算初选厚度 LJ1 = 1，2， . . . ， m)下的候选吸声结构材料的吸声系数"y;(A);.然后利用性价比PPR、吸声 系数^Z 、总成本M和布置空间t等作为优化的边界条件，对吸声结构材料的厚度b和吸声
系数"y;(A)进行优化；
如果
8
",(丄,)^5乂 (/ = 1,2，...，") 则吸声结构材料的厚度为1^ ;否则增加吸声结构材料厚度为Lw，重复步骤(6)，直 到满足上式。根据一般的工程应用，要求厚度^ > 10mm。
权利要求
一种用于吸声的多孔性吸声结构的设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)对需要应用多孔性吸声结构材料的声学环境的声音进行测量和频谱分析，得到声学环境的总声压级LpA及声音频率的声压级分布LpA(fi)，其中fi表示第i个声音频率；(2)设定期望总声压级LpAe，计算噪声评价数N，N＝LpA-5，根据噪声评价数N，计算上述各声音频率下的声压级Lp，Lp＝a+bN，得到期望声压级分布LpAe(fi)，其中a、b分别为与各声音频率相关的常数，取值范围分别为-50-1.2；(3)根据上述声音频率的声压级分布LpA(fi)与上述各声音频率下的期望声压级分布LpAe(fi)，得到各声音频率下需要降低的声压级ΔL(fi)＝LpA(fi)-LpAe(fi)；(4)定义设定吸声结构材料的吸声系数NRC与单位面积吸声结构材料的价格Value之比为吸声结构材料的性价比PPR， <mrow><mi>PPR</mi><mo>=</mo><mn>1000</mn><mfrac> <mi>NRC</mi> <mi>Value</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>计算得到待用的吸声结构材料的性价比PPR，选择吸声结构材料的性价比PPR最大的三种材料作为吸声结构材料的候选吸声结构材料；(5)分别计算上述PPR最大的三种候选材料的吸声系数对于不同种类的吸声结构材料，分别利用以下对应的公式进行计算(5-1)单层纤维型多孔性吸声结构材料的吸声系数αn为 <mrow><msub> <mi>α</mi> <mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mrow><mo>|</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>Z</mi> <mi>C</mi></msub><mi>coth</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>γL</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>ρ</mi> <mn>0</mn></msub><msub> <mi>c</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>Z</mi> <mi>C</mi></msub><mi>coth</mi><mrow> <mo>(</mo> 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<mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mrow><mo>|</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>Z</mi> <mrow><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msub><mi>coth</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>γL</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>ρ</mi> <mn>0</mn></msub><msub> <mi>c</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>Z</mi> <mrow><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msub><mi>coth</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>γL</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>ρ</mi> <mn>0</mn></msub><msub> <mi>c</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow>其中，ρ0为空气的密度，ρ0的单位是kg/m3，c0为空气中的声速，单位是m/s，L为所述的候选吸声结构材料的厚度，Zf(n)和γ分别为所述的候选吸声结构材料的最外层的特征阻抗和传播系数；所述的候选吸声结构材料的表面阻抗Zf(j)为 <mrow><msub> <mi>Z</mi> <mrow><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msub><mo>=</mo><msub> <mi>Z</mi> <mrow><mi>c</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msub><mfrac> <mrow><msub> <mi>Z</mi> <mrow><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msub><msub> <mi>Z</mi> <mrow><mi>c</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msub><mi>tanh</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>γ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow> </msub> <msub><mi>L</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>Z</mi> <mrow><mi>c</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>Z</mi> <mrow><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msub><mi>tanh</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>γ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow> </msub> <msub><mi>L</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mi>n</mi> </mrow>其中，Zc(j)、γ(j)、Zf(j)、L(j)分别为第j层材料的特征阻抗、传播系数、表面阻抗与厚度，当吸声结构为n层时，分别计算各层材料的特征阻抗ZC和传播系数γ，然后得到整个选择材料的最外层的表面阻抗Zf(n)，将Zf(n)代入吸声系数αn的计算公式中，得到多层吸声结构材料的吸声系数αn；(6)根据上述期望声压级分布LpAe(fi)以及各种候选吸声结构材料的吸声系数计算公式，确定吸声结构材料的最小厚度。
全文摘要
本发明涉及用于吸声的多孔性吸声结构材料的设计方法，属于车辆噪声控制技术领域。对吸声结构材料的声学环境的声音进行测量和频谱分析，得到声学环境的总声压级和声压级分布；设定期望总声压级，计算噪声评价数和各声音频率下的声压级，得到期望声压级分布，根据声压级分布和期望声压级分布，得到需要降低的声压级；根据材料的PPR值，得到待用材料的性价比，选择性价比最大的三种材料作为候选吸声结构材料；计算PPR最大材料的吸声系数，根据期望声压级分布以及各种候选吸声结构材料的吸声系数计算公式，确定吸声结构材料的最小厚度。本方法有效的针对实际声学环境，设计吸声结构材料的组成和厚度，提高了设计效率，降低了吸声结构的成本。
文档编号G01R23/16GK101777345SQ20091024396
公开日2010年7月14日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者李克强, 杨殿阁, 王建强, 王彬星, 罗禹贡, 连小珉, 郑四发, 郝鹏 申请人:清华大学