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基于计算机模拟的微穿孔板吸声结构及其并联结构特性研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代社会，噪声污染已成为影响人们生活质量和工作效率的重要问题之一。无论是在建筑室内环境，如电影院、音乐厅、会议室，还是在工业生产场所，如工厂车间、发电厂，以及交通运输领域，如机场、铁路等，过高的噪声不仅会干扰人们的正常交流、学习和休息，长期暴露在噪声环境中还可能对人体健康造成损害，如引发听力下降、心血管疾病等。因此，吸声材料和吸声结构的研究与应用对于改善声学环境、降低噪声污染具有至关重要的意义。

微穿孔板吸声结构作为一种重要的吸声技术，自20世纪70年代由我国著名声学专家马大猷院士提出以来，因其独特的吸声原理和优异的性能特点，受到了广泛的关注和研究。微穿孔板吸声结构是在厚度小于1mm的薄金属板上钻许多微孔，孔径一般在0.5-1mm左右。与传统的多孔吸声材料相比，微穿孔板吸声结构不需要填充任何多孔吸声材料，就能通过微孔的声阻和空腔的声容效应，实现对声波能量的有效吸收，从而改变了普通穿孔板共振吸声结构吸声频带窄的不足，具有吸声系数高、吸收频带宽、结构简单、不易碎屑化、抗冲击性强、防潮防水等优点。这些优点使得微穿孔板吸声结构在众多领域得到了广泛的应用，如建筑声学、工业噪声控制、航空航天等。

然而，单一的微穿孔板吸声结构在某些情况下仍存在一定的局限性，其吸声性能在特定频率范围内可能无法满足实际需求。为了进一步提高吸声效果，扩大吸声频带，研究人员提出了微穿孔板并联结构。通过将不同参数（如孔径、穿孔率、板厚、背腔深度等）的微穿孔板进行并联组合，可以使结构在更宽的频率范围内实现高效吸声，从而更好地适应复杂多变的噪声环境。例如，在火箭发动机燃气高温高速射流通道内，噪声具有频率范围宽、强度大等特点，采用表面平齐的并联微穿孔板吸声结构可以有效地控制噪声辐射，保护设备和人员安全。

计算机模拟技术的飞速发展为微穿孔板吸声结构及其并联结构的研究提供了强大的工具。通过计算机模拟，可以在设计阶段对不同结构参数和工况下的吸声性能进行预测和分析，快速评估各种方案的可行性，避免了大量繁琐的实验工作，节省了时间和成本。同时，计算机模拟还能够深入揭示吸声结构的声学机理，为结构的优化设计提供理论依据，从而推动微穿孔板吸声技术的不断发展和创新。因此，开展微穿孔板吸声结构及其并联结构的计算机模拟分析具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

自微穿孔板吸声结构理论提出以来，国内外众多学者对其进行了广泛而深入的研究，研究内容涵盖了理论分析、实验研究以及计算机模拟等多个方面。

在理论研究方面，马大猷院士提出的微穿孔板吸声理论为后续的研究奠定了坚实的基础。该理论基于声电类比原理，建立了微穿孔板声阻抗的计算模型，从而能够准确地计算微穿孔板吸声结构的吸声系数。在此基础上，许多学者对微穿孔板理论进行了进一步的完善和拓展。例如，一些研究考虑了声波的斜入射、板的振动以及材料的非线性等因素对吸声性能的影响，建立了更为复杂和精确的理论模型。同时，对于微穿孔板并联结构的理论研究也取得了一定的进展，通过分析并联结构中各微穿孔板之间的相互作用和声学特性，建立了相应的声阻抗和吸声系数计算方法。

在实验研究方面，国内外学者通过各种实验手段对微穿孔板吸声结构及其并联结构的吸声性能进行了测试和验证。实验方法主要包括阻抗管法、混响室法以及现场测试法等。通过实验，研究人员获得了大量关于微穿孔板吸声结构吸声性能的数据，分析了穿孔率、孔径、板厚、背腔深度等结构参数对吸声性能的影响规律。同时，实验结果也为理论模型的验证和改进提供了重要依据。例如，有研究通过阻抗管实验测量了不同参数微穿孔板的吸声系数，与理论计算结果进行对比，验证了理论模型的准确性。

随着计算机技术的发展，计算机模拟在微穿孔板吸声结构研究中得到了越来越广泛的应用。常用的模拟软件包括COMSOLMultiphysics、ANSYS、LMSVirtual.Lab等，这些软件基于有限元法、边界元法等数值计算方法，能够对微穿孔板吸声结构的声学特性进行精确模拟。通过计算机模拟，可以直观地观察声波在微穿孔板结构中的传播和衰减过程，分析结构参数对吸声性能的影响，从而为结构的优化设计提供指导。例如，有研究利用COMSOL软件对表面平齐的并联微穿孔板吸声结构进行了仿真研究，分析了并联结构的背腔深度比、周期和单体宽度等参数对吸声性能的影响。

尽管国内外在微穿孔板吸声结构及其并联结构的研究方面取得了丰硕的成果，但仍存在一些不足之处和有待进一步研究的问题。例如，在理论研究方面，对于复杂工况下（如高温、高速气流、强非线性等）微穿孔板吸声结构的声学特性，现有的理论模型还不够完善，需要进一步深入研究。在实验研究方面，实验测试方法