共振吸声体降噪研究与应用

张亚虎，任伟

（美的集团冰箱事业部用户与产品中心，安徽合肥 230601）

共振吸声体降噪研究与应用

张亚虎*，任伟

（美的集团冰箱事业部用户与产品中心，安徽合肥 230601）

共振吸声体是利用入射声波的频率与自身系统的固有频率一致时，驱动共振吸声体板材在声场中变形共振，从而部分声能转化为热能，引起声能的衰减，达到吸声降噪的目的。这种吸声体在接近共振频率时吸声效果最好。文章首先介绍了共振吸声体的结构及吸声原理，接着对设计出的几种共振吸声体进行了吸声系数的测试；最后将共振吸声体应用到某冰箱的风道噪声实验中，使风道噪声大大降低，从而说明了共振吸声体的降噪功能和效果。

共振吸声体；共振频率；吸声系数；风道噪声

0　引言

当声能入射到某些材料或结构的表面，而这些材料或结构具有吸收声能的能力，则称这些材料或结构为吸声材料或吸声结构。吸声材料中的声能损耗，是由于材料细孔中的空气摩擦和这些细孔的孔壁的导热性所造成的［1］。特别是在低频，当声波入射到材料表面时，这种低频声的吸收则是依靠材料的振动来实现。材料的吸声能力，用吸声系数α来表示，它是材料吸收的声能与入射到它上面的声能的比值。吸声系数α是根据声学测量而确定的。对于吸声板材，常用驻波管法［2］进行测定，而对于吸声结构或对于人、家具、设备等，则采用混响室法进行测定。

冰箱的降噪，一般从压缩机、风道、冷媒音管路等方面入手。压缩机的减振降噪一般通过改变内部结构及壳体厚度［3］，设计橡胶垫减震系统［4］等；风道的降噪依靠仿真分析，设计优化结构，降低风道噪声［5］；冷媒噪音则需要更改管路走向及结构以降低噪音［6］。由此可以看出，通过结构优化设计可有效降低冰箱噪音，但设计周期长、成本高，而吸声材料成本低、见效快，在冰箱中的应用比较广泛，一般应用在冰箱机械室的后盖板、冰箱风道、箱体内胆、压缩机舱等，对降低整机噪声起到了一定的作用。但是现有用于冰箱的吸声材料仅仅只是一层单一的隔音结构，最大限度地降低整机噪声还远远不够。由此，本文提出了一种单层共振吸声体结构，它是基于自身系统的共振，引起声能的衰减而达到吸声降噪的目的。

1　共振吸声体原理

常见的单层共振吸声体有两种，一种是穿孔板共振吸声体［7］，穿孔板背面黏贴薄膜，穿孔板与固定面间保留有空气层，当入射声波频率达到吸声体结构固有频率时，产生共振，此时穿孔板小孔中空气柱往复运动的速度最大，摩擦损失最大，吸收的声能也达到最大。另外一种是本文所要介绍的薄板共振吸声体。

如图1所示，该共振吸声体是由薄板和板后空气层组成的共振吸声系统，空气层中填充多孔材料，以提高吸声能力。

图1　共振吸声体结构图

共振吸声体原理图如图2所示，空气层可以看作为一自由伸缩的变刚度弹簧，其刚度系数设为k，空气层厚度设为D，薄板可以看作一质量为m，面密度为m0的质量块，截面面积设为A，薄板的变形位移为dx。

图2　共振吸声体原理图

由于系统属于微小变形，可将刚度系数k作线性处理，则：

式中：

K——空气层弹性模量［8］，K=ρc02；

ρ——空气密度；

c0——声音在空气中的传播速度。

由自由振动方程：

系统固有频率：

当入射声波频率接近共振吸声体系统的频率时，系统发生共振，此时吸声值最高。

将式（1）代入式（3），可以得出：

取ρ为1.2 kg/m3，0c为344 m/s，则：

式（5）为空气层不添加多孔材料下的固有频率，当在空气层中添加多孔材料时，根据文献［9］，可知共振吸声体的固有频率：

2　共振吸声体吸声系数的测定

针对共振吸声体空气层内有无填充多孔材料，进行其吸声系数的测定。

现有一共振吸声体，薄板采用胶合板，面密度m0为3.5 kg/m2，薄板与硬反射面之间的空气层厚度D为 5 cm，根据公式（5）、（6）可以计算得出：在空气层填充多孔材料时，共振频率f0为145 Hz；在空气层填充多孔材料时，共振频率f0为205 Hz。

通过驻波管法测定该共振吸声体的吸声系数，其实测结果，如图3所示。

图3　共振吸声体吸声系数实测值

由图3可以看出，空气层填充有多孔吸声材料时，能够显著提高吸声系数的最大值。在此图中，填充有吸声材料的最大吸声值是未填充吸声材料的近两倍，同时最大的吸收移向更低的频率范围。

3　共振吸声体参数设计

在设计薄板共振吸声体时，需要首先预测出声源的声压频谱，以便明确噪声声压级频谱最大值位于哪个频率带内，然后根据公式（5）、公式（6）将共振频率 f0等于该峰值频率。且在已知薄板面密度 m0时，即可求得空气层的厚度D。此时，该共振吸声体的固有振动频率与噪声声压级峰值的频率相吻合，则引起共振，即可最大程度地吸收噪声声压级的峰值，从而使噪声明显下降。

由于薄板共振吸声体吸收峰值的频带宽度决定于薄板的面密度 m0和空气层的厚度 D，因此如果要将其吸声范围扩大至低频，则需要增大面密度m0和空气层的厚度D。如果m0较大，则靠近共振吸收频率范围将会缩窄，且D值不宜过大，否则会造成侵占冰箱室内空间过多，影响空间的利用。如果要将吸声范围移至高频，则只需减小m0和D。

为了增大薄板共振吸声体的吸声系数及扩大吸声的频率范围，一般采用两种方法可实现：第一种，利用多孔材料配置在薄板固定处的四周，使薄板减振，或者在薄板后面的空气层中全部以疏松的材料填充；第二种，可以采用双层或三层共振吸声体［10］，即多层共振吸声体，也能起到很好的吸声效果。

接下来对某冰箱风道噪声设计共振吸声体，以降低风道的噪声。首先如图4所示，在背景噪声为18 dB的半消声室内测量风道组件的噪声，其声压频谱图，如图5所示。

图4　风道组件声压测试图

图5　风道噪声频谱图

由图5可以明显的看出，风道组件的峰值频带在500 Hz，为更好地提高吸声能力，共振吸声体内添加多孔吸声材料，则由公式（3）可以求得空气层厚度，且选用薄板的面密度m0为1 kg/m2，则空气层厚度D约为1.5 cm。

共振吸声体安装于风道组件内后，重新测量风道组件的声压频谱，并与装载吸声体前的声压频谱对比，如图6所示。

图6　风道噪声频谱对比图

由图 6可以明显的看出，在频带 250 Hz～800 Hz，风道声压级均有明显的降低，且在共振频率500 Hz处，声压值下降尤为明显，下降达12 dB。

为验证共振吸声体结构的吸声效果，排除空气层内吸声材料的干扰，现将上述风道中共振吸声体内的吸声材料取出，再次测量此时风道噪声，频谱如图7所示。

图7　无填充材料与原风道频谱对比图

由图7可以看出，频谱在630 Hz、800 Hz处的声压下降明显，而该共振减振体将空气层中的多孔材料去除，按照公式（5）计算，则此时共振吸声体的共振吸声频率为 700 Hz，正好验证了中心频率在630 Hz、800 Hz处频带声压降低最明显。

通过在共振吸声体空气层内部添加和不添加多孔材料风道噪声实验，风道噪声在相应共振吸声频带均得到明显下降，从而说明了该结构共振吸声的降噪机理，而非由于多孔材料的添加，由此进一步充分验证了该共振吸声体显著的吸声降噪效果。

4　结论

本文介绍了一种共振吸声体的设计方法，它是利用吸声体的共振频率与噪声声压级峰值频率相吻合引起共振的方法，最大限度地吸收噪声声压级的峰值，进而显著降低噪声。文章介绍了吸声体在空气层有无填充多孔吸声材料的计算方法，并对这两种方法设计的吸声体进行了吸声系数的测定，表明空气层填充多孔吸声材料，能够显著提高吸声系数的最大值，且吸声频率范围得到扩展。最后根据风道噪声的频谱特点，确定了吸声体的尺寸参数，装配后风道噪声共振频带的噪声声压级明显下降，进而表明了共振吸声体显著的吸声降噪效果。

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Research and Application of Resonance Sound Absorber in Noise Reduction

ZHANG Ya-hu*， REN Wei
（User &Product Center Refrigerator Division， Midea Group， Hefei， Anhui 230601， China）

When the frequency of the incident sound wave is near the natural frequency of resonance sound absorber， it drives the board of the body deformation in the sound field because of the resonance， which transforms part of the sound energy into heat energy to weaken the sound energy and then to reduce the noise. The sound absorption effect is at maximum when the frequency of the sound absorber is close to the resonance frequency. In the present study， the structure and the sound absorption principle of the resonance sound absorber were introduced， and then the measurements for the absorption coefficient of the designed resonance sound absorbers were performed. Finally the resonance sound absorber is applied to the the air duct of a refrigerator， and the air duct noise was drastically reduced， which shows the function and effect of the resonance sound absorbing body on noise reduction.

Resonance sound absorber； Resonance frequency； Absorption coefficient； Air duct noise

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.202

*张亚虎（1986-），男，噪音工程师，硕士。研究方向：噪声源识别与低噪声设计。联系地址：安徽省合肥市经济开发区锦绣大道176号美的冰箱事业部，邮编：230601。联系电话：0551-62213365。E-mail：zhangyh7@midea.com.cn。