基于p-u 探头测试法的双层微穿孔吸声体吸声性能试验研究

陈雅曦，张华山，张家雄

（中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

0 引言

微穿孔吸声体是为解决高温、高湿环境的消声问题而设计的一种吸声结构[1]，因其具备结构简单、无污染、防潮防火等优点而得到广泛应用[2]。目前，关于微穿孔吸声体的研究主要集中在其吸声性能与其孔隙率、孔径、板厚度、腔体深度等参数的关系[3-4]，但在实际应用中，吸声结构往往组合形成一定的声腔，板后不同声腔体积对微穿孔吸声体吸声性能的影响也很重要，但鲜见研究文献。其原因与吸声系数测试方法的局限性有关：试验室常用的阻抗管法对被测试件尺寸有一定要求，在平面波条件的限制下，阻抗管的截面积大多不超过一定的尺寸，因此大多数微穿孔吸声体的吸声性能测试是将微穿孔板裁切至与阻抗管截面相匹配[5]，这将导致微穿孔吸声体声腔深度方向之外的尺寸特征的丢失。

p-u 探头法可以对真实尺寸试件的吸声系数进行测量，克服了传统阻抗管法的局限性。Lanoye等[6]采用p-u 探头法对三聚氰胺试样进行吸声系数的测量试验，证明p-u 探头法与阻抗管法在中高频域的测量结果较为吻合；王彬星等[7]采用p-u 探头法获取了多孔材料的特征阻抗与波数，确定了材料的声学特性。这些研究验证了p-u 探头法对于阻性吸声材料吸声性能的测量精度，但该方法目前很少应用于类似微穿孔吸声体的由表层吸声面板与背层共振腔体组合而成的吸声结构。

本研究在验证了p-u 探头法测量双层微穿孔吸声体吸声系数的适用性后，基于p-u 探头法进行试验研究，探讨声腔体积对双层微穿孔吸声体吸声性能的影响，以期为微穿孔吸声体的优化设计提供新思路。

1 双层微穿孔吸声体

微穿孔吸声体采用板厚和孔径小于1 mm、穿孔率为1%～5%的薄金属板，与背后空气层组成吸声结构。由于微穿孔板本身具有较大声阻，所以微穿孔吸声体在不额外附加多孔材料声衬的情况下也能获得良好的吸声性能。双层微穿孔吸声体结构如图1 所示，由2 层微穿孔板与刚性背衬构成，图中，D1、D2分别为2 层板间以及第2 层板后腔体的空气层厚度，d1、d2分别为2 层微穿孔板的孔径，t1、t2分别为2 层微穿孔板的厚度。相比单层微穿孔吸声体，双层微穿孔吸声体具有更多的吸声峰值，吸声频率范围更宽。

图1 双层微穿孔吸声体结构示意Fig. 1 Schematic diagram of the structure of the double-layer micro-perforated sound absorber

2 p-u 探头法测量原理

p-u 探头法测量质点运动速度的原理是，利用两个相邻很近的电阻传感器探测声波传播过程中产生的温度差，将该温度差通过线性变换转化为质点的运动速度。p-u 探头法是一种灵活、高效的现场测试方法，对试件形状和尺寸没有严格的要求。

p-u 探头吸声系数测量仪由p-u 探头、点声源以及数据采集分析设备组成。如图2 所示，在进行法向吸声系数测量时，应保持点声源S 与p-u 探头间的连线垂直于被测试件表面，p-u 探头与被测试件间的距离为d，点声源与p-u 探头间的距离为r，点声源与被测试件间的距离为h（h=d+r）。点声源产生球面声波，假设该球面声波具有和平面波相等的反射系数，从而建立镜像声源S′模型[8-9]。

图2 p-u 探头法测量试件法向吸声系数原理示意Fig. 2 Schematic diagram of measuring the normal sound absorption coefficient of the specimen using the p-u probe

镜像声源模型将点声源的球面波反射简化为平面波反射处理，这一处理成立的前提是点声源到被测试件的距离大于声波波长。

p-u 探头接收到的总声压包括由点声源S 发出的直达声和经被测试件反射后镜像声源S′的反射声。由声波方程的单频球面行波解可得接收点的总声压为

在p-u 探头位置非常接近被测试件表面时，有d≈0，h≈r，在基于平面波假设的情况下，kr足够大，则被测试材料的声压反射系数可简化为

3 试验设计与实施

本文首先进行阻抗管法和p-u 探头法测量材料吸声系数的对比试验，以验证p-u 探头法测量双层微穿孔吸声体吸声系数的适用性。测量试验采用的被测试件除x、y方向尺寸（坐标系定义见图1）不同外，其余参数完全一致，p-u 探头法的被测试件为真实尺寸吸声体，其微穿孔板边长lx=ly=440 mm，阻抗管法的被测试件lx=ly=75 mm。

p-u 探头法测量双层微穿孔吸声体吸声系数试验采用荷兰Microflown 公司的p-u 探头吸声系数测量仪，试验状态如图3 所示。为了最大限度降低环境噪声干扰，试验在北京航天计量测试技术研究所的全消声室内进行。消声室净空间尺寸为5.5 m×4.6 m×4.1 m，有效自由场半径＞1.6 m，消声频率范围63 Hz～20 kHz，本底噪声16 dB，满足试验要求。

图3 p-u 探头法测量吸声系数装置Fig. 3 Device for measuring the sound absorption coefficient using p-u probe

阻抗管法测量吸声系数试验设备如图4 所示，其中设计了专用试件套，将2 块裁切后的微穿孔板置于其中，与试件套空腔形成微穿孔吸声体，见图5。试件套保证了微穿孔吸声体内空气层厚度与真实试件一致。

图4 阻抗管法测量吸声系数试验设备Fig. 4 Device for measuring the sound absorption coefficient using impedance tube

图5 阻抗管试件套Fig. 5 The impedance tube test piece

4 试验结果分析

分别用p-u 探头法和阻抗管法测量材料的吸声系数，结果如图6 所示。p-u 探头法在测试前需采用自由场标定法进行标定，而自由场标定法在低频域（250 Hz 以下）可信度不高[10]，因此在图6 中300 Hz之前的低频段，p-u 探头法与阻抗管法的测量结果有出入。此外，p-u 探头法和阻抗管法测量的双层微穿孔吸声体吸声系数峰值（400 Hz 和1450 Hz）吻合，并且在双层微穿孔吸声体的主要吸声频带内2 种方法测得的吸声系数非常接近。需要指出的是，p-u 探头测试的真实尺寸双层微穿孔吸声体存在更多的吸声峰值（额外吸声峰值在图6 中用箭头标出）。

图6 2 种方法测得的吸声系数对比Fig. 6 Comparison of the sound absorption coefficient measured by two methods

为考查声腔几何尺寸对吸声体吸声性能的影响，将双层微穿孔吸声体中的声腔近似为刚性壁面矩形腔，腔体三方向尺寸分别为lx、ly、lz，则其简正频率满足

式中：j1,j2,j3= 0, 1, 2, …，由于在深度方向2 种试件尺寸相同，不再单独考虑，故取j3=0；又lx=ly=440 mm，x和y方向的简正模式发生简并，而在单向模式下声腔中的声能衰减系数最小，因此只考虑x或y方向的单向高次模式，有

由式(8)求得x、y方向高次模式对应的简正频率，与p-u 探头法测得的额外峰值频率对比（见表1）可以发现，p-u 探头法测得的真实尺寸双层微穿孔吸声体在中高频段的额外吸声峰值频率与声腔x、y方向尺度（440 mm）的高次模式简正频率基本吻合，偏差不超过5%。这表明，双层微穿孔吸声体板后声腔共振能提升微穿孔吸声体的吸声性能，而这一声腔共振频率与声腔x、y方向尺寸相关。

表1 真实尺寸双层微穿孔吸声体声腔共振频率与额外吸声峰值频率对比Table 1 Comparison between the resonance frequency of acoustic cavity of real-size double-layer microperforated sound absorber and the peak frequency of additional sound absorption

5 结束语

本文对阻抗管法和p-u 探头法测量双层微穿孔吸声体吸声性能的结果进行对比，发现p-u 探头法能测量真实尺寸下双层微穿孔吸声体的吸声系数，在主要吸声峰值附近与阻抗管法的测量结果吻合；且p-u 探头法测量吸声系数时不受被测试件尺寸的限制，对于类似双层微穿孔吸声体这类包含空腔的吸声结构能反映出声腔共振对吸声体吸声系数的影响效果；而双层微穿孔吸声体板后声腔共振能提升其吸声性能，在设计双层微穿孔吸声体时也应考虑对除空腔深度外其余2 个方向的几何尺寸进行优化。