微穿孔板吸声结构——理论与应用

微穿孔板作为典型的共振吸声结构，自20世纪70年代马大猷院士的奠基性工作后，其声学性能、结构设计和拓展应用受到学术界广泛关注。通过研究人员的持续努力，微穿孔板技术不断发展，同时还衍生出大量新型结构。近年来，声线弯折耗能机制的发现丰富了微穿孔板吸声机理；滚压拉伸技术、增材加工、化学腐蚀、热塑和刻划等方法拓展了微孔成型工艺；高性能计算机实现了微穿孔板吸声结构的有限元数值仿真计算。作者所在的课题组一直致力于微穿孔板吸声结构研究—在前人工作的基础上建立了考虑黏热效应的声阻抗计算模型，减小了经典模型在较低频率下的预测偏差，优化了微穿孔板结构的设计，研究了多种微穿孔板复合结构，提升了微穿孔板结构的吸声性能。

本书由课题组近年的研究成果系统编撰而成。全书共6章。第1章从多孔吸声材料、共振吸声结构和人工复合结构三个方面概述吸声材料，并引入微穿孔板吸声结构。第2章从声波的基本性质、管中的声传播和亥姆霍兹共鸣器引入微穿孔板吸声结构的基础理论，并重点介绍微穿孔板吸声结构的声阻抗孔内效应和末端效应，以及常用的建模方法。第3章主要介绍微穿孔板的黏热模型，运用黏热理论对微孔内外的声波传播过程进行准确建模。第4章主要介绍微穿孔板吸声结构的数值仿真分析方法。第5章主要介绍微穿孔板吸声结构的设计，包括几何参数的影响规律以及串并联结构和变截面结构等内容。第6章主要介绍微穿孔结构的拓展应用，包括微穿孔板与其他结构的复合、纺织吸声结构以及微孔软膜天花空间吸声体等内容。

目前国内外尚无专注于介绍微穿孔板吸声结构的著作，本书的出版可以弥补这一空白。本书突出基础性、实用性和前瞻性，可以作为研究者学习微穿孔板结构的入门书籍，也可作为微穿孔板声学结构研究、设计与工程应用的指导用书。作者由衷希望本书的出版能对我国声学材料的研究和噪声控制技术的发展起到一定的促进作用。

本书在撰写过程中，得到北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所、环境噪声与振动北京市重点实验室、国家环境保护城市噪声与振动控制工程技术中心以及同行专家的大力支持和帮助，特此表示感谢。感谢国家自然科学基金项目（11274048，11604015）、北京市自然科学基金项目（1172007，8142016，1182011，1222021）的支持，特别感谢北京市科学技术研究院北科学者计划BS201901和北科青年学者计划BYS202003的经费资助。

限于作者水平，书中不妥之处，敬请读者批评指正。

著者

本书系统地介绍了微穿孔板吸声结构的基础理论、建模方法、结构设计和拓展应用。基础理论部分介绍了微穿孔板吸声结构的原理和分析方法；建模方法部分推导了考虑黏热效应的微穿孔板声阻抗模型，并进行了有限元数值仿真验证；结构设计和拓展应用部分介绍了微穿孔板结构的孔、腔和板的设计方法以及微穿孔板复合结构的研究成果。本书可供声学材料和环境噪声控制等相关领域的科研和工程技术人员阅读参考。

本书系统地介绍了微穿孔板吸声结构的基础理论、建模方法、结构设计和拓展应用。基础理论部分介绍了微穿孔板吸声结构的原理和分析方法；建模方法部分推导了考虑黏热效应的微穿孔板声阻抗模型，并进行了有限元数值仿真验证；结构设计和拓展应用部分介绍了微穿孔板结构的孔、腔和板的设计方法以及微穿孔板复合结构的研究成果。本书可供声学材料和环境噪声控制等相关领域的科研和工程技术人员阅读参考。

第1章　吸声材料概述 001

1.1　多孔吸声材料 002

1.2　共振吸声结构 003

1.3　人工复合结构 005

1.4　本书结构 006

参考文献 007

第2章　基本理论 008

2.1　声波的基本性质 009

2.1.1　声波基本方程 009

2.1.2　平面声波 011

2.1.3　声波的吸收 013

2.2　管中的声传播 016

2.3　亥姆霍兹共鸣器 019

2.4　微穿孔板吸声结构 020

2.4.1　孔内效应 021

2.4.2　末端效应 024

2.4.3　孔间相互作用 025

2.4.4　吸声结构整体声阻抗 027

2.5　微穿孔板结构的建模方法 028

2.5.1　等效电路法 028

2.5.2　等效流体法 030

2.5.3　传递矩阵法 031

参考文献 034

第3章　微穿孔板的黏热模型 036

3.1　黏热基本方程 037

3.2　线性化黏热模型求解 038

3.3　低约化频率模型 040

3.4　圆形孔微穿孔板的黏热求解 041

3.4.1　理论建模 041

3.4.2　声阻抗末端修正 046

参考文献 050

第4章　数值分析方法 051

4.1　COMSOL Multiphysics?软件介绍 052

4.2　热黏性声学接口 053

4.3　经典微穿孔板仿真实例 055

4.3.1　数学建模 055

4.3.2　边界条件 057

4.3.3　网格划分 057

4.3.4　微孔内外声学现象 058

4.4　传递阻抗的仿真计算 059

4.5　声阻抗末端修正的仿真计算 061

4.5.1　截面声阻抗率沿微孔轴向变化 062

4.5.2　等效额外孔长 064

4.5.3　不同模型的对比分析 067

参考文献 069

第5章　微穿孔板吸声结构的设计 070

5.1　微穿孔板结构的吸声性能 071

5.1.1　吸声性能极限 071

5.1.2　几何参数对吸声性能影响 073

5.2　微穿孔板串并联组合结构 079

5.2.1　串联结构 079

5.2.2　并联结构 082

5.3　变截面微穿孔板 089

5.3.1　渐变型 090

5.3.2　阶梯型 093

5.3.3　错位型 102

5.3.4　夹层型 114

参考文献 125

第6章　微孔吸声结构的拓展与应用 127

6.1　微穿孔板复合结构 128

6.1.1　复合亥姆霍兹共鸣器 128

6.1.2　复合薄膜谐振单元 132

6.1.3　复合板型谐振单元 134

6.1.4　复合分流扬声器 137

6.2　纺织吸声材料 142

6.2.1　机织物吸声材料 142

6.2.2　无纺吸声材料 145

6.3　微孔软膜吸声结构 148

6.3.1　理论建模 149

6.3.2　案例 154

参考文献 159

本书系统地介绍了微穿孔板吸声结构的基础理论、建模方法、结构设计和拓展应用。基础理论部分介绍了微穿孔板吸声结构的原理和分析方法；建模方法部分推导了考虑黏热效应的微穿孔板声阻抗模型，并进行了有限元数值仿真验证；结构设计和拓展应用部分介绍了微穿孔板结构的孔、腔和板的设计方法以及微穿孔板复合结构的研究成果。本书可供声学材料和环境噪声控制等相关领域的科研和工程技术人员阅读参考。

1.本书内容在前人研究的基础上，提出了创新性的计算模型，探索了多种微穿孔板复合结构。2.突出基础性、实用性和前瞻性，既可作为入门书籍，也可作为微孔板声学材料的研究、设计与工程应用的指导用书。3.含有丰富图表、数据，在细节呈现上做到以小见大、见微知著。4.四色印刷，阅读效果更佳。