吸声尖劈的理论分析和仿真计算及形状优化
本文首发于微信公众号「声学号角」 01—消音室和吸声尖劈 消声室是用来模拟自由声场的重要声学实验室，在声学产品开发中有着广泛应用。所谓自由声场，就是指声波能自由传播，无障碍物的反射，也无环境噪声的干扰。 比如下图中的中科院声学所东莞电声产业基地的全消声室。 声动松山湖 | 中科院声学所东莞电声产业基地 在各种消声室中，基本上我们都可以在天花板、地面、墙面发现挂装着长长的尖劈状吸声体。因为吸声尖劈具备优良的吸声性能，从而被普遍采用。当然现在也有用声超构材料来做消音室吸声体的。各种类型声学超材料 新上市的KEF LS50 Meta音箱中声学超构材料吸收器原理以及应用 02—吸声尖劈的理论分析 理想的消音室应该将入射到各个壁面的声波完全吸收，即壁面的吸声体的吸声系数要达到100%。然而低频段的吸声系数达到100%这么完美是不太可能的。 为了将消声室作为近似自由声场的模拟，通过研究表明，在壁面吸声系数>0.99时，消音室测试声场与自由声场误差<1dB。也就是说声波垂直入射时，壁面声反射系数<0.1（10%），或者说反射声波声压级比入射声波声压级低20dB以上。 一些吸声材料，比如玻璃纤维，其吸声系数可以做到0.9以上，但要超过0.99是非常困难的。下面做个简要分析。 良好的吸声材料需要满足两个条件：1.材料对声波有很强的吸收和消耗能力；2.材料的特性阻抗与空气介质特性阻抗接近，使得声波能充分透入材料，减小声反射。反射太多，或吸收消耗太少都很难做到很高的吸声系数。 假设吸声材料很厚，且材料内部声吸收系数非常大，即声波进入材料的话会被完全吸收。其总的吸声系数近似表达式 其中γ为吸声材料与空气介质的特性阻抗比值（密度*声速比值） 从上述吸声系数的表达式来看，即使吸声材料能将入射的声波完全吸收掉，如果γ做不到<1.22，吸声系数也达不到0.99以上（部分声能会被反射）。 尖劈状吸声体具有良好的吸声性能，用来做消声室的吸声体已经很长时间，关于其吸声原理也有不少研究。但其中涉及复杂的数学计算，尤其是多孔材料的微观机理非常复杂，其物理参数也不容易得到。 基于微观结构的吸声多孔介质建模 总的来说，从理论的分析上可以得知，吸声尖劈实现良好的吸声性能机理主要是实现了特性阻抗逐渐过渡，从而使得声波有效地进入了材料并被吸收衰减。多孔材料高频吸声较好，通常我们将吸声系数0.99的最低频率作为吸声尖劈的吸声低频截止频率。低频截止频率主要和尖劈长度L有关，其近似表达式： 尖劈长度越长，低频截止频率越低。 03—吸声尖劈的仿真计算 下图是简要的一个吸声尖劈的3d图示，灰色代表墙面，米色代表吸声尖劈。吸声尖劈一般都有一定厚度的基底，除了安装的考虑，也是达到最佳吸声效果必须要的。 且一般吸声尖劈和墙面会留一些间隙，形成空腔，会使得截止频率更低。 下图是仿真一种设计下不同频率的吸声系数，纯尖劈长度0.9m。其低频截止频率（吸声系数>0.99）在80Hz。其反射系数在80Hz以上都是<0.1的。 200Hz仿真的声场分布 50Hz仿真的声场分布 1000Hz声波动态吸收过程同样材料同样外围尺寸，吸声尖劈和均匀厚度吸声体的吸声系数对比：可以发现吸声尖劈的效果远远好于同尺寸同材料的均匀厚度吸声体。 不同长度尖劈吸声系数对比 0.5m长尖劈低频截止频率在180Hz，1.5m长尖劈低频截止频率在50Hz。 04—吸声尖劈的仿真计算 通过仿真的方式，可以找到合适的吸声尖劈设计，并对其形状进行优化。 关于仿真的各种优化方式：拓扑优化、形状优化、参数优化，可以参考我之前的文章利用Comsol进行扬声器弹波的有限元形状优化 扬声器的形状优化和拓扑优化 Comsol优化功能简介 扬声器设计中声学元件的数值优化策略 磁路拓扑优化 【扬声器仿真高阶应用】扬声器盆架设计的拓扑优化 优化后的吸声尖劈形状，尖劈长度和之前保持一致 优化前后的吸声系数仿真对比： 可以看到其低频截止频率从80Hz下降到60Hz，且50Hz的吸声系数仍然有0.98。 200Hz仿真的声场分布 50Hz仿真的声场分布 1000Hz声波动态吸收过程 掌握优化方法是从仿真菜鸟到仿真高手的必经之路。