長T型聲共振器在船舶噪聲控制中的應用

李德玉　歐禮堅　趙成璧

摘要：本文介紹一種用于腔體內中低頻噪聲控制的多模態聲共振器，即長T型聲共振器。包括長T型共振器的設計方法、控制機理和控制效果等。同時對該共振器在船舶噪聲控制上的應用進行了初步探討。

關鍵詞：船舶噪聲；共振器；結構聲學

1 介紹

低頻噪聲會引起嚴重的環境危害。最常見的低頻噪聲是聲腔內的低頻噪聲，這些聲腔廣泛存在于船舶、車輛、飛機和運載火箭中。它們的共同點是聲腔內部的幾何空間有限，導致實施減振降噪措施很困難。Fuller等對源于二十世紀三十年代的主動控制技術在低頻噪聲控制領域進行了研究，開發出具有代表性的主動結構聲控制（ASAC）技術。然而，因主動技術復雜且魯棒性差，該技術的成功范例不多。典型的被動噪聲控制是用棉氈來增加吸聲性能，對減小高頻噪聲效果好，而減小低頻噪聲要求棉氈較厚較重，這對有限的空間不實際，還會增大附加重量。Griffin等用引入特征阻抗不匹配來改進被動方法的低頻性能，他們用雙層板圍成密閉的空間，雙層板之間為真空或接近真空。在實驗室，這種方法使0－200Hz的聲壓級減小19dB。然而，實際工程中很難實現近似真空的條件。對于輕阻尼結構，通過約束阻尼層或其他結構振動被動控制技術來減小結構低頻振動輻射，進而減小低頻噪聲的方法也取得了部分成功[1]。

聲共振器是另一種減小腔體內中低頻噪聲的被動方法。自赫姆霍茲（Helmholtz）發表聲共振器的動力學原理后[2]，大量與赫姆霍茲共振器設計和共振頻率預測有關的文章發表在各種期刊上。最早的聲共振器用于建筑物中來吸聲或改變房間的聲學特性，也見于飛機發動機的入口、排氣管消音裝置、火箭燃燒穩定性控制和飛機艙的雙層板結構內。在有噪聲的腔內，理想的情況是把聲共振器與腔體壁結構集成以減小共振器所占空間。因為赫姆霍茲共振器象個燈泡，難于滿足上述要求，由此帶有后背板的微穿孔板被用在低頻噪聲控制中。對于這種結構，最好的吸聲效果發生在多層結構的厚度等于四分之一被控聲波的波長[3，4]。這個尺寸太大，不實際。為了改進赫姆霍茲共振器、多孔板和纖維材料吸聲的不足，聲學家們開發了多種無纖維吸聲器。最近，李德玉和Vipperma，開發了一個長T型聲共振器（LTAR）[5]，它包括兩個垂直相交的管子：一個兩端封閉的長管子作為共振器的主體，另一個兩端開口的管來提供共振器與聲腔的交通通道。該裝置最初為控制大型運載火箭內的噪聲而開發，后來用于控制腔體內的噪聲，最近又推廣到改進雙層板結構的傳聲損失。因為LTAR的長細比大，它與傳統的共振器相比有下列優點：（1）多模態特征為中低頻控制提供了可能；（2）狹窄的分支管道提供了更高的聲能吸收；（3）可作為結構部件直接集成到主結構中以減小共振器本身所占空間；（4）共振器可在控制噪聲的同時來減小結構振動。由此，LTAR成為腔體噪聲控制中非常有潛力的傳統赫姆霍茲共振器的替代品。