撰稿|由课题组供稿
西安交通大学机械工程学院马富银教授课题组提出了一种用于宽带消声的超薄通风超表面管道覆盖层设计方法，借助输流管道长度方向限制较为宽松的优势，将低频吸声所需的厚度方向的大尺寸转移到长度方向来实现，大幅提高了有效通风面积，可通风面积高达整体结构截面积的55.5%。为了克服超表面工作频带窄的问题，采用了梯度厚度覆盖层的布置方法，实现了轴向径向协调消声。同时这种超表面适用于充液管道系统的消声降噪，传声损失峰值可高达54.6dB。这种设计能够兼顾低频消声与结构轻薄化设计，同时具备优异的通风能力，具有广阔的应用前景。
相关研究成果以“用于宽带消声的超薄通风超表面管道覆盖层”（Ultra-thin ventilated metasurface pipeline coating for broadband noise reduction）为题，在线发表在《Thin-Walled Structures》[Thin-Walled Structures, 200, 111916, 2024]上。西安交通大学为第一作者单位和唯一通讯单位，机械工程学院博士生刘宇泽为第一作者，马富银教授为通讯作者。中国船舶集团第七0五研究所张炜权高级工程师、中国船舶集团第七一九研究所曹光明高级工程师、西安交通大学机械工程学院硕士生左刚和刘崇锐助理教授对论文作出了重要贡献。
输流管道系统被广泛地应用于各种行业和领域，例如中央空调的管道系统、大型风机、燃气轮机、核动力装备等设备的进排气系统以及充液冷却管道系统等。管道系统内部有流体流过，会引发管道流致振动，从而在管道内部传递声波而引发流致噪声和喷流噪声。对于声波而言，由于衍射作用，流道的存在好比行成了声学短路。即便流道很细，中低频声波也能够轻而易举的透过去，基本不会产生损耗。因此，在保证通风和通流的情况下，降低中低频噪声，是极具挑战的，尤其是在尺寸严格限制的条件下。相比于中高频率的噪声，低频噪声波长很长，尤其在水介质中，具有穿透力强且不易衰减的特点。对于舰船等机械装备中大量采用的管道系统而言，由于空间尺寸有严格限制，无法配置低频消声性能好但尺寸庞大的消声装置。而薄层消声结构又无法衰减低频声波，因此克服低频消声与消声结构轻薄化之间的矛盾是解决装备内管道系统低频噪声问题的关键。
为此，本文将空间折叠超表面结构引入管道消声覆盖层设计中，借助输流管道长度方向尺寸约束相对宽松的优势，将低频宽带吸声所需的厚度尺寸转移到长度方向，以大幅提高有效通风面积。这种设计方法可以克服低频消声结构厚度过大的学术瓶颈问题，将消声覆盖层的厚度最小降低至10mm。通过利用不同长度的吸声单元具有不同的吸声频率的特点，采用多单元并联协同耦合，实现宽带消声性能。这种超薄超表面宽带消声覆盖层厚度小、工作频带宽、消声幅值高，无论是在空气管道还是水管道中，都有广泛的潜在应用价值。
论文依照方形管道提出了消声覆盖层结构，如图1所示，将具有一定长度梯度的空腔进行空间折叠排列，并在空腔的盖板上开设小孔。传统亥姆霍兹共振腔的开孔位置在空腔中间，本文设计的结构可看作FP腔与穿孔板的复合结构，将空腔等效为弹簧，空气柱等效为声质量，具有类似亥姆霍兹共振腔的低频特性，依靠单元的共振吸声来实现管道降噪。
图 1 管道壁面消声覆盖层及管道消声结构示意图
通过理论推导，给出了声阻抗和超表面吸声系数及消声器传声损失的计算关系。然后，与有限元仿真结果进行了对比，如图2所示。为了实现宽带消声性能，作者通过空间折叠，并按长度梯度分布的关系设计了一个多单元集成结构，结构一共包含11个单元。从图2a中的计算结果可以看出，在400Hz到1200Hz的宽带内，获得了大约9个清晰的消声峰，以及8个明显的低谷。对于超表面而言，声波的入射方向与超表面法线方向间的夹角为90°，并非垂直入射，使得这一角度的吸声系数无法通过理论计算得到，因此在这里给出了声波垂直入射超表面时的理论吸声曲线，如图2a所示。从图中可以看出，超表面的吸声峰与消声器的消声峰值在频带上吻合度良好。计算出消声器的反射系数R和吸声系数A，与消声量一起放在图2b中描述，它们更能反映超表面的消声机理。从图2b中可以看出，该超表面依靠结构对声波的反射以及小孔和空腔壁面的粘热损耗，共同达到消声作用。为了进一步揭示消声峰产生的机理，我们在图2c中绘制了9个消声峰值点处的声压分布。从2c图中可以看出，在448Hz处，通道长度最大的单元产生共振，并伴有其它消声单元产生振动，此时达到了第一个消声峰值。随着频率的增加，其它消声单元的空腔依次发生强共振，从消声峰的频率位置就可以明确不同单元的共振频率。同时在某些频率下，如504Hz、896 Hz，有多组消声单元共同产生强共振现象，此时传声损失的数值就由多个单元共同决定，保证了能够获得较高的传声损失。
图2 消声器传声损失仿真计算和理论结果、吸声系数、反射系数及声压云图
图3 吸声单元几何参数对消声性能的影响
对超表面的各结构参数影响进行了具体的分析，根据参数影响结果，可针对指定消声频率进行定制化结构设计，如图3、图4c所示。显然，不同参数的灵敏度是不同的。其中，空腔深度最为敏感，对消声频带和消声量的影响最大。这是因为它更容易引起表面阻抗的变化。空腔长度较为敏感，通过引起表面阻抗的变化来影响消声频带和消声量。小孔直径也较为敏感，这是因为热粘性损失主要发生在小孔处，小孔的大小决定了空气颗粒的内部粘度和速度。空腔宽度不太敏感，对消声频带和消声量的影响不如其它三个参数显著，也通过引起表面阻抗的变化来影响消声频带和消声量。
图4 梯度厚度覆盖层结构传声损失(含平均值)及不同吸声单元几何参数影响下结构平均传声损失
考虑到声波在管道中可以随着流体介质在管道长度方向逐步衰减，而无需像平板吸声结构那样需要同时衰减。因此可以牺牲一定的消声量来拓宽结构的消声频带。尝试了梯度厚度覆盖层的布置方法，将不同深度的空腔叠加组合，构建6组叠加模型M1、M2、M3、N1、N2、N3。实现了轴向径向协调消声，拓宽了结构的消声频带。
采用改进的三传声器传递函数方法在阻抗管进行实验测试。如图5所示，利用树脂通过3D打印技术制造出S1、S2、S3、S4四个样件。消声结构外边长为92mm，在空腔两端加上穿孔盖板和底板后，样品外边长为94mm，为了与实验设备相匹配，打印了一个内边长为94mm，外边长为100mm的支架，起到支撑消声器的作用。
图5 实验样品
对比四组样品通过数值模拟和实验测量得到的传声损失，如图6所示。可以明显看出，在200-400Hz频段，四组样品实测的平均消声量均高于仿真结果，分别高出了6.8dB、6.3dB、5.8dB以及6.5dB。此外，相比于仿真结果，四组样品实测的传声损失在5dB以上的频带宽度分别拓宽了243Hz、196 Hz、428 Hz以及430 Hz。相比于仿真结果，实测结果更能表明消声覆盖层具有优异的低频消声性能以及消声带宽。
图6 四组样品实验与仿真对比
对比四组样品的实验结果，证实了梯度厚度覆盖层布置的优越性。图7表明，S1结构的平均消声量为12dB，在404-1169Hz频段传声损失均超过了10dB，在419-540Hz以及835-1083Hz频段内传声损失均超过了15dB。S2结构的平均消声量为7.8dB，在838-1160Hz频段消声性能优异，具有连续的消声峰值。S3结构的平均消声量为13.7dB，在370-572Hz频段平均消声量为20.3dB。在200-600Hz频段内，S3结构的平均消声量为16dB，分别高过其它三组达3.4 dB、8.4 dB和4.4 dB。S4结构的平均消声量为10.1dB，在364-547Hz及805-1162Hz频段内具有良好的消声性能。由于S3、S4结构中有30mm深度的空腔，因此在200-400Hz频段内，两组结构表现出了优异的低频消声性能，消声量平均值分别为12.1dB和9.7dB。S4结构中含有深度为10mm和30mm的空腔，因此在254-411Hz的低频段及1302-1400Hz的中高频段，其平均消声量分别高S1结构达2.2dB和0.9dB。这发挥了将不同深度空腔进行组合的优势，结构具有一定优异的宽带消声性能，实现了轴向径向协调消声。
图7 四组样品正面示意图及实验结果对比
船舶等机械设备中的通海管路系统，由于其工作环境复杂，管道内部不可避免地会产生振动和噪声，这会影响机械设备的性能。因此，作者将消声器应用于充液管道内噪声的消除。对S1、S2、S3、S4四个结构进行仿真计算。由图9a中可以看出，在200-1kHz频段内，四个结构的平均消声量分别为5.1dB、4.0dB、7.5dB和5.7dB。从200-5kHz整个频段来看，四个结构的平均消声量分别为9.5 dB、8.3 dB、15.6dB和11.3 dB，消声量最高峰值分别为28.9dB、16.7 dB、54.6 dB和29.9dB。传声损失在10dB以上的频带宽度分别为1740Hz、1700Hz、3440Hz和2040Hz。无论从消声量还是消声带宽来看，S3结构的声学性能均优于其它三组。图9b-9e分别为S1、S2、S3、S4四个结构消声量峰值最高点所在频率的声压图，其中左端为入射端口，右端为出射端口。由图中可以清晰地看出，四组消声结构入口端的声压远远高于出口端。由于多个吸声单元共同作用，导致在峰值频率处都有不止一个吸声单元发生共振或是强振动，并带动周围的结构一起振动，实现了消声频带的拓宽，即多单元并联协同耦合，实现宽带消声性能。
图8 以水为介质的四组消声器传声损失对比
论文提出了一种管道通风消声的超表面消声覆盖层，对空腔进行空间折叠设计，将低频宽带吸声所需的厚度尺寸转移到长度方向，展示了一种轻薄化的消声结构设计方案，大幅提高了管路系统的有效通风面积。利用梯度厚度覆盖层的布置方法，将不同厚度的超表面覆盖层进行组合，实现了轴向径向协调消声。同时，本设计也适用于通海管路等充液管道系统，同样具备良好的宽带消声性能。由于其结构厚度很低，能够兼顾结构的轻薄化与消声性能的优异，为管道通风降噪提供了一条新的技术途径。
该工作得到了国家自然科学基金资助项目（No. 52250287, No. 52105120）的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.111916
