双层串联微穿孔板吸声结构仿真优化设计
摘 要在21世纪的今天，通信物联网技术和电力电子技术蓬勃发展，声污染问题也随之而来，特别是在100到1000Hz范围内的中低频噪声，困扰了人们工作、生活、休息等，甚至还影响人们的健康。为了尽可能的去吸收这些常见的中低频噪声，本文决定以马大猷院士的《微穿孔板吸声结构的理论和设计》为知识基础，进行双层微穿孔板吸声体吸声结构的优化设计，通过这样的设计，可以得到一组关于双层微穿孔板的管径、管长、穿孔率、空腔深度的最优参数解，再由这组解，可以进行模拟仿真其吸声效果并可以送至相关工厂进行微穿孔板吸声体成品制造。本文总体分成以下几个部分：第一，通过吸声材料和吸声理论介绍以及对比，基本了解微穿孔板的吸声原理和特有优势，并且掌握几个体现微穿孔板吸声体性能特点的重要参数。第二，根据微穿孔板吸声理论，引出单层微穿孔板的声阻抗，由声阻抗的定义和等效电路，开始进行声阻抗表达式演算。通过计算，得到声阻抗公式的同时，也可由此算出单层微穿孔板的各参数；同理类推，得到双层板的各参数表达式。第三，根据双层微穿孔板吸声理论以及所得的参数表达式，在相关软件上面进行程序编程建立吸声体吸声系数模型，以一组或者多组具体参数值进行效果测试仿真。第四，根据遗传算法的特点和使用方法，把建立好的吸声系数模型设计为相对应的遗传算法适应度函数，凭借遗传算法的优化搜索，实现对吸声体模型的优化搜索。对比优化前后的变化，得出优化效果的结论。本文最终目的是能够成功使用遗传算法来设计出双层微穿孔板吸声体的各个吸声参数，并且以此组参数来制造的双层微穿孔板可以更好地吸收中低频噪声。
目 录
摘要..... I
ABSTRACTII
第一章 绪论...1
1.1 背景..1
1.2 立体的目的与意义..1
1.3 吸声材料..2
1.4 本章小结..3
第二章 微穿孔板的吸声理论和参数设计...4
2.1 MPA的引用与优势..4
2.2 MPA的声阻抗..5
2.3 单层MPA模型6
2.4 双层MPA模型8
2.5 高温双层串联MPA特性9
2.6 本章小结13
第三章 遗传算法对双层MPA的优化设计...14
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3.1 遗传算法的引入与优缺点14
3.2 遗传算法发展方向15
3.3 遗传算法基本用语17
3.4 遗传算法运行18
3.4.1 GA的运算流程...18
3.4.2 GA的基本操作...19
3.5 适应度函数、参数设定与Matlab遗传算法工具19
3.5.1 GA的适应度函数与参数设定...20
3.5.2 Matlab仿真以及遗传工具箱..21
3.6 双层MPA遗传算法优化设计..23
3.7 双层MPA调整优化..30
3.8 本章小结33
第四章 展望与总结.35
4.1 展望35
4.2总结.37
致谢...39
参考文献...40
附录...41
英文材料...41
英文翻译...46
第一章 绪论
1.1 背景
随着工业化的深化发展以及现代化城市的加速建设，工厂数量越来越多，都市规模不断扩大，现代交通工具广泛使用，电器家具进入各家各户，人们的生活不断便利的同时，各种污染也悄无声息的伴随而至，如水污染，光污染，空气污染，化学污染，声污染等。其中声污染更是泛滥于都市，干扰人们工作生产以及日常生活休息，对人们的听力产生损伤，引起精神恍惚神经衰弱的现象，甚至还有可能造成癌症等疾病。然而在当今社会想要根治声污染问题又几乎是不可能的任务，据相关统计得出，大部分的城市噪音来自于建筑，交通，生产线，以及百姓生活起居，而电机电器正是这些低频噪音的来源，目前为止，人们的社会发展日常生活还必须依赖这些电力设备，消灭噪声源头的想法还是不太实际的。另一方面随着物联网技术的蓬勃兴起，各种各样的电波也掺杂到人们的生活当中，无线通讯设备在无形中又制造出高频的噪声，因此，噪声源头只会是越来越多，难以根治。当然越来越多的人们也开始关注于声污染问题，既然不能完全根治，那么就只能在声波传播中削弱它的负面影响，从而达到除噪的效果。
1.2 立题目的及意义
由上文可知，消除噪声意义重大，研究吸声材料则有助于人们解决声污染的问题。为了制造出相适应的合格的吸声材料，国际标准化组织（ISO）推出了不少吸收特征值的测量方法，如《ISO 105341》 ，《ISO 105342》等。根据这些相关方法，学者们希望可以生产出实用性可靠性强的吸声体。其中本课题研究的双层微穿孔板也正是人们所希望的可靠的吸声体，通过理论数据与实际测试，它不仅拥有良好的吸声能力，而且设计严格，结构相对简单，成本较为低廉，还容易工业加工，因此微穿孔板会是一个不错的实用性高的吸声材料。立题于双层微穿孔板的结构优化与仿真，有助于人们设计出符合生活需求和商业要求的吸声体，在一定程度上还可以相对节约成本资金，并为物理声学科研打下良好基础，对现代化建设和绿色和谐生活贡献一份力量。
1.3 吸声材料
吸声材料是通过自身特殊结构对入射声波产生吸声作用的物理元件，一般来说，吸声材料目的是使声波尽可能地无反射的进入材料，通过声波与材料的振动与摩擦，把大量的能量转化为热能消耗在吸声体内，以此达到吸收效果。按照其机理来分，可以总体分成两种：1、凭借由内至外的大量细小孔道使得声波衰减的多孔材料，这种多孔材料主要是为了吸收高频的声波，对于低频声波效果并不理想。2、依靠共振原理，借由模状材料、板状材料、柔性材料、以及穿孔板来吸声。而且以上各种材料还可以复合使用，以此来扩大吸声范围，提高吸声系数，常用于改善室内音质，降低喧嚣场所噪声，吸收机械电器噪声[1]。
事实上可知，一般吸声材料相关的因素如下[1]：
①穿孔率，即是穿孔总面积和未穿孔的面积比，穿孔率小的对低频入射声音吸收效果不错，而穿孔率大的一般用于中高频的声音吸收[1]。
②材料厚度，材料厚度的增加，效果最优的吸声频率就会逐渐向低频的方向移动，且每移动1倍，最大吸收频率向低频移动一个倍频程；而在入射声音的频率大于500Hz时，吸声系数就与厚度无关了[1]。
③密度，材料密度的增大，使得最大吸收系数向低频移动[1]。
④管长，即是穿孔长度，对于最大吸收系数也有明显影响。
⑤室内悬挂，吸声体在室内悬挂，当投影面积与悬挂面投影面积比为40%时效果最佳。
吸声材料的吸声效果好坏的评定一般通过某个系数来表现——吸声系数，正常来说，吸声系数的范围在0—1之间，0代表入射声音被全部反射，没有吸收；相对的，1就是全部吸收。当然在某些特殊情况下，例如混响室的测试中，被测试的材料也是有可能达到大于1的吸声系数的。
1.4 本章小结
①介绍了当今社会的声污染的情况以及影响；
②仔细阐述了本次双层MPA优化的立题目的；
③引入并且介绍了吸声材料的吸声原理以及其参数；
第二章 微穿孔板的吸声理论和参数设计
2.1 MPA的引入与优势
穿孔板是广泛应用于建筑工程的吸声材料，它是一种共振腔式吸声结构，在一块薄板上进行大量穿孔制造而成，建筑建造时，装在离墙壁一定距离的地方，留出空腔，从而可以利用共振原理使得入射声波能量消耗于其中，达到消除噪声的效果。不过一般的穿孔板也有着不足之处，普遍来说，普通穿孔板的吸声系数并不高，吸收频带也不宽。因此，人们尝试另加玻璃棉等多孔性声阻到穿孔板以此来改善吸声系数以及吸收频带。然而这并不能很好解决问题，加工问题复杂的同时，加入声阻的量也并不能确定给出，只能通过不断的实际试验，再者，单独使用多孔性材料也可以拓宽频带，加入穿孔板只是增加了成本，并没有显著提高的效果。因此普通的穿孔板并不能满足人们的生产要求。
目 录
摘要..... I
ABSTRACTII
第一章 绪论...1
1.1 背景..1
1.2 立体的目的与意义..1
1.3 吸声材料..2
1.4 本章小结..3
第二章 微穿孔板的吸声理论和参数设计...4
2.1 MPA的引用与优势..4
2.2 MPA的声阻抗..5
2.3 单层MPA模型6
2.4 双层MPA模型8
2.5 高温双层串联MPA特性9
2.6 本章小结13
第三章 遗传算法对双层MPA的优化设计...14
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3.1 遗传算法的引入与优缺点14
3.2 遗传算法发展方向15
3.3 遗传算法基本用语17
3.4 遗传算法运行18
3.4.1 GA的运算流程...18
3.4.2 GA的基本操作...19
3.5 适应度函数、参数设定与Matlab遗传算法工具19
3.5.1 GA的适应度函数与参数设定...20
3.5.2 Matlab仿真以及遗传工具箱..21
3.6 双层MPA遗传算法优化设计..23
3.7 双层MPA调整优化..30
3.8 本章小结33
第四章 展望与总结.35
4.1 展望35
4.2总结.37
致谢...39
参考文献...40
附录...41
英文材料...41
英文翻译...46
第一章 绪论
1.1 背景
随着工业化的深化发展以及现代化城市的加速建设，工厂数量越来越多，都市规模不断扩大，现代交通工具广泛使用，电器家具进入各家各户，人们的生活不断便利的同时，各种污染也悄无声息的伴随而至，如水污染，光污染，空气污染，化学污染，声污染等。其中声污染更是泛滥于都市，干扰人们工作生产以及日常生活休息，对人们的听力产生损伤，引起精神恍惚神经衰弱的现象，甚至还有可能造成癌症等疾病。然而在当今社会想要根治声污染问题又几乎是不可能的任务，据相关统计得出，大部分的城市噪音来自于建筑，交通，生产线，以及百姓生活起居，而电机电器正是这些低频噪音的来源，目前为止，人们的社会发展日常生活还必须依赖这些电力设备，消灭噪声源头的想法还是不太实际的。另一方面随着物联网技术的蓬勃兴起，各种各样的电波也掺杂到人们的生活当中，无线通讯设备在无形中又制造出高频的噪声，因此，噪声源头只会是越来越多，难以根治。当然越来越多的人们也开始关注于声污染问题，既然不能完全根治，那么就只能在声波传播中削弱它的负面影响，从而达到除噪的效果。
1.2 立题目的及意义
由上文可知，消除噪声意义重大，研究吸声材料则有助于人们解决声污染的问题。为了制造出相适应的合格的吸声材料，国际标准化组织（ISO）推出了不少吸收特征值的测量方法，如《ISO 105341》 ，《ISO 105342》等。根据这些相关方法，学者们希望可以生产出实用性可靠性强的吸声体。其中本课题研究的双层微穿孔板也正是人们所希望的可靠的吸声体，通过理论数据与实际测试，它不仅拥有良好的吸声能力，而且设计严格，结构相对简单，成本较为低廉，还容易工业加工，因此微穿孔板会是一个不错的实用性高的吸声材料。立题于双层微穿孔板的结构优化与仿真，有助于人们设计出符合生活需求和商业要求的吸声体，在一定程度上还可以相对节约成本资金，并为物理声学科研打下良好基础，对现代化建设和绿色和谐生活贡献一份力量。
1.3 吸声材料
吸声材料是通过自身特殊结构对入射声波产生吸声作用的物理元件，一般来说，吸声材料目的是使声波尽可能地无反射的进入材料，通过声波与材料的振动与摩擦，把大量的能量转化为热能消耗在吸声体内，以此达到吸收效果。按照其机理来分，可以总体分成两种：1、凭借由内至外的大量细小孔道使得声波衰减的多孔材料，这种多孔材料主要是为了吸收高频的声波，对于低频声波效果并不理想。2、依靠共振原理，借由模状材料、板状材料、柔性材料、以及穿孔板来吸声。而且以上各种材料还可以复合使用，以此来扩大吸声范围，提高吸声系数，常用于改善室内音质，降低喧嚣场所噪声，吸收机械电器噪声[1]。
事实上可知，一般吸声材料相关的因素如下[1]：
①穿孔率，即是穿孔总面积和未穿孔的面积比，穿孔率小的对低频入射声音吸收效果不错，而穿孔率大的一般用于中高频的声音吸收[1]。
②材料厚度，材料厚度的增加，效果最优的吸声频率就会逐渐向低频的方向移动，且每移动1倍，最大吸收频率向低频移动一个倍频程；而在入射声音的频率大于500Hz时，吸声系数就与厚度无关了[1]。
③密度，材料密度的增大，使得最大吸收系数向低频移动[1]。
④管长，即是穿孔长度，对于最大吸收系数也有明显影响。
⑤室内悬挂，吸声体在室内悬挂，当投影面积与悬挂面投影面积比为40%时效果最佳。
吸声材料的吸声效果好坏的评定一般通过某个系数来表现——吸声系数，正常来说，吸声系数的范围在0—1之间，0代表入射声音被全部反射，没有吸收；相对的，1就是全部吸收。当然在某些特殊情况下，例如混响室的测试中，被测试的材料也是有可能达到大于1的吸声系数的。
1.4 本章小结
①介绍了当今社会的声污染的情况以及影响；
②仔细阐述了本次双层MPA优化的立题目的；
③引入并且介绍了吸声材料的吸声原理以及其参数；
第二章 微穿孔板的吸声理论和参数设计
2.1 MPA的引入与优势
穿孔板是广泛应用于建筑工程的吸声材料，它是一种共振腔式吸声结构，在一块薄板上进行大量穿孔制造而成，建筑建造时，装在离墙壁一定距离的地方，留出空腔，从而可以利用共振原理使得入射声波能量消耗于其中，达到消除噪声的效果。不过一般的穿孔板也有着不足之处，普遍来说，普通穿孔板的吸声系数并不高，吸收频带也不宽。因此，人们尝试另加玻璃棉等多孔性声阻到穿孔板以此来改善吸声系数以及吸收频带。然而这并不能很好解决问题，加工问题复杂的同时，加入声阻的量也并不能确定给出，只能通过不断的实际试验，再者，单独使用多孔性材料也可以拓宽频带，加入穿孔板只是增加了成本，并没有显著提高的效果。因此普通的穿孔板并不能满足人们的生产要求。
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