聲共振
關注創建者：砥力 創建時間：2019-10-13
聲共振的實例教程
風振噪聲是一種復雜的空腔流激勵發聲現象，是流體力學、空氣動力學、聲學等多學科的交叉，主要研究基礎是亥姆霍茲共振及空腔流自激振蕩。
01
亥姆霍茲共振
亥姆霍茲共振器是一種最基本的聲共振系統，最典型的是一個帶有一個開口短管的剛性容器。汽車在側窗或天窗開啟時，車內空間類似于一個亥姆霍茲共振器，具有其基本特性。
亥姆霍茲共振器
空腔內部空氣受到外界波動P 的強制壓縮時，會引起短管內空氣段A 的振動，而空腔內的空氣對其產生恢復力，構成由短管部空氣質量和腔體內空氣彈性構成的振動系統，這對施加作用的波動會產生共振效應，其固有頻率為：
02
空腔噪聲
氣流流經空腔時會產生離散和寬頻噪聲。引起空腔噪聲的主要機理有兩種：
壓力波反饋機制：空腔開口前緣的湍流邊界層在開口處形成不穩定的剪切層，剪切層隨來流向下游運動并失去穩定，進而產生漩渦，漩渦脫落并繼續向下游運動，當撞擊到空腔后壁面時，漩渦會破碎、耗散，產生一個向空腔開口上游擴散的脈動壓力波（即反饋壓力波），此壓力波傳播到達空腔開口前緣后會誘發新的漩渦脫落，如此循環振蕩形成反饋機制。
空腔噪聲反饋機制示意圖
聲共振：對于深腔而言，噪聲的產生是由于腔口非定常渦脫落誘導的聲共振。
簡單車廂風振噪聲數值模擬
采用CFD對簡單車廂進行模擬研究。
展開 氣泡在超聲作用下的發光現象，是與聲密切相關的光物理現象，當屬于物理聲學的研究對象。又如，新材料的聲學性質及其聲學特征刻畫等，也是物理聲學的研究對象。
隨著現代聲學的發展，物理聲學作為聲學之”母“，必將孕育出更多的特色鮮明的學科分支，從而豐富聲學內涵，擴大學科體系。
非線性聲學
聲波是媒質因膨脹壓縮交替而引起的機械擾動。因此擾動，媒質的密度、壓強和溫度等物理量均隨之而變。如果擾動甚微，則聲學量（=物理量的瞬時值 - 無擾動時的值）是小量，聲學量之間呈線性關系，支配聲波運動的方程也是線性的。由此建構的聲學理論，就是線性聲學（Linear Acoustics）。但是，假如這些聲學量的變化幅度非小量，而是有限的，甚至相當大，則聲學量之間不再呈線性關系，支配聲波運動的方程也不再是線性的，據此建構的聲學就是非線性聲學（Nonlinear Acoustics）。
一位樂手正在聲學實驗室測試
流體中支配聲波運動的是三個基本方程：運動方程，連續性方程和狀態方程，它們實際上都是非線性的。以無聲擾動時處于靜態的理想流體為例，聲壓p與流體質質點振動速度v服從如下方程，
其中ρ為瞬時流體質量密度，κs為瞬時媒質體彈性系數，第一個方程集成了物態方程和連續性方程，第二個方程是運動方程。可見，它們皆為非線性方程。所以，聲波本質上是非線性的，聲學的精確理論也應該是非線性聲學。只有當密度變化p和v均是微小量時，ρ和κs可分別用靜態常數值ρ0和κs0取代，方程中的非線性項可以拋棄，從而得到線性化的方程，
在通常的可聽聲強度下，線性聲學足以準確地描述聲波的運動規律。
因此，非線性聲學是關于有限幅度或大幅度聲現象的學問。非線性聲現象普遍存在，如聲共振腔內的駐波聲場，各種爆炸聲，發動機附近的震耳欲聾的聲，等等。按理，非線性聲學應該涵蓋在物理聲學之內。
展開 在揚聲器振膜前增加一個相位塞，引導聲音從側面發出。
但這種結構在相位塞和振膜之間的空腔會聲模態共振，從而在最終的頻響曲線上造成峰谷。
其中一種思路是在相位塞中挖一個空腔，空腔內部可以填充吸音阻尼材料，并同時在空腔上增加穿孔蓋板。
這種方式相當于增加了一個旁路的赫姆霍茲共鳴腔，等效于一個濾波器。
在南大《聲學基礎》的5.3.2章節有簡單的理論推導。
很容易可以想到，諧振腔體的口徑，深度，內部阻尼材料的特性，穿孔蓋板的開孔比例，孔大小，蓋板的深度等都會對頻響曲線產生較大影響。
要想仿真出上述參數對最終頻響曲線的影響，可以采用集中參數等效電路的方式，或者有限元的方式進行。
有感興趣或者有需求的可以自行嘗試。
下圖是仿真對比不同諧振腔體的口徑對頻響曲線的影響。藍色是無諧振腔體曲線，其余三條分別對應不同口徑的頻響曲線。
實測驗證聲濾波器效果的對比。下圖中黑色曲線是未加聲濾波器前的曲線，紅色是填充低密度玻纖，藍色是填充高密度玻纖。
手機側出音揚聲器其實也可以考慮參考這種思路，以消除空腔造成的聲模態形成的頻響曲線的峰谷。當然同時要考慮結構上尺寸是否允許。
展開 氣泡在超聲作用下的發光現象，是與聲密切相關的光物理現象，當屬于物理聲學的研究對象。又如，新材料的聲學性質及其聲學特征刻畫等，也是物理聲學的研究對象。
隨著現代聲學的發展，物理聲學作為聲學之”母“，必將孕育出更多的特色鮮明的學科分支，從而豐富聲學內涵，擴大學科體系。
非線性聲學
聲波是媒質因膨脹壓縮交替而引起的機械擾動。因此擾動，媒質的密度、壓強和溫度等物理量均隨之而變。如果擾動甚微，則聲學量（=物理量的瞬時值 - 無擾動時的值）是小量，聲學量之間呈線性關系，支配聲波運動的方程也是線性的。由此建構的聲學理論，就是線性聲學（Linear Acoustics）。但是，假如這些聲學量的變化幅度非小量，而是有限的，甚至相當大，則聲學量之間不再呈線性關系，支配聲波運動的方程也不再是線性的，據此建構的聲學就是非線性聲學（Nonlinear Acoustics）。
一位樂手正在聲學實驗室測試
流體中支配聲波運動的是三個基本方程：運動方程，連續性方程和狀態方程，它們實際上都是非線性的。以無聲擾動時處于靜態的理想流體為例，聲壓p與流體質質點振動速度v服從如下方程，
其中ρ為瞬時流體質量密度，κs為瞬時媒質體彈性系數，第一個方程集成了物態方程和連續性方程，第二個方程是運動方程。可見，它們皆為非線性方程。所以，聲波本質上是非線性的，聲學的精確理論也應該是非線性聲學。只有當密度變化p和v均是微小量時，ρ和κs可分別用靜態常數值ρ0和κs0取代，方程中的非線性項可以拋棄，從而得到線性化的方程，
在通常的可聽聲強度下，線性聲學足以準確地描述聲波的運動規律。
因此，非線性聲學是關于有限幅度或大幅度聲現象的學問。非線性聲現象普遍存在，如聲共振腔內的駐波聲場，各種爆炸聲，發動機附近的震耳欲聾的聲，等等。按理，非線性聲學應該涵蓋在物理聲學之內。
展開 01
—
聲濾波器
因為目前智能音箱越來越火，產量非常大。很多產品希望形成360°的全方位聲場覆蓋，使得每個方向聽到的聲音是一致的。所以在揚聲器前端增加了反射錐。
這種結構在相位塞和振膜之間的空腔會聲模態共振，從而在最終的頻響曲線上造成峰谷。
其中一種改善的思路是在相位塞中挖一個空腔，空腔內部可以填充吸音阻尼材料，并同時在空腔上增加穿孔蓋板。這種方式相當于增加了一個旁路的赫姆霍茲共鳴腔，等效于一個濾波器。
02
—
實際產品仿真與實測
下面是我開發的一款實際產品仿真與實測，改善前和改善后的結果。
目前帶反射錐的樣品在3kHz附近存在一個非常高的峰。下圖是仿真和實測的對比。峰谷的位置吻合得還不錯。
首先仿真改善前后，大概能將峰降低9dB，谷也會略填平。
實測對比改善前后的頻響曲線。發現確實改善很多。
改善后的仿真實測對比結果。吻合得還不錯。
嘗試用不同的阻尼材料，發現不同阻尼材料對頻響曲線存在一定的影響。
展開 
聲共振的最新內容
研究背景：
從聲學超材料出現到薄膜型和薄板型聲學超材料局域共振隔聲機理的廣泛研究，其負等效質量和負等效密度特性打破了傳統吸隔聲材料質量定律的限制，為低頻吸隔聲提供了新途徑。由吸聲系數理論模型可知，薄膜型結構的吸聲性能與振型模態、相對聲阻抗率有關。對有無附加質量塊的薄膜型結構進行預應力模態分析，探討振型模態與吸聲系數曲線的對應關系。
摘要：某純電動車電動壓縮機工作在3000r/min 附近時車內出現明顯轟鳴聲及方向盤共振問題。對壓縮機進行定轉速掃頻測試，并對傳遞路徑進行模態分析，發現該問題主要原因是壓縮機一階振動與動力總成剛體模態共振，通過方向盤模態及整車聲腔模態進一步耦合放大導致。
現在我們知道了引起噪聲的原因和來源，我們就可以對氣流進行詳細建模，來進一步了解引起共振呼嘯聲的具體設計特征。在那個階段，可以評估的改進來消除不想要的呼嘯聲。
我們可以集中精力研究來自轎廂外部的其他噪聲源，并根據我們的仿真工作解決各個設計難題。
此后，我們進行了約16個單獨的仿真，確定并處理了7個設計特征，每個特征均有助于降低噪聲。
通過這種迭代方式，仿真可以推動設計向前發展。
現在我們知道了引起噪聲的原因和來源，我們就可以對氣流進行詳細建模，來進一步了解引起共振呼嘯聲的具體設計特征。在那個階段，可以評估的改進來消除不想要的呼嘯聲。
我們可以集中精力研究來自轎廂外部的其他噪聲源，并根據我們的仿真工作解決各個設計難題。
此后，我們進行了約16個單獨的仿真，確定并處理了7個設計特征，每個特征均有助于降低噪聲。
通過這種迭代方式，仿真可以推動設計向前發展。
它是一種低聲質量，高聲阻的共振吸聲結構，其研究表明，表征微穿孔板吸聲特性的吸聲系數和頻帶寬度，主要由微穿孔板的聲質量m和聲阻r來決定，而這兩個因素又與微孔直徑d及穿孔率p有關。
這種結構在相位塞和振膜之間的空腔會聲模態共振，從而在最終的頻響曲線上造成峰谷。
其中一種改善的思路是在相位塞中挖一個空腔，空腔內部可以填充吸音阻尼材料，并同時在空腔上增加穿孔蓋板。
汽車是一個系統工程，簡單更換一個部件，可能帶來其他問題，包括共振、聲躁、安全等。汽車企業還缺乏復合材料的設計研發人才和缺少適合汽車用復合材料的設計數據、規范等。
寶馬車型的成功，就是根據碳纖維復合材料的特性，對整車重新進行了設計，才取得了成功。而這個設計能力，國內廠家還比較欠缺。
3.
（2）該納米顆粒具有光聲和磁共振雙模成像功能，且在此指導下，可實現精準的光熱治療。（3）該納米顆粒在DFO作用下，具有動態解組裝能力。注射DFO后，蓄積在肝臟的納米顆粒可發生有效解離，并由腎臟排出，從而改變代謝途徑，大大降低納米顆粒對肝臟造成的潛在危害，有效解決了EPR效應和快速腎清除的“兩難”問題。
圖1.
空腔噪聲反饋機制示意圖
聲共振：對于深腔而言，噪聲的產生是由于腔口非定常渦脫落誘導的聲共振。
簡單車廂風振噪聲數值模擬
采用CFD對簡單車廂進行模擬研究。
131.薄板共振結構吸聲的特點是具有低頻吸聲特性，同時還有助于聲波的擴散。
132.將木板固定在框架上，板后留有一定的空氣層，就可以構成薄板共振吸聲結構。
133.錄音師錄制樹上鳥聲是0.01Pa，錄制軍號演奏聲是1 Pa，兩種聲音相差40dB 。
