《Applied Acoustics》：Design and noise reduction characteristics of wide-frequency acoustic absorber for traction transformer based on Labyrinth ? Helmholtz resonator tandem structure
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低频噪声控制中协同吸声隔音设计策略研究，提出串联 labyrinth-Helmholtz 共振器（LRHR）结构，通过铝板复合结构实现宽频吸声与高效隔音，实验验证其在牵引变压器噪声治理中的应用潜力。
Xinbiao Xiao|Yuanyuan Hu|Xinte Wang|Yuanpeng He|Xinyi Li|Yanning Tang
中国西南交通大学轨道交通车辆系统国家重点实验室，成都610031
摘要
本研究针对牵引变压器产生的低频连续噪声问题，提出了一种协同吸音-绝缘设计策略。我们采用了一种基于迷宫共振器和亥姆霍兹共振器（LRHR）串联配置的宽带低频吸音结构。通过阻抗传递方法建立了其声学性能的理论模型，并通过数值模拟和实验进行了验证，揭示了其吸音机制。结果表明，串联连接的迷宫共振器增强了声能耗散，使LRHR实现了优异的低频吸音性能。通过利用LRHR的结构可调性，将多个具有不同参数的单元并联组合成复合吸音器，从而在宽频低频范围内展现出宽带且高效的吸音效果。最后，通过将LRHR与铝板集成，构建了一种吸音-绝缘复合结构（AICS）。仿真和实验均证实，这种轻质结构能够生成与牵引变压器主要噪声成分相匹配的宽带吸音峰值，显著提高了平均吸音性能，并在关键频段附近提供了显著的增强效果。这项工作验证了基于LRHR的设计在低频噪声控制中的强大应用潜力，为牵引变压器及类似电力设备的噪声抑制提供了创新解决方案。
引言
随着城市轨道交通需求的快速增长，牵引变压器产生的噪声问题日益突出。研究表明，这种噪声主要来源于铁芯的磁致伸缩效应和磁滞回线引起的周期性振动（图1(a)），表现为以100 Hz为基频的谐波成分（图1(b)）。然而，由于负载变化、运行条件以及结构老化等因素，在实际工程应用中这些特征频率通常会存在一定的频率偏移。这些噪声成分会通过2–3 mm厚的铝制外壳传播[1]，严重降低乘客舒适度。目前，牵引变压器的噪声控制主要依赖于安装噪声外壳[2]、[3]或填充吸音材料[4]、[5]。但传统外壳依赖于质量定律，需要大幅增加表面密度才能实现有效的低频绝缘（f < 500 Hz），这与轨道交通设备的轻量化要求相矛盾。同时，传统吸音器至少需要50 cm的厚度才能实现高效率的低频吸音（α > 0.8），这严重影响了空间效率。这些限制促使研究人员探索结合深亚波长厚度与宽带低频吸音的新结构，以同时满足高低频吸音效率和结构轻量化的双重需求。
传统的吸音结构（如穿孔板和亥姆霍兹共振器）因其高声学效率而在工程实践中得到广泛应用，但它们仍存在固有局限性。为了解决这一问题，研究人员将迷宫结构引入亥姆霍兹腔体，推动了迷宫型声学超材料的发展[6]、[7]。例如，Kumar等人[8]开发了一种多路径绕行通道超材料，能够在通风的中频范围内实现高效吸音。Zhang等人[9]引入了一种超薄迷宫超表面，结合了嵌入式孔洞和弯曲通道。通过多单元并行集成，他们的设计在特定低频点实现了近乎完美的吸音效果，同时大幅扩展了有效吸音带宽，从而显著降低了低频噪声。同一团队的进一步研究[10]开发了一种多参数可调的空间弯曲超表面，在定义的低频范围内实现了宽带近乎完美的吸音效果，所有这些都在超薄结构中实现。这些结构通过有效延长声学路径长度来提升低频性能，并展现出独特的声学超材料特性，包括负质量密度、负折射率和负模量[11]。
尽管迷宫型声学超材料在低频噪声控制中表现出色，并能在宽频范围内生成宽带吸音峰值，但其有效吸音带宽相对较窄，难以实现真正的宽带吸音。为了进一步扩展吸音带宽并引入多个共振峰值，研究人员提出了通过耦合多个吸音单元来优化整体吸音性能的方法[12]、[13]、[14]、[15]。然而，仅依赖耦合相同的吸音单元往往需要较大的安装空间，难以满足实际工程应用中的空间限制。因此，研究人员转向耦合或嵌套不同类型的共振吸音单元[16]、[17]、[18]。Chen等人[19]开发了一种结合亥姆霍兹共振器和螺旋超表面的复合结构。通过串联耦合和参数优化，该结构在适中厚度下实现了定义低频范围内的高效宽带吸音，表现出显著的低频宽带性能。Fang等人[20]在嵌入式共振器中引入了嵌套腔体设计，通过多级共振耦合进一步拓宽了有效吸音频率范围。
为了解决牵引变压器中低频连续噪声的控制问题，本研究借鉴了现有研究[21]、[22]、[23]、[24]中提出的通过吸音机制提升声绝缘性能的设计概念，采用了一种结合吸音和声绝缘的协同结构设计方法。通过利用迷宫结构的宽频吸音优势和亥姆霍兹共振器的高效低频吸音特性，提出了一种由迷宫共振器和亥姆霍兹共振器（LRHR）串联连接组成的结构。通过将该结构与铝板集成，构建了一种复合吸音-绝缘结构，有效地将增强的吸音效果转化为目标频段内的声绝缘性能提升。
根据牵引变压器的噪声谱特性，本文的结构如下：第2节讨论了声学超材料的设计概念，使用阻抗传递方法建立了理论模型，并通过数值模拟和实验验证了模型的正确性，揭示了其声学特性；第3节提出了一种宽带连续声学复合结构，将其与铝板集成形成吸音-绝缘复合结构，并通过数值分析分析了其声绝缘性能；第4节总结了研究结果。
节选内容
复合声学超材料
图2展示了LRHR的几何示意图。迷宫共振器延长了声波在迷宫通道中的有效传播路径，增强了热粘附损耗，从而实现低频吸音；同时，亥姆霍兹共振器进一步将吸音带宽扩展到低频范围。LRHR的结构参数包括：声学单元边长a、上穿孔板孔径d1、迷宫通道宽度W
多共振峰吸音设计
本研究针对以100 Hz为基频的牵引变压器低频噪声进行了控制。考虑到实际运行条件下谐波成分（如200 Hz和300 Hz）的潜在频率偏移，提出了一种基于参数可调LHRH结构的复合吸音设计。该设计旨在目标频段附近提供稳定且有效的吸音性能。如图12(a)所示，
结论
本研究提出了一种基于迷宫-亥姆霍兹共振器串联结构的新型声学超材料，为城市轨道交通牵引变压器的低频噪声控制提供了有效方法。研究结果表明，所提出的设计具有显著的性能特点。首先，通过协同整合迷宫通道的声学路径扩展和亥姆霍兹腔体的共振行为，该结构实现了高效的宽带吸音
CRediT作者贡献声明
Xinbiao Xiao：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，资源，方法论，研究，资金获取，形式分析，概念化。Yuanyuan Hu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，研究，形式分析，数据管理。Xinte Wang：可视化，验证，研究，概念化。Yuanpeng He：可视化，方法论，研究，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国科学技术部（项目编号：KY202204005）、国家自然科学基金（项目编号：U1934203）以及中国铁路总公司技术研究开发计划项目（项目编号：2024CYB271）的支持。
