CN105845122B - 一种超薄双向声阻隔通道 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种壁面超薄的声阻隔管道，在隔声的同时，允许电磁波、气流、甚至是物体的通过，包括平行设置的上超表面和下超表面，上超表面和下超表面相对的面上对称的安装有若干组折叠结构，所述折叠结构包含至少五个并排排列的隔板，相邻隔板之间形成空腔，在空腔内的隔板上交替分布有横梁。本发明的超薄双向声阻隔通道，简单地利用了管道壁上下声学超表面材料对反射波矢方向的操控，同时巧妙地利用了超表面超薄的特性的和异常反射的功能，使得几何上沿超表面掠入射(管道轴向)的声波，发生接近90度的偏转，经过两次作用最终反射波波矢与入射波方向相反，声波有效地在波导管一定深度处被截止。

Description

一种超薄双向声阻隔通道
技术领域
本发明涉及一种利用声学超表面实现超薄声阻隔通风通道，属于声学器件。
背景技术
传统的管道消声设备如基于共振消声的赫姆霍兹共鸣器管道，等效于抗性消声器，由喉管和腔体构成。喉管内的空气相当于声质量，腔体相当于弹簧，它需要较大的外部腔体提供阻抗突变，当声波频率和消声器固有频率最接近时消声量最大。此外阻性消声器利用吸声材料使得声波能量衰减。但以上机制要么受限于消声器体积过大，要么受限于易受外界环境影响，生命周期短。因此，需要一种能够明显减小管壁厚度，降低管道消声器径向体积，又不易受环境影响，但能有效消声的声学材料以解决上述问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于折叠结构的超薄双向声阻隔通道，通过在上下超表面之间形成无阻塞通道，实现声波有效截止的同时允许电磁波、流体或者大物体从通道通过。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种超薄双向声阻隔通道，包括平行设置的上超表面和下超表面，上超表面和下超表面相对的面上对称的安装有若干组折叠结构，所述折叠结构包含至少五个并排排列的隔板，相邻隔板之间形成空腔，在空腔内的隔板上交替分布有横梁。
作为优选，所述折叠结构中每个空腔中的横梁长度不同，折叠结构中的隔板高度、空腔宽度和横梁厚度均相同。
作为优选，所述折叠结构包含九个隔板，九个隔板形成八个空腔。
作为优选，所述隔板高度为1cm，空腔的宽度为1cm，横梁的厚度为0.1cm，横梁纵向间距为0.15cm，折叠结构中每个空腔中的横梁长度依次为(0.78，0.583，0.53，0.48，0.42，0.382，0.33，0.1)cm。
作为优选，所述隔板的厚度为空腔宽度的1/10。
作为优选，所述折叠结构中的声阻抗远大于背景媒质声阻抗。
作为优选，所述折叠结构中的声阻抗至少为100倍的背景媒质声阻抗。
作为优选，所述折叠结构的材料为金属或有机塑料。
有益效果：本发明的超薄双向声阻隔通道，简单地利用了管道壁上下声学超表面材料对反射波矢方向的操控，同时巧妙地利用了超表面超薄的特性的和异常反射的功能，使得几何上沿超表面掠入射(管道轴向)的声波，发生接近90度的偏转，经过两次作用最终反射波波矢与入射波方向相反，声波有效地在波导管一定深度处被截止；声波传播过程中由于超表面分布在管道表面，不会阻塞通道，有利于其他流体、电磁波，甚至是物体的无障碍通过。
附图说明
图1是本发明的原理示意图；
图2声学超材料周期单元的结构示意图；
图3是本发明的基于声学超材料的声阻隔通道的二维结构示意图；
图4是不同单元尺寸对应的相位分布图；
图5是附有声学超表面声阻隔通道的三维结构示意图；
图6是是中心频率4346Hz处周期性单元数为4的声强透射率仿真图；
图7是中心频率为4346Hz处声强透射率的数值仿真和实验图；
图8是中心频率为4346Hz处传输损失的数值仿真。
具体实施方式
如图1所示，根据广义斯内尔反射定律的定义：
其中θi(θr)为声波射到某一分界面处的入射角(反射角)，为表面引入的梯度相位分布，λ为声波波长。当声波入射到一个具有突变相位的表面，声波的反射角将不再等于入射角，这种现象称为异常反射。本发明利用了管道壁上下声学超表面中不同的横梁长度而产生不同的相位，从而达到对反射波矢方向的操控。简化之，即使得几何上沿超表面掠入射(管道轴向，入射角为90度)的声波，发生接近90度的偏转(如箭头所示)，紧接着再以0度的入射角与另一块超表面发生作用，由于上下超表面2是对称结构，经过过两次作用最终反射波波矢将与入射波方向相反。此处巧妙地利用了超表面因折叠结构3而获得的超薄特性的和异常反射的功能，声波有效地在波导管一定深度处被截止。
例如对于阻隔声波频率约为4346Hz时，这时可得到的超表面的相位分布(此处相位取相对于一次分布更为精确的二次分布情形)：
对于其余的频率(4000Hz附近)情形，可得到的相位分布的一般形式为
其中k为声波波矢，h(x)为折叠结构3的等效高度。
更进一步的，所述超表面折叠结构3的等效高度h(x)由下式决定：
h(x)＝[-0.045-0.115b(f)]x2+b(f)x+4.011-0.471b(f)
其中b(f)是关于频率的参数，具体形式如下：
b(f)＝mf+n＝-0.000689f+2.331
如图1至图5所示，本发明的一种声阻隔通道，平行设置的上超表面1和下超表面2，上超表面1和下超表面2相对的面上对称的安装有四组折叠结构3，如图2所示，所述折叠结构3包含至少五个并排排列的隔板，相邻隔板之间形成空腔，在空腔内的隔板上交替分布有横梁，当逐渐增加单元周期数，通道的声阻隔效应将进一步得到提升。所述折叠结构3的声阻抗至少为背景媒质声阻抗的100倍，材料为金属或有机塑料等声阻抗相对背景媒质较大的材料。较适宜的管道宽度取1.5-2倍波长范围。具体的每一个折叠结构3的具体参数参照发明内容项。
图5所示为三维超表面图，值得提出的是在利用超表面构造隔声管道时无须在管道的四周加上此材料，只需在管道外部对称的分布两块超材料。
这个机制虽然只是简单地利用表面相位突变操纵反射波矢，但巧妙地利用了超表面超薄的特性的和异常反射的功能，使得几何上从两个方向入射的声波束完全反射，最终实现高效率的声阻隔作用。
实施例：如图1和图2所示，一种超薄双向声阻隔通道，包括平行设置的上超表面1和下超表面2，上超表面1和下超表面2相对的面上对称的安装有四组折叠结构3，所述折叠结构3包含九个并排排列的隔板，相邻隔板之间形成空腔，共形成八个空腔，在空腔内的隔板上交替分布有横梁，所述隔板高度1为1cm，空腔的宽度d为1cm，横梁的厚度w1为0.1cm，横梁纵向间距为0.15cm，折叠结构3中每个空腔中的横梁长度d1依次为(0.78，0.583，0.53，0.48，0.42，0.382，0.33，0.1)cm。
管道的上下表面为对称放置的折叠结构3材料，总体的折叠结构3单元数为4，每个单元所占长度为8.8cm，其中单元内部每一个腔体的总宽度为1cm，连接两侧腔体的横梁厚度w1为0.1cm，隔板高度l为1cm。波导管的宽度为15cm的正方形。如图1箭头所示，左侧沿管道掠入射的声波可以完全反射，由于左右入射时超表面提供的相位梯度并没有变化，因此右侧掠入射的声波也可以完全完全向右反射，实现双向隔声的目的。
如图6显示了数值仿真过程中声场的声压分布图，选用的周期性单元数为4，可以看到声波在到达超表面末端之前几乎全部被反射，不过波导管中由于存在高次谐波，有部分声波透过管道漏到对面。在此情况下可以通过增加周期性单元数来改善隔声效果。根据仿真实验，最优的单元数为9，此后在增加单元数反而效果略有下降。
如图7显示了该实施例在最优频率4346Hz附近声强的透射率，最优的透射率降低到1％以下，低于50％的透射率有50Hz宽度的频率范围。实验点和仿真曲线基本吻合。
图8显示了围绕中心频率4346Hz附近的声传输损失，图中所选取的单元数包括4、5、6个。最优频率处对应的声传输损失分别为15、25、35dB。进一步增加单元数至9，传输损失可以达到45dB。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高效、针对某一定频率宽度的超薄声阻隔通风通道，其特征在于：包括平行设置的上超表面和下超表面，上超表面和下超表面相对的面上对称的安装有若干组折叠结构，所述折叠结构包含至少五个并排排列的隔板，相邻隔板之间形成空腔，在空腔内的隔板上交替分布有横梁；所述折叠结构中每个空腔中的横梁长度不同，折叠结构中的隔板高度、空腔宽度和横梁厚度均相同。
2.根据权利要求1所述的超薄双向声阻隔通道，其特征在于：所述折叠结构包含九个隔板，九个隔板形成八个空腔。
3.根据权利要求2所述的超薄双向声阻隔通道，其特征在于：所述隔板高度为1cm，空腔的宽度为1cm，横梁的厚度为0.1cm，横梁纵向间距为0.15cm，折叠结构中每个空腔中的横梁长度依次为(0.78，0.583,0.53,0.48,0.42,0.382,0.33,0.1)cm。
4.根据权利要求1所述的超薄双向声阻隔通道，其特征在于：所述隔板的厚度为空腔宽度的1/10。
5.根据权利要求1所述的超薄双向声阻隔通道，其特征在于：所述折叠结构中的声阻抗远大于背景媒质声阻抗。
6.根据权利要求5所述的超薄双向声阻隔通道，其特征在于：所述折叠结构中的声阻抗至少为100倍的背景媒质声阻抗。
7.根据权利要求6所述的超薄双向声阻隔通道，其特征在于：所述折叠结构的材料为金属或有机塑料。
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