CN109243421A - 一种用于吸声降噪的低频吸声结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于吸声降噪的低频吸声结构。该吸声结构为半圆柱的封闭空腔体，空腔体上设有开孔；空腔体内设有长管，长管的一端与空腔体室内连通，长管的另一端与开孔相通。整个吸声结构可由同种材料制备而成，其吸声性能由结构而非材料的物质属性决定。本发明的结构具有低频宽带的优越吸声性能，可以根据需求频率进行定制化设计结构参数，而且机械性能稳定，制造成本低廉，具有很大的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于噪声吸收的声学功能材料领域，具体涉及一种用于吸声降噪的低频吸声结构。
背景技术
声音的吸收在室内声学以及环境噪声控制方面具有重要意义，自上世纪开始对吸声的研究、应用层出不穷，人耳可听声波频率范围20Hz到20000Hz，声波在空气中的吸收，即损耗通常是很小的，因此，声波的损耗主要通过两种机理发生的：一是在固体表面与空气的粘滞损耗，由于固体表面的粘性边界层无滑移，固体界面存在一个粘性层，一般来说，速度梯度差越大，粘滞损耗也就越大；二是空气与固体表面之间的热传导，由于固体的热导率与空气不同(通常远远大于空气)，可以假设固体结构的温度为一个常数，内部由于空气的绝热压缩与延伸，必然会在空气—固体接触面局域存在一个温度梯度差，声能转化为热能产生损耗，大小与比热有关。从以上研究可以发现，想有较大的吸声系数要求空气与固体的接触面积必然要很大，而多孔材料的空气-固体接触面面积通常很大。
声波的传播与非常小的空气位移速度有关，其作为频率函数的耗散必须服从线性响应理论，其中广义通量(例如电流密度，流速，热通量)与广义力成线性比例(例如，电场强度，压力，温度的梯度)。由于耗散力作为速率的函数线性变化(例如，摩擦力随着相对速度而线性变化)，耗散功率由力和通量的乘积给出，因此声波的耗散是频率的二次函数。因此，对于低频声波，耗散本质上比高频声波弱得多。声波的损耗一般考虑两个参量，有效损耗系数和阻抗匹配，可以认为，声波的整个结构有效损耗系数与能量密度和损耗系数的乘积成正比，传统的多孔材料通过较大的空气—固体接触面积来提高损耗系数，然后把其中的吸收结构设计为锥形来提高阻抗匹配程度。考虑以上原因，共振吸声拥有极为显著的优点：共振时一般具有极高的能量密度，很高的能量密度情况下即使本身损耗不强的情况下仍然具有特别好的吸声现象，以及更高的阻抗匹配程度导致入射声能和吸声结构的更好的耦合。所以，共振器吸声在低频阶段是最优的设计选择。
传统的共振器结构尺度在一个波长以上，对于低频声波而言其波长常常超过1m，动辄数米数十米尺度的吸声结构很难真正投入到应用，利用声学超材料(acousticmetamaterials)的新理念可以很好地处理这个问题。
发明内容
为了克服传统多孔材料低频下吸声性能较差，尺寸较大，薄膜型超构材料制备复杂，由于蠕变机械性能不稳定，不能长期使用等问题，本发明提供一种“折叠空间”式的亥姆霍兹器的吸声结构，结构的厚度可以达到波长的几十分之一更甚。
为了实现上述发明的目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于吸声降噪的低频吸声结构，为半圆柱的封闭空腔体，空腔体上设有开孔；空腔体内设有长管，长管的一端与空腔体室内连通，长管的另一端与开孔相通。
进一步地，长管的内壁上设有梳齿状结构。
进一步地，长管的两侧内壁上设有交错排列的梳齿状结构。
进一步地，所述低频吸声结构采用同一种材料。
进一步地，长管的边长远小于吸声结构吸声时声波的波长。
本发明提供的吸声结构与现有技术相比，具有以下优点：
(1)在满足结构声学要求的前提下，采用同一种材料，使得制备工艺简单；
(2)吸声结构的声学性能基于结构单元而非材料属性，结构的制备可以通过增材工艺的3D打印技术，方式简单；
(3)本发明的结构具有低频宽带的优越吸声性能，可以根据需求频率进行定制化设计结构参数，而且机械性能稳定，制造成本低廉，具有很大的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例中吸声结构的半圆柱盖子结构图。
图2为本发明实施例中吸声结构空心半圆柱的结构图，(a)立体图，(b)俯视图。
图3为本发明实施例中吸声结构整体示意图。
图4为本发明实施例中吸声结构的吸声系数频谱图。
图5为本发明实施例中吸声结构的复阻抗率频谱图。
图6为本发明实施例中吸声结构耦合谐振器的吸声系数频谱图。
图中，1-小孔，2-长管，3-梳齿状结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进一步说明，阐明本发明实质性特点和显著的进步。
图1为吸声结构的半圆形盖子结构的三视图，在半圆盘直径一侧开设一方形小孔1。图2为吸声结构的半圆柱空腔体，空腔体的底部和侧面均为封闭式的。在空腔体内直径一侧设有长管2，长管2的一端封闭，另一端与空腔体室内连通，长管2的两侧内壁上设有交错排列的梳齿状结构3，以增加声波的传播路径。梳齿状结构3等间距分布在长管内壁上。方形小孔1的边长与长管2的短边边长相等。
将图1的半圆盘与图2的空腔体拼接在一起，构成本实施例的吸声结构，如图3所示。其中，方形小孔1与长管2对齐连通，其余部分均为封闭式的。该结构本质上是基于亥姆霍兹共振腔之间的耦合，亥姆霍兹腔是一种经典的被动式吸声结构。由于共振时候谐振单元具有很高的能量密度，在本身材料损耗不高的情况下也可以表现很好的吸声性能，考虑到传统多孔材料低频下吸声效能较差，本发明利用“折叠空间”的理念可以在尽量减小结构尺度的同时依旧保持良好的吸声性能。长管2通道可以视为谐振器的颈部，其余部分视为一个空腔式，如果将对应不同吸声峰的结构拼接起来可以有效的拓宽吸声谱的响应范围，制备较宽的吸声结构。以上结构均为同一材料，结构的具体参数由声学特性、和制备过程的要求来确定。
下面结合具体实例对本发明进一步阐述。
本实施例中，所有的结构采用的材料均为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，该塑料密度ρ为1180kg/m3，声速c＝2700m/s。
本实施例中，圆盘的直径d为50mm，结构各处的厚度t均设置为2mm，方形小孔1的边长为6.37mm，长管2内的梳齿结构3为八个边长为1.63mm的正方形，空腔厚度为30.24mm。建立以上确定尺寸的数字化模型，将文件导入光固化3D打印机中进行打印，软件自动生成支撑材料的位置。之后光固化3D打印机利用材料逐层叠加，进行三维实体模型的打印，打印完成后，手工去除支撑材料，在进行后续固化后得到最后实体模型，即制备得到满足既定要求的吸声结构。
本实施例的吸声谱如图4所示，图中横坐标为频率，纵坐标为吸声系数，方块为数值模拟的数据，圆形为实验测量的数据，然后分别利用样条曲线拟合。可以看到，吸声峰在180HZ处可以达到0.99以上，实验曲线较好的符合数值模拟结果，考虑到3D打印材料本身有一定的粘性损耗，实验曲线应当略宽于数值模拟曲线，同时测量到的同样大小、同样材料的平板的吸声系数小于0.02，因此，可以认为，单元吸声的原因本质上是其结构决定的而不是材料属性。同时注意到吸收峰的半值宽度约23Hz，带宽较窄。
图5为相应结构的复阻抗率，方块对应实部，圆形为虚部，可以看到180Hz处阻抗实部趋近1，虚部为0，可以近似认为此时的阻抗达到了完美匹配。
图6为吸声峰不同的两个谐振结构耦合的吸声谱，耦合情况下，曲线的半值宽度显著提高了，由原先的约23Hz提升到现在的近50Hz，这种方法可以有效地提高吸声性能的频率响应宽度
综上所述，本发明设计的吸声结构结构，不仅在满足亚波长、机械性能稳定的要求下获得了低频的吸声结构，而且利用3D打印技术使其制备吸声结构更为简单方便。
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本实施例。凡在本实施例的精神和原则之内做的任何修改、同等替换和改进，均应包括在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种用于吸声降噪的低频吸声结构，其特征在于，为半圆柱的封闭空腔体，空腔体上设有开孔；空腔体内设有长管，长管的一端与空腔体室内连通，长管的另一端与开孔相通。
2.根据权利要求1所述的一种用于吸声降噪的低频吸声结构，其特征在于，长管的内壁上设有梳齿状结构。
3.根据权利要求2所述的一种用于吸声降噪的低频吸声结构，其特征在于，长管的两侧内壁上设有交错排列的梳齿状结构。
4.根据权利要求1所述的一种用于吸声降噪的低频吸声结构，其特征在于，所述低频吸声结构采用同一种材料。
5.根据权利要求1所述的一种用于吸声降噪的低频吸声结构，其特征在于，长管的边长远小于吸声结构吸声时声波的波长。
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