CN110473511B - 一种具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构 - Google Patents

一种具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构，由穿孔面板、参数梯度变化的空间弯折背腔和刚性背衬组成，穿孔面板和刚性背衬位于参数梯度变化的空间弯折背腔两端；穿孔面板上设有若吸音孔，吸音孔开孔方向均垂直于穿孔面板，吸音孔孔径为亚毫米级；参数梯度变化的空间弯折背腔由内置螺旋结构和外圆筒组成；内置螺旋结构由上阻抗匹配层、下阻抗匹配层和窄长螺旋结构组成；其中弯折背腔由中间的窄长弯折结构和两端的阻抗匹配层构成，三者的形状分别由简单的参数方程组控制，且易于调节；吸声超结构具有简单实用，在阻抗匹配频段内吸声波峰明显拓宽，极大地改善空间弯折结构的阻抗失配问题，具有良好且广泛的应用前景。

Description

一种具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体地说，涉及一种具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构。
背景技术
现有的空间弯折吸声超结构是一种利用空间弯折加大背腔深度达到低频吸声目的的吸音降噪结构，可有效减薄传统微穿孔型吸声结构的厚度。但是，一般的空间弯折吸声超结构普遍存在着阻抗失配的缺点，导致低频吸声的频带宽度极窄。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，克服其空间弯折吸声超结构低频吸声频带极窄的问题，本发明提出一种具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括穿孔面板、参数梯度变化的空间弯折背腔和刚性背衬，穿孔面板和刚性背衬位于参数梯度变化的空间弯折背腔两端部；穿孔面板上依面板中心外延等间距设置有若干吸音孔，吸音孔开孔方向均垂直于穿孔面板，吸音孔孔径为亚毫米级；参数梯度变化的空间弯折背腔由内置螺旋结构和外圆筒组成；内置螺旋结构由上阻抗匹配层、下阻抗匹配层和窄长螺旋结构组成；上阻抗匹配层由方程(1)控制，下阻抗匹配层由方程(2)控制，窄长螺旋结构由方程(3)控制，其中r为半径参数，s为角度参数，r1、r2、s0、s1、s2为参数变化范围，n为阻抗匹配层梯度系数，ω为角度系数，
Figure BDA0002158103080000011
和
Figure BDA0002158103080000012
为初始相位，a1和an为螺距系数；
Figure BDA0002158103080000013
Figure BDA0002158103080000014
Figure BDA0002158103080000021
各参数中，r1、r2分别决定参数梯度变化的空间弯折背腔的内径和外径，r1变化范围为(2mm，5mm)，r2的变化范围为(10mm，100mm)；s0和a1共同决定窄长螺旋结构的高度，s0变化范围为(10mm，100mm)，a1的变化范围为(0，1)；s1、s2由参数梯度变化的空间弯折背腔的总高度H、s0、a1和n共同决定，n的取值为大于1的整数；ω的取值范围为(0，1)；
Figure BDA0002158103080000022
和
Figure BDA0002158103080000023
互为相反数，由s0、s1和ω共同决定；an由s0、s1、n和a1共同决定。
所述内置螺旋结构沿参数梯度变化的空间弯折背腔轴向的厚度为0.1～0.4mm。
所述穿孔面板上开设的吸音孔的孔径为0.2～0.9mm，总穿孔率为0.4％～3％，穿孔面板的厚度为0.1～1mm。
所述刚性背衬和外圆筒的厚度为0.5～1mm。
所述参数梯度变化的空间弯折背腔和刚性背衬可通过3D打印一体化制作，材料选用工程塑料或轻金属；穿孔面板采用木质板材或工程塑料。
有益效果
本发明提出的一种具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构，由穿孔面板、参数梯度变化的空间弯折背腔和刚性背衬组成，穿孔面板和刚性背衬位于参数梯度变化的空间弯折背腔两端；穿孔面板上设有若干吸音孔，吸音孔开孔方向均垂直于穿孔面板，吸音孔孔径为亚毫米级；参数梯度变化的空间弯折背腔由内置螺旋结构和外圆筒组成；内置螺旋结构由上阻抗匹配层、下阻抗匹配层和窄长螺旋结构组成；其中弯折背腔由中间的窄长弯折结构和两端的阻抗匹配层构成，三者的形状分别由简单的参数方程组控制，并且易于调节。吸声超结构简单实用，通过增加阻抗匹配层能够拓宽阻抗匹配频段内的吸声波峰宽度，螺旋结构控制函数简单，易于根据目标频段调节；极大地改善传统空间弯折结构的阻抗失配问题，具有良好且广泛的应用前景。
本发明具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构，能够以同样的空间弯折背腔高度、穿孔孔径、孔隙率和穿孔面板厚度实现比传统空间弯折吸声结构更好的吸声效果。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构作进一步详细说明。
图1为本发明具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构爆炸图。
图2为本发明具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构三维结构示意图。
图中
1.穿孔面板 2.参数梯度变化的空间弯折背腔 3.刚性背衬 4.内置螺旋结构 5.外圆筒 6.上阻抗匹配层 7.下阻抗匹配层 8.窄长螺旋结构
具体实施方式
本实施例是一种具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构。
参阅图1、图2，本实施例具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构，由穿孔面板1、参数梯度变化的空间弯折背腔2和刚性背衬3组成；穿孔面板1和刚性背衬3位于参数梯度变化的空间弯折背腔2两端；穿孔面板1上依中心外延等间距设有若干吸音圆孔，吸音圆孔开孔方向均垂直于穿孔面板1，吸音圆孔孔径为亚毫米级。参数梯度变化的空间弯折背腔2由内置螺旋结构4和外圆筒5组成；内置螺旋结构4由上阻抗匹配层6、下阻抗匹配层7和窄长螺旋结构8组成；上阻抗匹配层由方程(1)控制，下阻抗匹配层由方程(2)控制，窄长螺旋结构由方程(3)控制；式中r为半径参数，s为角度参数，r1、r2、s0、s1、s2为参数变化范围，n为阻抗匹配层梯度系数，ω为角度系数，
Figure BDA0002158103080000031
和
Figure BDA0002158103080000032
为初始相位，a1和an为螺距系数。
Figure BDA0002158103080000033
Figure BDA0002158103080000034
Figure BDA0002158103080000035
各参数中，r1、r2分别决定参数梯度变化的空间弯折背腔2的内径和外径，r1变化范围为(2mm，5mm)，r2的变化范围为(10mm，100mm)；s0和a1共同决定窄长螺旋结构8的高度，s0变化范围为(10mm，100mm)，a1的变化范围为(0，1)；s1、s2由参数梯度变化的空间弯折背腔2的总高度H、s0、a1和n共同决定，n的取值为大于1的整数；ω的取值范围为(0，1)；
Figure BDA0002158103080000041
和
Figure BDA0002158103080000042
互为相反数，由s0、s1和ω共同决定；an由s0、s1、n和a1共同决定。
本实施例中,穿孔面板1朝向声源，刚性背衬3背向声源。使得声音能够进入吸声体，并得到部分或全部吸收。内置螺旋结构4沿参数梯度变化的空间弯折背腔2轴向的厚度为0.1～0.4mm。为达到较高吸声系数和较宽吸声频带，穿孔面板1上开设的吸音孔的孔径为0.2～0.9mm，总穿孔率为0.4％～3％，穿孔面板的厚度为0.1～1mm。刚性背衬3和外圆筒5的厚度为0.5～1mm。参数梯度变化的空间弯折背腔2和刚性背衬3可通过3D打印一体化制作，材料可选用工程塑料或轻金属；穿孔面板采用木质板材或工程塑料。
在本实施例中，穿孔面板1的厚度为0.5mm，穿孔孔径为0.2mm，总穿孔率为1％。刚性背衬3的厚度为1mm。参数梯度变化的空间弯折背腔2的总高度为30mm，外圆筒的厚度为1mm。内置螺旋结构4的内半径r1为3mm，外半径r2为50mm，沿参数梯度变化的空间弯折背腔2轴向的厚度为0.1mm，角度系数ω为0.26，其它几何参数和系数如下表所示:
Figure BDA0002158103080000043
在本实施例中，整个具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构的材质均为工程塑料。
在本实施例中，在考察频段800～1500Hz中，具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构对应的吸声系数曲线有两个波峰，分别位于1100Hz和1460Hz，吸声系数分别为0.98和0.97；吸声系数大于0.5的频段为1025～1205Hz和1423～1500Hz。特别是，当阻抗匹配层梯度系数n取值为1时，上阻抗匹配层6和下阻抗匹配层7退化为螺距均匀的传统窄长螺旋结构，从而失去了阻抗匹配的作用；该种传统空间弯折吸声结构在考察频段800～1500Hz中，依然有两个吸声波峰，分别位于1160Hz和1480Hz左右，吸声系数分别为0.93和0.94；但是第一个吸声波峰吸声系数大于0.5的频段仅为1150～1175Hz，第二个吸声波峰吸声系数大于0.5的频段为1445～1500Hz。
在本实施例中，具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构的阻抗匹配频段为940～1340Hz，在该阻抗匹配频段内，具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构的吸声波峰比传统空间弯折吸声结构拓宽了620％。
在本实施例中，具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构的吸声波峰峰值与传统空间弯折吸声结构基本一致。具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构的第二个吸声波峰与传统空间弯折吸声结构基本一致，即在阻抗匹配频段外，阻抗匹配层对吸声系数没有显著影响。
本实施例能够以同样的空间弯折背腔高度、穿孔孔径、孔隙率和穿孔面板厚度达到比传统空间弯折吸声结构更好的吸声效果。通过增加阻抗匹配层能够拓宽阻抗匹配频段内的吸声波峰宽度，极大地改善了传统空间弯折结构的阻抗失配问题，而且通过调节阻抗匹配层梯度系数n还可改变阻抗匹配频段的位置和带宽。

Claims (5)

1.一种具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构，其特征在于:包括穿孔面板、参数梯度变化的空间弯折背腔和刚性背衬，穿孔面板和刚性背衬位于参数梯度变化的空间弯折背腔两端部；穿孔面板上依面板中心外延等间距设置有若干吸音孔，吸音孔开孔方向均垂直于穿孔面板，吸音孔孔径为亚毫米级；参数梯度变化的空间弯折背腔由内置螺旋结构和外圆筒组成；内置螺旋结构由上阻抗匹配层、下阻抗匹配层和窄长螺旋结构组成；上阻抗匹配层由方程(1)控制，下阻抗匹配层由方程(2)控制，窄长螺旋结构由方程(3)控制，其中r为半径参数，s为角度参数，r1、r2、s0、s1、s2为参数变化范围，n为阻抗匹配层梯度系数，ω为角度系数，
Figure FDA0003895337560000011
和
Figure FDA0003895337560000012
为初始相位，a1和an为螺距系数；
Figure FDA0003895337560000013
Figure FDA0003895337560000014
Figure FDA0003895337560000015
各参数中，r1、r2分别决定参数梯度变化的空间弯折背腔的内径和外径，r1变化范围为(2mm，5mm)，r2的变化范围为(10mm，100mm)；s0和a1共同决定窄长螺旋结构的高度，s0变化范围为(10mm，100mm)，a1的变化范围为(0，1)；s1、s2由参数梯度变化的空间弯折背腔的总高度H、s0、a1和n共同决定，n的取值为大于1的整数；ω的取值范围为(0，1)；
Figure FDA0003895337560000016
和
Figure FDA0003895337560000017
互为相反数，由s0、s1和ω共同决定；an由s0、s1、n和a1共同决定。
2.根据权利要求1所述的具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构，其特征在于:所述内置螺旋结构沿参数梯度变化的空间弯折背腔轴向的厚度为0.1～0.4mm。
3.根据权利要求1所述的具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构，其特征在于:所述穿孔面板上开设的吸音孔的孔径为0.2～0.9mm，总穿孔率为0.4％～3％，穿孔面板的厚度为0.1～1mm。
4.根据权利要求1所述的具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构，其特征在于:所述刚性背衬和外圆筒的厚度为0.5～1mm。
5.根据权利要求1所述的具有阻抗匹配层的空间弯折吸声超结构，其特征在于:所述参数梯度变化的空间弯折背腔和刚性背衬能够通过3D打印一体化制作，材料选用工程塑料或轻金属；穿孔面板采用木质板材或工程塑料。
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