CN110503936B - 一种可调亚波长低频吸声结构 - Google Patents

一种可调亚波长低频吸声结构 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种可调亚波长低频吸声结构，其特征在于，包括多孔吸声材料基底和至少一个卷曲结构，卷曲结构嵌设在多孔吸声材料基底内，卷曲结构内部为中空结构，卷曲结构上设有用于使流体进入中空结构的开口，多孔吸声材料基底具有微孔，卷曲结构的开口与多孔吸声材料基底的微孔连通使卷曲结构与多孔吸声材料基底形成复合吸声结构，其中，复合吸声结构处于临界耦合状态时，实现完美吸声。本发明可有效提高低频吸声系数，尤其当复合吸声结构满足临界耦合条件时，可在低频区域实现完美吸声，甚至可实现多带的完美吸声，有效实现了基础共振模式和高次模式的综合利用。

Description

一种可调亚波长低频吸声结构
技术领域
本发明涉及低频减振降噪领域领域，具体涉及一种可调亚波长低频吸声结构。
背景技术
可听声吸收是房间声学、管道噪声控制和环境声学研究的重要内容。由于低频声在材料中的弱损耗，低频高效声吸收面临挑战。传统的多孔材料广泛的应用于声吸收，可是由于1/4波长的厚度限制，低频声吸收所需材料厚度限定了多孔材料的使用范围。而且，多孔材料适用于高频吸声且有效吸声频带较宽，但其低频吸声效果差。现有技术中常采用空腔共振提高低频吸声系数，但提高程度有限。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出的一种可调亚波长低频吸声结构。
本发明提出的一种可调亚波长低频吸声结构，其特征在于，包括多孔吸声材料基底和至少一个卷曲结构；
卷曲结构嵌设在多孔吸声材料基底内，卷曲结构内部为中空结构，卷曲结构上设有用于使流体进入中空结构的开口，多孔吸声材料基底具有微孔，卷曲结构的开口与多孔吸声材料基底的微孔连通使卷曲结构与多孔吸声材料基底形成复合吸声结构；
其中，复合吸声结构处于临界耦合状态时，实现完美吸声。
优选地，卷曲结构为卷绕成平面螺旋或立体螺旋的的长管，长管两端封闭，长管上设有用于连通长管内部和多孔吸声材料基底的微孔的开口。
优选地，卷曲结构包括吸声单体和隔板，吸声单体嵌设在多孔吸声材料基底内，吸声单体具有内腔，隔板设置在内腔内部并将内腔隔成螺旋流道，吸声单体上设有用于连通螺旋流道和多孔吸声材料基底的微孔的开口。
优选地，复合吸声结构的临界耦合经由下列公式使该复合吸声结构的泄露能量和损耗能量达到平衡，使其在此条件下达到理论上的完美吸声：
Figure BDA0002164568980000021
其中，
Figure BDA0002164568980000022
为损耗品质因数，用于描述卷曲结构的热粘滞和多孔吸声材料基底中的粘滞损耗；
Figure BDA0002164568980000023
为泄露品质因数，用于描述多孔吸声材料基底的散射泄露能量。
优选地，多孔吸声材料基底的流阻、孔隙率和孔径、长度、宽度、厚度等参数依据实际情况选择，卷曲结构的形状、横截面、长度、开口方向等参数根据实际情况和多孔吸声材料基底的参数选择，使复合吸声结构满足或接近处于临界耦合状态。
优选地，当复合吸声结构满足临界耦合条件时，复合吸声结构的表面等效声阻抗与背景流体特征阻抗的比值等于1。
优选地，卷曲结构由3D打印而成。
优选地，多孔吸声材料基底采用三聚氰胺材料或亚麻制成。
优选地，还包括用于将复合吸声结构固定在安装表面的第一连接件，复合吸声结构通过第一连接件与安装表面固定连接。
优选地，还包括用于将复合吸声结构固定在安装表面并使复合吸声结构和安装表面之间留有空气腔的第二连接件，复合吸声结构通过第二连接件与安装表面固定连接。
本发明提出的一种可调亚波长低频吸声结构，具有以下有益效果：
(1)通过建立起卷曲结构的中空结构和多孔吸声材料基底的连通而成的复合吸声结构，可有效提高低频吸声系数，尤其当复合吸声结构满足临界耦合条件时，可在低频区域实现完美吸声，即该复合吸声结构的吸声系数在低频区域达到100％。
(2)通过卷曲结构的高次模式与束缚模式结合调控结构中高频吸声效果，实现宽频高效的声吸收。
(3)通过调控复合吸声结构中卷曲结构的参数和多孔吸声材料基底的参数使复合吸声结构满足临界耦合条件，甚至可以实现多带的完美吸声，有效实现了基础共振模式和高次模式的综合利用。
(4)通过调节设置在多孔吸声材料基底中卷曲结构的个数实现在不同频段的宽频带噪声消除。
附图说明
图1为本发明提出的一种可调亚波长低频吸声结构的结构示意图。
图2为本发明中螺旋隔板的结构示意图。
图3为本发明中实施例1的吸声系数测试曲线。
图4为本发明中实施例2的吸声系数测试曲线。
图5为本发明中实施例3的吸声系数测试曲线。
具体实施例
参照图1，本发明提出的一种可调亚波长低频吸声结构，包括多孔吸声材料基底1和至少一个卷曲结构2；
卷曲结构2嵌设在多孔吸声材料基底1内，卷曲结构2内部为中空结构，卷曲结构2上设有用于使流体进入中空结构的开口，多孔吸声材料基底1具有微孔，卷曲结构2的开口与多孔吸声材料基底1的微孔连通使卷曲结构2与多孔吸声材料基底1形成复合吸声结构；
其中，复合吸声结构处于临界耦合状态时，实现完美吸声。
本发明中，当声波传播并渗入一端封闭的卷曲结构2的中空结构之后，卷曲结构2的开口相当于延长的亥姆霍兹谐振腔颈部，而余下的部分相当于其腔体部分。因此，类似亥姆霍兹谐振腔的卷曲结构2与多孔吸声材料基底1并联形成复合吸声结构，可有效提高低频吸声系数，降低复合吸声结构的尺寸。当复合吸声结构满足临界耦合条件，从而在低频区域实现完美吸声，即该复合吸声结构的吸声系数在低频共振区域达到100％。同时，本发明可以利用吸声结构加空气背腔实现共振结构与腔体耦合或利用卷曲结构2的高次模式与束缚模式耦合调控结构中高频吸声效果，实现宽频高效的声吸收。而且，通过调控复合吸声结构，甚至可以实现多带的完美吸声，有效实现了基础共振模式和高次模式的综合利用。
在本实施例中，卷曲结构2为卷绕成平面螺旋或立体螺旋的的长管，长管两端封闭，长管上设有用于连通长管内部和多孔吸声材料基底1的微孔的开口。长管螺旋卷绕以延长通过声波经过的长度，使吸声频段向低频移动，针对低频声波具有良好的吸收效果。
在本实施例中，卷曲结构2包括吸声单体21和隔板22，吸声单体21嵌设在多孔吸声材料基底2内，吸声单体21具有内腔，隔板22设置在内腔内部并将内腔隔成螺旋流道，吸声单体21上设有用于连通螺旋流道和多孔吸声材料基底1的微孔的开口。通过设置与多孔吸声材料基底1的微孔连通的螺旋流道可有效延长声波经过的长度，可获得深度亚波长结构，方便调节调控复合吸声结构从而实现多带完美吸声。
在本实施例中，复合吸声结构的临界耦合经由下列公式使该复合吸声结构的泄露能量和损耗能量达到平衡，使其在此条件下达到理论上的完美吸声：
Figure BDA0002164568980000051
其中，
Figure BDA0002164568980000052
为损耗品质因数，用于描述卷曲结构2的热粘滞和多孔吸声材料基底1中的粘滞损耗；
Figure BDA0002164568980000053
为泄露品质因数，用于描述多孔吸声材料基底1的散射泄露能量。
本发明基于临界耦合理论设计复合吸声结构，临界耦合理论要求复合吸声结构的泄露能量和损耗能量达到平衡时，复合吸声结构实现完美吸声。临界耦合理论声波方程含时部分可以表示为
Figure BDA0002164568980000054
这里，ωres是卷曲结构2的共振角频率；
Figure BDA0002164568980000055
其中，
Figure BDA0002164568980000056
是损耗品质因数，用于描述卷曲结构的热粘滞和多孔吸声材料基底中的粘滞损耗；
Figure BDA0002164568980000057
为泄露品质因数，用于描述多孔吸声材料基底的散射泄露能量。
因此，我们可以通过调控系统的
Figure BDA0002164568980000058
等于
Figure BDA0002164568980000059
实现完美吸声。这里，复合吸声结构的
Figure BDA00021645689800000510
为有损耗情况下的透射峰的半宽度Δf与共振频率fr的比值，
Figure BDA00021645689800000511
为反射系数谷的半宽度Δf与谷对应的共振频率fr的比值。
在本实施例中，多孔吸声材料基底1的流阻、孔隙率和孔径、长度、宽度、厚度等参数依据实际情况选择，卷曲结构2的形状、横截面、长度、开口方向等参数根据实际情况和多孔吸声材料基底1的参数选择，使复合吸声结构满足或接近处于临界耦合状态，以实现完美吸声。因此，通过多孔吸声材料基底1和卷曲结构2的相关参数来使使复合吸声结构满足或接近处于临界耦合状态，以实现完美吸声。
在本实施例中，当复合吸声结构满足临界耦合条件时，复合吸声结构的表面等效声阻抗与背景流体特征阻抗的比值等于1，有利于声音导入。具体的，背景流体为空气、液体或其他流体。
在本实施例中，卷曲结构2由3D打印而成，便于根据需要方便快捷地制造卷曲结构2。
在本实施例中，多孔吸声材料基底1采用三聚氰胺材料或或亚麻制成。
在本实施例中，还包括用于将复合吸声结构固定在安装表面的第一连接件，复合吸声结构通过第一连接件与安装表面固定连接，通过第一连接件将复合吸声结构固定在安装表面，便于提高窄频吸声系数。
在本实施例中，还包括用于将复合吸声结构固定在安装表面并使复合吸声结构和安装表面之间留有空气腔的第二连接件，复合吸声结构通过第二连接件与安装表面固定连接。利用吸声结构加空气背腔实现共振结构与腔体耦合调控结构中高频吸声效果，实现宽频高效的声吸收。
下面将结合具体实验数据及程序模拟数据对本实施例的低频亚波长吸声结构的使用性能进行描述。
实施例1
参照图1和图2，卷曲结构2包括吸声单体21和隔板22，隔板22为螺旋隔板，且呈阿基米德螺旋线形，螺旋隔板为刚性隔板。以螺旋隔板的螺旋中心为坐标系圆点，以原点到螺旋隔板起始点所在直线为x轴，以垂直x轴的水平直线为y轴建立平面直角坐标系，如图2所示。其中，螺旋隔板的内沿满足以下方程：
Figure BDA0002164568980000071
其中，m为阿基米德螺旋线圈序数，
Figure BDA0002164568980000072
为空间方位角，
g为阿基米德螺旋线相邻螺旋线之间的间隔，为常数，
r0为当
Figure BDA0002164568980000073
时的极径。
进一步地，
Figure BDA0002164568980000074
其中，θ为开口位置和原点之间的连线与x轴之间的夹角，即开口角度。
具体实施时，多孔吸声材料基底1为长方体，长度100mm、宽度为100mm，厚度为60mm，卷曲结构个个数为一个，螺旋隔板的参数为r0＝13mm，g＝6mm，m＝2，t＝2mm，
Figure BDA0002164568980000075
螺旋隔板的厚度t＝1mm，开口角度θ＝40°。
对无内置卷曲结构的多孔吸声材料基底1和由单个卷曲结构和多孔吸声材料基底1形成的复合吸声结构均进行吸声系数测试以及有限元计算。吸声系数测试使用声望矩形声学阻抗管测量。其中，仿真中多孔材料使用Johnson-Champoux-Allard模型，参数分别设定孔隙率为0.995，流阻为10.5×103Pa·s/m2，孔的弯曲度为1.0059，热损耗特征长度470μm，粘滞损耗特征长度240μm。仿真来自COMOSOL Multiphysics有限元软件计算。实验和仿真结果如图3所示。
从图3中可以看出，相比无内置卷曲结构2的多孔吸声材料基底1，复合吸声结构的低频吸声系数显著提高，其中，仿真显示在293Hz时结构吸声系数达到100％，实现完美吸声。
实施例2
我们将实施例1的螺旋隔板的参数调整为r0＝16mm，
Figure BDA0002164568980000081
在-π—3π/2范围内的空间方位角，m＝2，g＝5mm，螺旋隔板厚度t＝1mm，开口角度θ＝0°。多孔材料的长、宽、厚度不变，多孔材料的Johnson-Champoux-Allard模型参数不变。本发明的实施例2的吸声系数仿真结果参见图4。
从图4中可以看出在f1＝310Hz，f2＝1130Hz，分别出现两个完美吸声系数，单一结构实现了双带的完美吸声。f1对应卷曲结构的基础共振模式，f2对应卷曲结构的高阶共振模式。频率等于1379Hz位置对应结构的束缚模式，由于束缚模式和高阶共振模式的共同作用，在730Hz—1480Hz频带，复合吸声结构的吸声系数可以达到90％以上，吸声系数测量结果表明通过调控复合吸声结构的损耗品质因数和泄露品质因数，可以达到多带的完美吸声，有效实现了基础共振模式和高次模式的综合利用。
实施例3
将实施例1中的复合吸声结构与安装面之间留有30mm厚度的空气腔，以模拟复合吸声结构与安装面之间存在空气腔的情形。本发明的实施例3的吸声系数参见图5。
从图5中可以看出在300Hz—1000Hz，该复合吸声结构的吸声系数可以达到80％以上，吸声系数测量结果显示空气腔的存在极大地提高了低频吸声性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可调亚波长低频吸声结构，其特征在于，包括多孔吸声材料基底(1)和至少一个卷曲结构(2)；
所述卷曲结构(2)嵌设在所述多孔吸声材料基底(1)内，所述卷曲结构(2)内部为中空结构，所述卷曲结构(2)上设有用于使流体进入中空结构的开口，所述多孔吸声材料基底(1)具有微孔，所述卷曲结构(2)的开口与所述多孔吸声材料基底(1)的微孔连通使所述卷曲结构(2)与所述多孔吸声材料基底(1)形成复合吸声结构；
其中，复合吸声结构处于临界耦合状态时，实现完美吸声；
所述卷曲结构(2)为卷绕成平面螺旋或立体螺旋的的长管，长管两端封闭，长管上设有用于连通长管内部和所述多孔吸声材料基底(1)的微孔的开口。
2.根据权利要求1所述的可调亚波长低频吸声结构，其特征在于，所述卷曲结构(2)包括吸声单体(21)和隔板(22)，所述吸声单体(21)嵌设在所述多孔吸声材料基底(1)内，所述吸声单体(21)具有内腔，所述隔板(22)设置在内腔内部并将内腔隔成螺旋流道，所述吸声单体(21)上设有用于连通螺旋流道和所述多孔吸声材料基底(1)的微孔的开口。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的可调亚波长低频吸声结构，其特征在于，所述复合吸声结构的临界耦合经由下列公式使该复合吸声结构的泄露能量和损耗能量达到平衡，使其在此条件下达到理论上的完美吸声：
Figure FDA0003163169110000011
其中，
Figure FDA0003163169110000012
为损耗品质因数，用于描述所述卷曲结构(2)的热粘滞和所述多孔吸声材料基底(1)中的粘滞损耗；
Figure FDA0003163169110000013
为泄露品质因数，用于描述所述多孔吸声材料基底(1)的散射泄露能量。
4.根据权利要求3所述的可调亚波长低频吸声结构，其特征在于，所述多孔吸声材料基底(1)的流阻、孔隙率和孔径、长度、宽度、厚度等参数依据实际情况选择，所述卷曲结构(2)的形状、横截面、长度、开口方向等参数根据实际情况和所述多孔吸声材料基底(1)的参数选择，使所述复合吸声结构满足或接近处于临界耦合状态。
5.根据权利要求3所述的可调亚波长低频吸声结构，其特征在于，当所述复合吸声结构满足临界耦合条件时，所述复合吸声结构的表面等效声阻抗与背景流体特征阻抗的比值等于1。
6.根据权利要求3所述的可调亚波长低频吸声结构，其特征在于，所述卷曲结构(2)由3D打印而成。
7.根据权利要求3所述的可调亚波长低频吸声结构，其特征在于，所述多孔吸声材料基底(1)采用三聚氰胺材料或亚麻制成。
8.根据权利要求3所述的可调亚波长低频吸声结构，其特征在于，还包括用于将所述复合吸声结构固定在安装表面的第一连接件，所述复合吸声结构通过所述第一连接件与所述安装表面固定连接。
9.根据权利要求3所述的可调亚波长低频吸声结构，其特征在于，还包括用于将所述复合吸声结构固定在安装表面并使所述复合吸声结构和所述安装表面之间留有空气腔的第二连接件，所述复合吸声结构通过所述第二连接件与所述安装表面固定连接。
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