CN110895923A - 一种用于低频噪声控制的亚波长宽带超材料吸收体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于低频噪声控制的亚波长宽带超材料吸收体。该吸收体包括多个吸声体胞元，吸声体胞元包括超材料共振器和声学吸声海绵薄层，超材料共振器集成了多个亥姆霍兹共振器，亥姆霍兹共振器为扇形，扇形的外圆周部分设置为迷宫通道，扇形的圆心部分设置为实心体，迷宫通道与实心体之间形成扇形环形腔体；声学吸声海绵薄层包覆在超材料共振器的外面。本发明的吸收体能近完美地吸收波长远远大于其尺寸的宽带声能，对宽频的低频噪声具有良好的抑制作用。

Description

一种用于低频噪声控制的亚波长宽带超材料吸收体
技术领域
本发明属于声学降噪技术领域，涉及一种低频声波的宽带吸收体，特别是基于迷宫超材料共振器与声学多孔材料耦合的亚波长宽带近完美吸收材料。
背景技术
噪声污染已然成为了21世纪的第五大污染源，噪声控制也日益成为了声学领域一个重要的课题，声能的吸收是一种非常重要的抑制噪声的方法。传统的声学材料，如多孔吸声海绵，主要依靠空隙间的空气摩擦损耗，且由于耗散系数遵从线性响应理论，使得多孔材料对高频声波吸收较好，而对低频声波的吸收非常微弱。因此，要可观地吸收低频声波，需要厚度很大的材料才能达到，这就导致了成本的提高和占用空间的增大。
为了解决这一难题，基于声学超材料的完美吸声体应运而生。为了使吸收体具有亚波长的特性，通常选择局域共振型材料，如声学亥姆霍兹共振器，声学超表面，声学膜材料，和卷曲空间等等，来构造亚波长或深度亚波长尺度的吸声体。这些吸收体通过共振将声能高度局域，通过摩擦损耗将声能转化为热能被耗散。相较于传统的吸收材料，新型吸收体具有小尺度和高效率的优点。然而，由于这些吸收体都是基于单共振结构，因此通常作用在单频，这大大限制了声吸收体的应用场合。
最近，通过耦合多个FP共振器和海绵材料构成优化声吸收体产生(Mater.Horiz.,2017,4,673-680)，然而，该吸收体并没有展示出亚波长特性，因此，具有宽频带的亚波长尺度的吸收体仍然非常少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有的亚波长低频声吸收体只工作在单频的不足，提出了一种利用超材料共振器耦合多孔吸声海绵设计的亚波长宽频带近完美(>98％)吸收体，能高效地抑制宽频带的低频噪声。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于低频噪声控制的亚波长宽带超材料吸收体，包括多个吸声体胞元，所述吸声体胞元包括超材料共振器和声学吸声海绵薄层，所述超材料共振器集成了多个亥姆霍兹共振器，所述亥姆霍兹共振器为扇形，扇形的外圆周部分设置为迷宫通道，扇形的圆心部分设置为实心体，迷宫通道与实心体之间形成扇形环形腔体；所述声学吸声海绵薄层包覆在超材料共振器的外面。
进一步地，所述超材料共振器由环氧树脂3D打印或者尼龙注塑而成；所述声学吸声海绵薄层采用聚氨酯泡沫塑料。
优选地，扇形的亥姆霍兹共振器的外半径为60mm，壁厚度为1.4mm。
优选地，所述声学吸声海绵薄层为厚度4mm的圆柱环。
优选地，所述亥姆霍兹共振器的数量为4个或6个。
进一步地，所述吸声体放置在硬边界墙体的前面；所述硬边界墙体为声阻抗远远大于空气声阻抗的材料。
本发明的吸收体具备亚波长、宽带以及吸收效率高效的特性，该吸收体能近完美地吸收波长远远大于其尺寸的宽带声能，对宽频的低频噪声具有良好的抑制作用，为噪声控制提供了一种可行的解决办法。
附图说明
图1为本发明的集成了6个亥姆霍兹共振器的超材料共振器的三维视图，1为共振器的迷宫型管道，2为共振器的扇环形腔体，3为实心体。
图2为本发明的超材料宽带吸声体的二维截面图，4为吸声海绵。
图3为本发明的超材料吸声体胞元的安装方式，5为硬边界。
图4为本发明的集成了4个亥姆霍兹共振器的超材料吸声体的二维截面图。
图5为6个亥姆霍兹共振器集成的超材料吸收体的吸声系数，其中参数为Ro＝64mm，t＝1.4mm，w＝3.5mm。
图6为4个亥姆霍兹共振器集成的超材料吸收体的吸声系数，其中参数为Ro＝64mm，t＝1.4mm，w＝4.7mm。
具体实施方式
本发明的亚波长宽频带近完美声吸收体中的超材料共振器可使用环氧树脂材料通过3D打印技术或者使用尼龙材料注塑加工得到。如图1所示，将多个亥姆霍兹共振器集成在一起，每个亥姆霍兹共振器包括迷宫型管道1、扇环形腔体2和实心体3，共振频率可以通过调节扇环形腔体2的内半径来调节。为了消除共振峰之间的谷，在共振器外面包覆一层吸声海绵4。
本实施例中，共振器的外径为60mm，壁厚为t＝1.4mm，通道宽度w＝3.5mm或w＝4.7mm，腔体内径为表1所示，吸声海绵4的厚度为4mm，因此Ro＝64mm。海绵材料为聚氨酯泡沫塑料。
表1超材料共振器吸收体的参数(单位：mm)
Figure BDA0001798389650000031
下面进一步通过实例对本发明进行详细说明。
实施例1
使用3D打印技术打印加工集成6个亥姆霍兹共振器的超材料共振器，参数如表1所示，超材料共振器的高度为40mm，使用海绵切割工具切割一个厚度为4mm的圆柱环，将超材料共振器嵌入海绵，至此一个完整的吸收体胞元加工完成，该集成的超材料共振器能够提供6个波长远远大于其尺寸的共振。如图3所示，将该胞元按周期d＝160mm排列放置硬边界5前面s＝15mm处，该硬边界5只要求边界的阻抗远远大于空气的声阻抗即可，实际应用中可由建筑墙体实现。这种方式下得到的吸收曲线如图5所示，吸声系数大于98％的频率范围为231Hz到326Hz，对应的波长为23.2Ro到16.4Ro。
实施例2
为了在不改变超材料共振器的外部尺寸的前提下进一步降低声波的频率，本实施例使用3D打印技术打印加工集成4个亥姆霍兹共振器的超材料共振器，参数如表1所示，超材料共振器的高度为40mm，使用海绵切割工具切割一个厚度为4mm的圆柱环，将超材料共振器嵌入海绵，至此一个完整的吸收体胞元加工成型。同样将该胞元按周期d＝150mm排列放置在硬边界5前面s＝13mm处。这种安装方式下得到的吸收曲线如图6所示，吸声系数大于98％频率范围为188Hz到238Hz，对应的波长28.5Ro到22.5Ro。
以上所述，仅为本发明的优选实例，不能以此限定本发明的实施范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所做的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆盖的范围内。

Claims (6)

1.一种用于低频噪声控制的亚波长宽带超材料吸收体，其特征在于，包括多个吸声体胞元，所述吸声体胞元包括超材料共振器和声学吸声海绵薄层，所述超材料共振器集成了多个亥姆霍兹共振器，所述亥姆霍兹共振器为扇形，扇形的外圆周部分设置为迷宫通道，扇形的圆心部分设置为实心体，迷宫通道与实心体之间形成扇形环形腔体；所述声学吸声海绵薄层包覆在超材料共振器的外面。
2.根据权利要求1所述的一种用于低频噪声控制的亚波长宽带超材料吸收体，其特征在于，所述超材料共振器由环氧树脂3D打印或者尼龙注塑而成；所述声学吸声海绵薄层采用聚氨酯泡沫塑料。
3.根据权利要求1所述的一种用于低频噪声控制的亚波长宽带超材料吸收体，其特征在于，扇形的亥姆霍兹共振器的外半径为60mm，壁厚度为1.4mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于低频噪声控制的亚波长宽带超材料吸收体，其特征在于，所述声学吸声海绵薄层为厚度4mm的圆柱环。
5.根据权利要求1所述的一种用于低频噪声控制的亚波长宽带超材料吸收体，其特征在于，所述亥姆霍兹共振器的数量为4个或6个。
6.根据权利要求1所述的一种用于低频噪声控制的亚波长宽带超材料吸收体，其特征在于，所述吸声体放置在硬边界墙体的前面；所述硬边界墙体为声阻抗远远大于空气声阻抗的材料。
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