CN111785242A - 一种可调吸声性能的蜂窝-微穿孔结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调吸声性能的蜂窝‑微穿孔结构，包括上面板与下面板及夹在上面板与下面板之间的蜂窝芯，所述上面板为微穿孔面板，所述蜂窝芯是可以伸缩的，所述蜂窝芯由下蜂窝芯和上蜂窝芯组成，上蜂窝芯的下端外径略大于下蜂窝芯的上端内径，通过控制上蜂窝芯拉出或缩入下蜂窝芯达到控制蜂窝芯高度的目的，从而控制背腔高度，改变结构共振频率，吸收不同频率的噪声。本发明结构原理简单，只需改变蜂窝‑微穿孔结构蜂窝芯高度就可以满足不同噪声环境的降噪需求，适用范围广，易操作。

Description

一种可调吸声性能的蜂窝-微穿孔结构及其设计方法
技术领域
本发明属于利用蜂窝-微穿孔板复合结构设计的一种中低频降噪结构和方法，特别涉及一种可调吸声性能的蜂窝-微穿孔结构及其设计方法。
背景技术
随着科学技术的发展和人民生活水平地提高，越来越多的人选择乘坐安全高速的飞机出行。飞机在方便人们出行的同时也带来了一系列空气动力学问题，飞机噪声问题便是必须重视的空气动力学问题之一，飞机噪声会影响机组人员和乘客的舒适度、内部仪器设备的工作状态甚至影响飞机的飞行寿命和安全。对于飞机的降噪，无论是使用吸声材料还是吸声结构进行降噪，在满足吸声性能的前提下，一定要满足轻质可靠的特点，而蜂窝-微穿孔板结构由于其优良的力学性能和较好的吸声效果在飞机的降噪中被广泛使用。
由微穿孔板吸声原理可知，微穿孔板结构的板厚空腔深度直接影响结构的吸声性能即吸声频率和吸声系数，但是当蜂窝-微穿孔结构形成后，结构的吸声性能也已被确定。为了调节的结构吸声性能，将蜂窝-微穿孔结构的蜂窝部分设计成可以调节高度的蜂窝芯，通过蜂窝芯高度的变化实现对不同频率噪声的吸收。
发明内容
本发明针对蜂窝-微穿孔结构吸声结构，利用伸缩杆原理设计了一种可调吸声性能的蜂窝-微穿孔结构，通过改变结构蜂窝芯层的高度，实现结构对不同频率噪声的吸收，有效地提高了单层蜂窝-微穿孔结构的吸声效果。
本发明解决其技术问题采用以下技术方案。
一种可调吸声性能的蜂窝-微穿孔结构，包括上面板与下面板及夹在上面板与下面板之间的蜂窝芯，所述上面板为微穿孔面板，所述蜂窝芯是可以伸缩的，所述蜂窝芯由下蜂窝芯和上蜂窝芯组成，上蜂窝芯的下端外径略大于下蜂窝芯的上端内径，通过控制上蜂窝芯拉出或缩入下蜂窝芯达到控制蜂窝芯高度的目的，从而控制背腔高度，改变结构共振频率，吸收不同频率的噪声。
优选的，所述下蜂窝芯为采用密排圆形排布。
优选的，下蜂窝芯的内壁设置成锥台形，下蜂窝芯的上端内径略小于下蜂窝芯的下端内径，上蜂窝芯外壁设置成锥台形，上蜂窝芯的上端直径略小于上蜂窝芯的下端直径。
优选的，上蜂窝芯的下端外壁直径略大于下蜂窝芯的上端内壁直径且下蜂窝芯的内壁表面的斜率和上蜂窝芯外壁表面的斜率相同。
一种可调吸声性能的蜂窝-微穿孔结构的设计方法，包括蜂窝夹层板，所述蜂窝夹层板由上面板与下面板及其中间的蜂窝芯组合构成，设计步骤如下：
第一步，根据马大猷院士的微穿孔板理论以及计算机模拟验证空腔高度的改变对于微穿孔的吸声效果的影响。
对于微穿孔板吸声结构，在声波垂直入射时的吸声系数为：
Figure BDA0002562552500000021
微穿孔吸声体在共振时吸声系数达到最大值，此时，最大吸声系数值为：
Figure BDA0002562552500000022
吸声系数达到最大的频率即共振频率f0满足：
2πf0m-cot(2πf0D/c)＝0 (3)
其中分别声阻r和声质量m分别为：
Figure BDA0002562552500000031
Figure BDA0002562552500000032
在以上各式中，k为穿孔板常数
Figure BDA0002562552500000033
μ为空气的运动黏度系数(1.48×10-5m2/s),t为板厚，d为穿孔直径，D为空腔高度，p为穿孔率，f为声音频率，板后空腔的声阻抗率为
ZD＝-jρccot(ωD/c) (7)
由上述理论公式可知，空腔高度D的变化，结构的共振频率f0会发生变化，即吸声系数α0的最大值对应的频率会发生改变，空腔高度D增大，即共振频率f0会向低频移动。即理论上改变微穿孔板空腔高度D就可以调节微穿孔板结构的吸声频率。
第二步，基于上述共振频率f0随空腔高度D的变化规律，设计一种可以调节背腔高度的蜂窝-微穿孔结构，结构采用密排圆形蜂窝芯，通过改变蜂窝芯的高度，达到改变板后空腔的声阻抗率的目的，从而实现对不同频率噪声的吸收。
本发明所述的可调吸声性能的蜂窝-微穿孔结构具有以下优点：
1、发明所述的蜂窝-微穿孔结构可以针对不同频率的噪声，通过改变背腔高度达到最佳的降噪效果；
2、发明所述的蜂窝-微穿孔结构制造简单，操作简单，在降噪领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是普通的密排圆形蜂窝微穿孔结构；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明的单个蜂窝芯胞元正视图；
图4是本发明的单个蜂窝芯胞元侧视图；
图5是本发明的单个蜂窝芯胞元俯视图；
图6是实施例中原蜂窝芯结构示意图；
图7是安装可伸缩蜂窝芯结构后收缩蜂窝芯结构示意图；
图8是安装可伸缩蜂窝芯结构后伸展蜂窝芯结构示意图；
图9是实施例仿真计算结果图；
图中：1.上面板，2.密排圆形蜂窝芯 3.下面板，4.下蜂窝芯，5.上蜂窝芯，6.蜂窝芯。
具体实施方法
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
如图1所示，一块普通的密排圆形蜂窝微穿孔由上面板1、密排圆形蜂窝芯2、下面板3构成，其中上面板为一定穿孔率的微穿孔板，蜂窝芯采用密排圆形结构，下面板为普通金属薄板。
本发明对普通的蜂窝芯夹层结构进行改进，将蜂窝芯结构设置成可伸缩的结构。
如图2至图5所示，一种可调吸声性能的蜂窝-微穿孔结构，包括上面板1与下面板3及夹在上面板1与下面板3之间的蜂窝芯6，所述上面板1为微穿孔面板，所述蜂窝芯6是可以伸缩的，所述蜂窝芯6由下蜂窝芯4和上蜂窝芯5组成，上蜂窝芯5的下端外径略大于下蜂窝芯4的上端内径，通过控制上蜂窝芯5拉出或缩入下蜂窝芯4达到控制蜂窝芯6高度的目的，从而控制背腔高度，改变结构共振频率，吸收不同频率的噪声。
作为优选的实施方案，所述下蜂窝芯4为采用密排圆形排布。
作为优选的实施方案，下蜂窝芯4的内壁设置成锥台形，下蜂窝芯4的上端内径略小于下蜂窝芯4的下端内径，上蜂窝芯5外壁设置成锥台形，上蜂窝芯5的上端直径略小于上蜂窝芯5的下端直径。
作为优选的实施方案，上蜂窝芯5的下端外壁直径略大于下蜂窝芯4的上端内壁直径且下蜂窝芯4的内壁表面的斜率和上蜂窝芯5外壁表面的斜率相同。
单个可伸缩的蜂窝芯胞元如图3、图4和图5所示。图3是单个可调吸声性能的蜂窝芯胞元正视图；图4是单个可调吸声性能的蜂窝芯胞元侧视图；图5是单个可调吸声性能的蜂窝芯胞元俯视图；其中蜂窝芯6类似鱼竿由下蜂窝芯4和上蜂窝芯5构成，下蜂窝芯4的内壁设置成锥台形，上端内径略小于下端内径，上蜂窝芯5外壁设置成锥台形，上端直径略小于下端直径，上蜂窝芯5的下端外壁直径略大于下蜂窝芯4的上端内壁直径且下蜂窝芯4的内壁表面的斜率应和上蜂窝芯5外壁表面的斜率相同。通过控制上蜂窝芯5是否从下蜂窝芯4中拉出便可吸收不同频率的噪音。
一种可调吸声性能的蜂窝-微穿孔结构的设计方法，包括如下步骤：
第一步，根据马大猷院士的微穿孔板理论以及计算机模拟验证空腔高度的改变对于微穿孔的吸声效果的影响，
对于微穿孔板吸声结构，在声波垂直入射时的吸声系数为：
Figure BDA0002562552500000051
微穿孔吸声体在共振时吸声系数达到最大值，此时，最大吸声系数值为：
Figure BDA0002562552500000052
吸声系数达到最大的频率即共振频率f0满足：
2πf0m-cot(2πf0D/c)＝0 (3)
其中分别声阻r和声质量m分别为：
Figure BDA0002562552500000061
Figure BDA0002562552500000062
在以上各式中，k为穿孔板常数
Figure BDA0002562552500000063
μ为空气的运动黏度系数(1.48×10-5m2/s),t为板厚，d为穿孔直径，D为空腔高度，p为穿孔率，f为声音频率，板后空腔的声阻抗率为
ZD＝-jρccot(ωD/c) (7)
由上述理论公式可知，空腔高度D的变化，结构的共振频率f0会发生变化，即吸声系数α0的最大值对应的频率会发生改变，空腔高度D增大，即共振频率f0会向低频移动，即理论上改变微穿孔板空腔高度D就可以调节微穿孔板结构的吸声频率；
第二步，基于上述共振频率f0随空腔高度D的变化规律，设计一种可以调节背腔高度的蜂窝-微穿孔结构，结构采用密排圆形蜂窝芯，通过改变蜂窝芯的高度，达到改变板后空腔的声阻抗率的目的，从而实现对不同频率噪声的吸收。
实施例：
单个可伸缩的蜂窝芯胞元如图3、图4和图5所示。其中蜂窝芯尺寸如下：下蜂窝芯4外径6mm，高度30mm，底端壁厚0.5mm，上端壁厚1mm；上蜂窝芯5内径4mm，高度30mm，底端壁厚1.04mm，上端壁厚0.54mm；本实施例计算原蜂窝芯结构(如图6所示)、安装可伸缩蜂窝芯结构后伸展蜂窝芯(如图8所示)和收缩蜂窝芯(如图7所示)的吸声系数。
首先计算原结构的吸声系数，原结构设置成直径29mm的的圆柱形以方便在阻抗管中进行测量，此时蜂窝芯的直径6mm，壁厚0.5mm，高度30mm，然后将蜂窝芯结构换成可伸缩的蜂窝芯分别测量伸展时和收缩时的吸声系数，蜂窝芯伸展时结构整体高度60mm，下蜂窝芯4和上蜂窝芯5高度均为30mm，但是避免上蜂窝芯5拉出，上蜂窝芯5的下端外径略大于下蜂窝芯4的上端内径，上蜂窝芯5拉出28mm时便不可再被拉出。面板1为微穿孔板，孔径0.5mm、穿孔率为3％、板厚为1mm，面板3为板厚1mm的薄板。
图9为三种结构的吸声效果，分别为未改变蜂窝芯的原结构(如图6所示)、改变蜂窝芯后伸展蜂窝芯结构(如图8所示)和收缩蜂窝芯结构(如图7所示)的测量结果。测量发现原结构的共振频率在1300Hz附近，将原结构蜂窝芯换成可伸缩的蜂窝芯结构，收缩蜂窝芯，此时共振频率基本无变化，当将蜂窝芯伸展开时，共振频率移动到800Hz附件，此时共振频率下降了500Hz，即结构吸声系数的峰值向低频移动500Hz，且结构具有较宽的吸声带宽。因此利用该结构，可针对不同频率的的噪音进行有效地吸收。
以上所述仅为本发明简单的的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种可调吸声性能的蜂窝-微穿孔结构，包括上面板(1)与下面板(3)及夹在上面板(1)与下面板(3)之间的蜂窝芯(6)，所述上面板(1)为微穿孔面板，其特征在于，所述蜂窝芯(6)是可以伸缩的，所述蜂窝芯(6)由下蜂窝芯(4)和上蜂窝芯(5)组成，上蜂窝芯(5)的下端外径略大于下蜂窝芯(4)的上端内径，通过控制上蜂窝芯(5)拉出或缩入下蜂窝芯(4)达到控制蜂窝芯(6)高度的目的，从而控制背腔高度，改变结构共振频率，吸收不同频率的噪声。
2.根据权利要求1所述的可调节吸声性能的蜂窝微穿孔结构，其特征在于，所述下蜂窝芯(4)为采用密排圆形排布。
3.根据权利要求1所述的可调节吸声性能的蜂窝微穿孔结构，其特征在于，下蜂窝芯(4)的内壁设置成锥台形，下蜂窝芯(4)的上端内径略小于下蜂窝芯(4)的下端内径，上蜂窝芯(5)外壁设置成锥台形，上蜂窝芯(5)的上端直径略小于上蜂窝芯(5)的下端直径。
4.根据权利要求3所述的可调节吸声性能的蜂窝微穿孔结构，其特征在于，上蜂窝芯(5)的下端外壁直径略大于下蜂窝芯(4)的上端内壁直径且下蜂窝芯(4)的内壁表面的斜率和上蜂窝芯(5)外壁表面的斜率相同。
5.一种可调吸声性能的蜂窝-微穿孔结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，根据马大猷院士的微穿孔板理论以及计算机模拟验证空腔高度的改变对于微穿孔的吸声效果的影响，
对于微穿孔板吸声结构，在声波垂直入射时的吸声系数为：
Figure FDA0002562552490000011
微穿孔吸声体在共振时吸声系数达到最大值，此时，最大吸声系数值为：
Figure FDA0002562552490000021
吸声系数达到最大的频率即共振频率f0满足：
2πf0m-cot(2πf0D/c)＝0 (3)
其中分别声阻r和声质量m分别为：
Figure FDA0002562552490000022
Figure FDA0002562552490000023
在以上各式中，k为穿孔板常数
Figure FDA0002562552490000024
μ为空气的运动黏度系数(1.48×10-5m2/s),t为板厚，d为穿孔直径，D为空腔高度，p为穿孔率，f为声音频率，板后空腔的声阻抗率为
ZD＝-jρccot(ωD/c) (7)
由上述理论公式可知，空腔高度D的变化，结构的共振频率f0会发生变化，即吸声系数α0的最大值对应的频率会发生改变，空腔高度D增大，即共振频率f0会向低频移动，即理论上改变微穿孔板空腔高度D就可以调节微穿孔板结构的吸声频率；
第二步，基于上述共振频率f0随空腔高度D的变化规律，设计一种可以调节背腔高度的蜂窝-微穿孔结构，结构采用密排圆形蜂窝芯，通过改变蜂窝芯的高度，达到改变板后空腔的声阻抗率的目的，从而实现对不同频率噪声的吸收。
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