CN113035166A - 一种通风吸声超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通风吸声超材料，是具有中空直管的双端口结构，根据不对称吸收的原理在中空直管的各个侧壁上分别设置各狭缝谐振器组；狭缝谐振器组是由各谐振器在沿声波入射方向上并联组成，谐振器由一个缝隙和与缝隙相连通的背腔所组成，缝隙的开口朝向中空直管的内腔；将目标吸声频段从高到低依次划分为各频段，各狭缝谐振器组在各中空直管的侧壁上一一对应进行设置，形成各吸声侧壁，由各吸声侧壁一一对应实现在各频段中的单向吸声，由此实现宽带连续的单向吸声和宽带双向隔声。

Description

一种通风吸声超材料
技术领域
本发明涉及吸声超材料，更具体地说是一种双端口不封闭的通风吸声超材料。
背景技术
严重的噪音会降低工作效率，影响生活品质。随着社会发展，传统的自然界材料逐渐无法满足日常生产生活对控制噪音的不同需求。声学超材料应运而生，并以声学超材料衍生了一系列性能优越的吸声结构，比如：通过穿孔板和盘绕背腔组成的吸收器，穿孔蜂窝波纹复合芯的轻质夹芯板，膜吸收器以及Fabry-perot式吸收器，这些吸声超材料大多数已经可以实现亚波长的窄带吸收。此外，吸声超材料也在吸声频带拓宽上做了许多有意义的工作，比如，在穿孔复合亥姆霍兹谐振器(PCHR)单元中引入多阶吸收峰的吸收器、通过强耦合实现宽带吸收等等。
现有技术中的吸声超材料大多数有密封的硬壁作为背板，用于消除传输，为刚性壁单端口系统；各种膜类超材料虽然没有使用密封硬壁作为背板，但薄膜本身阻隔了气流的自由流通，实质也是单端口系统。但是，在日常生活和工业生产的实际应用中，噪音的产生大多来自于背景流体的流通，比如：空调通风管道、喷嘴和涡轮机；为了保证这类设备装置的正常工作，流体必须具有自由通过的传输通道，即双端口系统，吸声材料在双端口系统的吸收率通常不能超过50％，更难以实现宽带的有效吸声。
已有采用两个亥姆霍兹谐振器(HR)齐平安装在导管一侧，实现窄带的单向吸收；也有使用不对称的膜类材料装在管道侧壁，实现多个吸收峰和隔声峰；还有通过相同的亥姆霍兹谐振器(HR)积累腔体共振实现吸收；以及在管道侧壁四周设置不同的穿孔板板块实现宽带吸声。但针对管道的宽带吸声器的具体实现存在如下技术问题：
1、非对称谐振器对的吸声需要详细设计一对谐振器的每个结构参数，这对于宽频带的管道吸声设计不仅工作量巨大，而且独立评估设计的各谐振器可能会由于相互耦合而导致组合使用后总体吸声性能减弱；
2、现有技术中的侧壁吸声器均设置在管道单侧侧壁上，一旦沿管道四周侧壁周向放置工作频带相近的窄带单向吸声侧壁，则几组侧壁结构的弱耦合会大大削弱在工作频带交界处的吸声效果。如果管壁四周皆安装吸声器，为了避免这种弱耦合，便只能使几组吸声器的工作频率彼此远离，实现多频的单向吸声峰，且吸声峰不连续；
3、由上导致周向放置的侧壁吸声器无法完全覆盖到目标吸声频段的所有频率，因此，管道的吸声结构空间被局限在了管道单侧；若要实现工作频率连续的单向宽频吸声系数不小于0.9的吸声效果，则必须加长管道，且设置更多的吸声器。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种具有中空直管的双端口结构的通风吸声超材料，以实现宽带连续的单向吸声和宽带双向隔声。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明通风吸声超材料的特点是：
所述通风吸声超材料是具有中空直管的双端口结构，针对所述双端口结构实现宽带连续的单向吸声和宽带双向隔声；
所述通风吸声超材料是根据不对称吸收的原理在所述中空直管的各个侧壁上分别设置各狭缝谐振器组；
所述狭缝谐振器组是由各谐振器在沿声波入射方向上并联组成，所述谐振器由一个缝隙和与所述缝隙相连通的背腔所组成，所述缝隙的开口朝向中空直管的内腔；
各狭缝谐振器组的参数设置：将目标吸声频段从高到低依次划分为各频段Ai，分别是第一频段A1，第二频段A2，…，第n频段An，i＝1，2，…，n；n为狭缝谐振器组的组数，亦为中空直管的侧壁数量，n个狭缝谐振器组在n个中空直管的侧壁上一一对应进行设置，形成n个吸声侧壁Bi，即第一吸声侧壁B1，第二吸声侧壁B2，…，第n吸声侧壁Bn，各吸声侧壁Bi一一对应实现在各频段Ai中的单向吸声；
各谐振器的参数设置：
针对n个不同狭缝谐振器组，所有谐振器的缝隙高度均相同，所有谐振器的背腔高度均相同；所述缝隙高度是指缝隙在沿中空直管的第一端朝向第二端的方向上的尺寸，所述背腔高度是指背腔在沿中空直管的第一端朝向第二端的方向上的尺寸；
针对同一狭缝谐振器组，所有谐振器之间仅仅在背腔厚度上有所不同，其它各参数在各谐振器之间均为相同；所述背腔厚度上有所不同是指：在沿中空直管的第一端朝向第二端的方向上的各谐振器中，背腔厚度按照给定的步长逐一增加，实现在各频段Ai中的单向吸声并实现双向隔声；所述背腔厚度是指背腔在沿吸声侧壁厚度方向上的尺寸。
本发明通风吸声超材料的特点也在于：
在沿中空直管的第一端朝向第二端的方向上，各吸声侧壁上狭缝谐振器组的位置布置为：
第一吸声侧壁B1上狭缝谐振器组中的第一谐振器距离第一端口最近；
第二吸声侧壁B2上狭缝谐振器组中的第一谐振器的中心与第一吸声侧壁B1上狭缝谐振器组中的第三谐振器的中心对齐；
第i+1吸声侧壁Bi+1上狭缝谐振器组中的第一谐振器的中心与第i吸声侧壁Bi上狭缝谐振器组中的第三谐振器的中心对齐；
第n吸声侧壁Bn上狭缝谐振器组中的第一谐振器的中心与第n-1吸声侧壁Bn-1上狭缝谐振器组中的第三谐振器的中心对齐。
本发明通风吸声超材料的特点也在于：
所述中空直管是断面为n边形的直管，具有n吸声侧壁；将目标吸声频段从高频到低频依次划分为n个频段，各吸声侧壁Bi一一对应实现在各吸声频段Ai中的单向吸声；
设置n个吸声侧壁的结构形式分别为：
第n吸声侧壁Bn由m只谐振器并联组成，m不小于2，实现在频段An的吸声效果；
第n-1吸声侧壁Bn-1由m+2只谐振器并联组成，实现在频段An-1的吸声效果；
第i吸声侧壁Bi由m+2×(n-i)只谐振器并联组成，实现在频段Ai的吸声效果。
与已有技术相比，本发明优势体现在：
1、本发明突破了管腔中吸声结构被局限在单侧的限制，充分利用管腔周向侧壁空间。当声波从一端入射，能够有效避免各周向各侧壁吸声结构弱耦合，各吸声壁工作频带交界处的吸声系数达到0.9以上，针对有限长度的直管腔实现了较之单侧级联吸声器更宽带、且吸声系数不小于0.9的吸声效果，将吸声覆盖到目标吸声频段的所有频率；
2、本发明中吸声超材料为双端口系统的单向吸声结构，吸声侧壁厚度皆远小于其工作频段的声波的波长，以紧凑结构实现了涵盖频段A1，第二频段A2，…，第n频段An的宽带范围的吸声和隔声；
3、本发明经验证的中空直管的管道开口面积为100mm×100mm，具有高效通风机制，克服了双端口系统中吸声系数通常不能超过0.5的问题。尤其适用在双端口场合的降噪以及消除声反射。当声波从第一端口入射时，由于谐振器背腔厚度薄，且各谐振器之间有差异的结构参数只有背腔厚度，因此如果吸声侧壁中任意一对谐振器放在相同内边长的管道侧壁，最高吸声系数无法达到0.9，但是如此累加这种设计工作量小，且背腔厚度薄的谐振器，可以在并联组合后由于相干耦合表现出总体上的更宽频且吸声系数不小于0.9的高效吸收效果；
4、本发明中参数的调整量更少，更加易于设计；利用非对称吸收的原理，设置一排并联谐振器作为管道的一个侧壁，这列谐振器的其他结构参数相同，只需通过调整这列谐振器的背腔厚度这一个参数，使其沿着声波入射方向按照给定的步长递增，形成梯度渐变的谐振器阵列，即可达到声波单向入射时一段宽频的吸声系数不小于0.9的吸声效果。相比之中，已有的非对称谐振器对的吸声系数不小于0.9的吸声效果需要详细设计一对谐振器的每个结构参数，这对于宽频带的管道吸声设计而言工作量巨大，且独立评估设计的各谐振器可能会由于相互耦合而导致组合使用后总体吸声性能减弱，反而不能在目标频带实现良好的吸声效果，本发明很好的解决了这个问题。
附图说明
图1为本发明中通风吸声超材料结构示意图；
图2为本发明中吸声侧壁的结构示意图；
图3为图2所述吸声侧壁的剖视结构示意图；
图4为图2所述吸声侧壁的另一方向剖视结构示意图；
图5为一侧设有B1的内边长为100mm的方管的仿真吸声系数图；
图6为一侧设有B2的内边长为100mm的方管的仿真吸声系数图；
图7为一侧设有B3的内边长为100mm的方管的仿真吸声系数图；
图8为一侧设有B4的内边长为100mm的方管的仿真吸声系数图；
图9为图1所示通风吸声超材料的吸声系数仿真效果图；
图10为本实施例中的传输损耗仿真效果图；
具体实施方式：
本实施例中的通风吸声超材料是具有中空直管的双端口结构，针对双端口结构实现宽带连续的单向吸声和宽带双向隔声。
将通风吸声超材料中的双端口分别定义为第一端口和第二端口，则本实施例中宽带连续单向吸声是指：当平面声波垂直入射于中空直管的第一端口时，能够获得在260Hz-826Hz范围内吸声系数不小于0.9的吸声效果；而当平面声波垂直入射于中空直管的第二端口时，无法获得这种吸声效果；即为单向吸声；宽带双向隔声是指：当平面声波垂直入射于中空直管的任意一个端口时，能够在260Hz-855Hz范围内实现双向隔声；吸声系数共同体现了反射和透射导致的能量损失，吸声系数等于0.9，意味着反射系数和传输系数之和等于0.1。
本实施例中通风吸声超材料是根据不对称吸收的原理在中空直管的各个侧壁上分别设置各狭缝谐振器组；狭缝谐振器组是由各谐振器在沿声波入射方向上并联组成，谐振器由一个缝隙和与缝隙相连通的背腔所组成，缝隙的开口朝向中空直管的内腔，为保证缝隙的热粘效应，本实施例中的缝隙宽度可以设置为不大于2mm。
关于各狭缝谐振器组和各谐振器的参数设置：
各狭缝谐振器组的参数设置：将目标吸声频段从高到低依次划分为各频段Ai，分别是第一频段A1，第二频段A2，…，第n频段An，i＝1，2，…，n；n为狭缝谐振器组的组数，亦为中空直管的侧壁数量，n个狭缝谐振器组在n个中空直管的侧壁上一一对应进行设置，形成n个吸声侧壁Bi，即第一吸声侧壁B1，第二吸声侧壁B2，…，第n吸声侧壁Bn，各吸声侧壁Bi一一对应实现在各频段Ai中的单向吸声。
各谐振器的参数设置：
针对n个不同狭缝谐振器组，所有谐振器的缝隙高度均相同，所有谐振器的背腔高度均相同；缝隙高度是指缝隙在沿中空直管的第一端朝向第二端的方向上的尺寸，背腔高度是指背腔在沿中空直管的第一端朝向第二端的方向上的尺寸。
针对同一狭缝谐振器组，所有谐振器之间仅仅在背腔厚度上有所不同，其它各参数在各谐振器之间均为相同；背腔厚度上有所不同是指：在沿中空直管的第一端朝向第二端的方向上的各谐振器中，背腔厚度按照给定的步长逐一增加，以此形成单向梯度结构，能够有效且有针对性地减少相应方向的反射噪声，实现在各频段Ai中的单向吸声，而具有不同共振频率的狭缝谐振器保证了涵盖这些频率的宽带范围的隔声，且无方向限制，实现双向隔声；背腔厚度是指背腔在沿吸声侧壁厚度方向上的尺寸。
在沿中空直管的第一端朝向第二端的方向上，各吸声侧壁上狭缝谐振器组的位置布置为：
第一吸声侧壁B1上狭缝谐振器组中的第一谐振器距离第一端口最近。
第二吸声侧壁B2上狭缝谐振器组中的第一谐振器的中心与第一吸声侧壁B1上狭缝谐振器组中的第三谐振器的中心对齐。
第i+1吸声侧壁Bi+1上狭缝谐振器组中的第一谐振器的中心与第i吸声侧壁Bi上狭缝谐振器组中的第三谐振器的中心对齐。
第n吸声侧壁Bn上狭缝谐振器组中的第一谐振器的中心与第n-1吸声侧壁Bn-1上狭缝谐振器组中的第三谐振器的中心对齐。
具体实施中，中空直管可以是断面为n边形的直管，具有n吸声侧壁；将目标吸声频段从高频到低频依次划分为n个频段，各吸声侧壁Bi一一对应实现在各吸声频段Ai中的单向吸声；设置n个吸声侧壁的结构形式分别为：
第n吸声侧壁Bn由m只谐振器并联组成，m不小于2，实现在频段An的吸声效果；
第n-1吸声侧壁Bn-1由m+2只谐振器并联组成，实现在频段An-1的吸声效果；
第i吸声侧壁Bi由m+2×(n-i)只谐振器并联组成，实现在频段Ai的吸声效果。
图1所示结构的中空直管是断面呈矩形的矩形直管，具有四个吸声侧壁，第一吸声侧壁B1、第二吸声侧壁B2、第三吸声侧壁B3和第四吸声侧壁B4围成了内腔边长D为100mm的中空直方管，声波自下而上经第一端口垂直入射到矩形直方管的内腔，图1所示结构可一体化成型，或分别制作各吸声侧壁之后密封粘贴合而成，材料选择为光敏树脂，采用3D打印成型。
图2所示为吸声侧壁Bi的三维结构，以第一端口朝向第二端口的方向为y轴正方向，以吸声侧壁厚度的方向为x轴向，以吸声侧壁宽度的方向为z轴向；图3为图2所示吸声侧壁的XOY面结构示意；图4为图2所示吸声侧壁的ZOY面结构示意；将吸声侧壁Bi中沿y轴正方向的第j个谐振器记为Ri，j，谐振器Ri，j由狭缝Si，j和背腔Qi，j组成，图3和图4分别示意了狭缝Si，j和背腔Qi，j的结构形式；在同一吸声侧壁上，各谐振器其它各参数均相同，仅在背腔厚度上按照给定的步长bi增加，背腔厚度是指背腔在X轴向上的尺寸，各相关尺寸包括：
狭缝Si，j在沿Z轴上的尺寸为狭缝宽度，记为Szi，j；
狭缝Si，j在沿X轴上的尺寸为狭缝厚度，记为Sxi，j；
狭缝Si，j在沿Y轴上的尺寸为狭缝高度，记为Syi，j；
背腔Qi，j在沿Z轴上的尺寸为背腔宽度，记为Qzi，j；
背腔Qi，j在沿X轴上的尺寸为背腔厚度，记为Qxi，j；
背腔Qi，j在沿Y轴上的尺寸为背腔高度，记为Qyi，j；
在Y轴向上下相邻两个吸声侧壁的背腔之间存在有隔板，隔板在沿Y轴上的尺寸为隔板厚度t，本实施例中t取值为2mm。
本实施例中针对图1所示结构设置：第一吸声侧壁B1中的狭缝谐振器组是由20只谐振器组成；第二吸声侧壁B2中的狭缝谐振器组是由18只谐振器组成；第三吸声侧壁B3中的狭缝谐振器组是由16只谐振器组成；第四吸声侧壁B4中的狭缝谐振器组是由14只谐振器组成；并设置如下各相关尺寸：
在第一吸声侧壁B1中：i＝1；j取值为1-20；
Sx1，j＝6mm；Sy1，j＝1mm；Sz1，j＝96mm；b1＝0.6mm；
Qx1，1＝14mm；Qx1，j＝Qx1，1+(j-1)×b1；Qy1，j＝24mm；
Qz1，j＝Sz1，j+2×t＝100mm；
第一吸声侧壁B1能够实现660-826Hz内吸声系数不小于0.9的吸声效果；
在第二吸声侧壁B2中：i＝2；j取值为1-18；
Sx2，j＝7mm；Sy2，j＝1mm；Sz2，j＝96mm；b2＝1mm；
Qx2，1＝19mm；Qx2，j＝Qx2，1+(j-1)×b2；Qy2，j＝24mm；
Qz2，j＝Sz2，j+2×t＝100mm；
第二吸声侧壁B2能够实现524-684Hz内吸声系数不小于0.9的吸声效果；
在第三吸声侧壁B3中：i＝3；j取值为1-16；
Sx3，j＝8mm；Sy3，j＝1mm；Sz3，j＝96mm；b3＝1.5mm；
Qx3，1＝16mm；Qx3，j＝Qx3，1+(j-1)×b3；Qy3，j＝24mm；
Qz3，j＝Sz3，j+2×t+Qx2，18+Qx1，20+Sx1，j+Sx2，j＝174.4mm；
第三吸声侧壁B3能够实现357-516Hz内吸声系数不小于0.9的吸声效果；
在第四吸声侧壁B4中：i＝4；j取值为1-14
Sx4，j＝10mm；Sy4，j＝1mm；Sz4，j＝96mm；b4＝2.5mm；
Qx4，1＝32mm；Qx4，j＝Qx4，1+(j-1)×b4；Qy4，j＝24mm；
Qz4，j＝Sz4，j+2×t+Qx2，18+Qx1，20+Sx1，j+Sx2，j＝174.4mm；
第四吸声侧壁B4能够实现254-325Hz内吸声系数不小于0.9的吸声效果；
具体实施中，中空直管可以设置为不同的内腔形状，根据具体的应用与内腔为矩形、圆形或多边形等各种形状的管道进行适配。
为验证本发明有效性，将本实施例中各吸声侧壁B1、B2、B3和B4分别设置为内边长为100mm的中空直方管的某一侧壁，采用商业仿真软件进行仿真模拟，将入射声波设为平面波，从中空直方管的第一端口入射，中空直方管内部空气域为压力声学频域，吸声侧壁的内部空气域设置为热粘性声学频域，计算步长设置为1Hz。
图5所示是在内腔边长为100mm的中空直管中单一设置第一吸声侧壁B1仿真获得其吸声系数曲线，第一吸声侧壁B1在660-826Hz实现了吸声系数不小于0.9的吸声效果。
图6所示是在内腔边长为100mm的中空直管中单一设置第二吸声侧壁B2仿真获得其吸声系数曲线，第二吸声侧壁B2在524-684Hz实现了吸声系数不小于0.9的吸声效果。
图7所示是在内腔边长为100mm的中空直管中单一设置第三吸声侧壁B3仿真获得其吸声系数曲线，第三吸声侧壁B3在357-516Hz实现了吸声系数不小于0.9的吸声效果。
图8所示是在内腔边长为100mm的中空直管中单一设置第四吸声侧壁B4仿真获得其吸声系数曲线，第四吸声侧壁B4在254-325Hz实现了吸声系数不小于0.9的吸声效果。
在图5、图6、图7和图8中，纵坐标为吸声系数，横坐标为频率。
图9所示是由第一吸声侧壁B1、第二吸声侧壁B2、第三吸声侧壁B3和第四吸声侧壁B4构成的图1所示结构的吸声系数曲线，其纵坐标为吸声系数，横坐标为频率；图9中曲线a和曲线b分别为仿真结果和实验结果；图9可见，通风吸声超材料在260-826Hz实现了吸声系数不小于0.9的吸声效果。
图10所示是由第一吸声侧壁B1、第二吸声侧壁B2、第三吸声侧壁B3和第四吸声侧壁B4构成的图1所示结构的传输损耗曲线的仿真结果，其纵坐标为传输损耗值，横坐标为频率，图10中曲线a和曲线b分别为声波从第一端口入射和声波从第二端口入射时传输损耗曲线，由图10可见，通风吸声超材料在260-826Hz其实现了双向隔声。

Claims (3)

1.一种通风吸声超材料，其特征是：
所述通风吸声超材料是具有中空直管的双端口结构，针对所述双端口结构实现宽带连续的单向吸声和宽带双向隔声；
所述通风吸声超材料是根据不对称吸收的原理在所述中空直管的各个侧壁上分别设置各狭缝谐振器组；
所述狭缝谐振器组是由各谐振器在沿声波入射方向上并联组成，所述谐振器由一个缝隙和与所述缝隙相连通的背腔所组成，所述缝隙的开口朝向中空直管的内腔；
各狭缝谐振器组的参数设置：将目标吸声频段从高到低依次划分为各频段Ai，分别是第一频段A1，第二频段A2，…，第n频段An，i＝1，2，…，n；n为狭缝谐振器组的组数，亦为中空直管的侧壁数量，n个狭缝谐振器组在n个中空直管的侧壁上一一对应进行设置，形成n个吸声侧壁Bi，即第一吸声侧壁B1，第二吸声侧壁B2，…，第n吸声侧壁Bn，各吸声侧壁Bi一一对应实现在各频段Ai中的单向吸声；
各谐振器的参数设置：
针对n个不同狭缝谐振器组，所有谐振器的缝隙高度均相同，所有谐振器的背腔高度均相同；所述缝隙高度是指缝隙在沿中空直管的第一端朝向第二端的方向上的尺寸，所述背腔高度是指背腔在沿中空直管的第一端朝向第二端的方向上的尺寸；
针对同一狭缝谐振器组，所有谐振器之间仅仅在背腔厚度上有所不同，其它各参数在各谐振器之间均为相同；所述背腔厚度上有所不同是指：在沿中空直管的第一端朝向第二端的方向上的各谐振器中，背腔厚度按照给定的步长逐一增加，实现在各频段Ai中的单向吸声并实现双向隔声；所述背腔厚度是指背腔在沿吸声侧壁厚度方向上的尺寸。
2.根据权利要求书1所述的通风吸声超材料，其特征是：
在沿中空直管的第一端朝向第二端的方向上，各吸声侧壁上狭缝谐振器组的位置布置为：
第一吸声侧壁B1上狭缝谐振器组中的第一谐振器距离第一端口最近；
第二吸声侧壁B2上狭缝谐振器组中的第一谐振器的中心与第一吸声侧壁B1上狭缝谐振器组中的第三谐振器的中心对齐；
第i+1吸声侧壁Bi+1上狭缝谐振器组中的第一谐振器的中心与第i吸声侧壁Bi上狭缝谐振器组中的第三谐振器的中心对齐；
第n吸声侧壁Bn上狭缝谐振器组中的第一谐振器的中心与第n-1吸声侧壁Bn-1上狭缝谐振器组中的第三谐振器的中心对齐。
3.根据权利要求书1所述的通风吸声超材料，其特征是：
所述中空直管是断面为n边形的直管，具有n吸声侧壁；将目标吸声频段从高频到低频依次划分为n个频段，各吸声侧壁Bi一一对应实现在各吸声频段Ai中的单向吸声；
设置n个吸声侧壁的结构形式分别为：
第n吸声侧壁Bn由m只谐振器并联组成，m不小于2，实现在频段An的吸声效果；
第n-1吸声侧壁Bn-1由m+2只谐振器并联组成，实现在频段An-1的吸声效果；第i吸声侧壁Bi由m+2×(n-i)只谐振器并联组成，实现在频段Ai的吸声效果。
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