CN113053343B - 一种基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构，属于复合声学超材料领域；包括穿孔板、切槽型波纹层芯、下面板、左斜框板、右斜框板、前框板和后框板，一方面，通过穿亚毫米至毫米级孔，吸声结构演变为具有空腔的穿孔吸声体；另一方面，在空腔内引入具有承载功能的波纹层芯，并将波纹层芯巧妙地进行双侧交错切槽，使背腔成为空间盘绕结构，使吸声体可以不增加总厚度而大大增强对低频噪声的吸收性能；本发明结构简单实用，具有较好的中低频段吸声性能以及独立承载能力，具有良好且广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于复合声学超材料领域，具体涉及一种基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构。
背景技术
中低频噪声具有很强的穿透能力，一直是舱室噪声污染的主要来源。目前，传统的吸声材料如多孔材料已经被证明能对中高频噪声(>1000Hz)进行有效地吸收；在低频范围内多采用微穿孔板吸声体，但该方式需要与波长相当的结构厚度才可实现，易受到空间制约。另一方面，现有的吸声超结构通常采用在空腔中插隔板的方法，如Long发表在AppliedPhysics Letters期刊中的文章Broadband near-perfect absorption of low-frequencysound by subwavelength metasurface所述，设计重点普遍是如何将吸声峰值向低频偏移，而未考虑结构的机械性能，故存在着无法独立承载的问题，这严重阻碍了其在实际工程中的应用。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构，采用可独立承载的穿孔夹层单元结构，实现低频吸声功能。在传统穿孔板吸声体的基础上，引入具有承载功能的波纹层芯，同时巧妙地对其进行双侧交错切槽，使背腔成为空间盘绕结构，使吸声体可以在不增加总厚度的前提下而大大增强对低频噪声的吸收性能。从而解决现有微穿孔吸声体的功能单一、无法独立承载、空腔体积偏大等问题。
本发明的技术方案是：一种基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构，其特征在于：包括倾斜式盒体、及设置于其内的多个切槽型波纹层芯；所述倾斜式盒体包括穿孔板、下面板、左斜框板、右斜框板、前框板和后框板，前框板和后框板相互平行且垂直固定于下面板的两个相对边缘处，左斜框板和右斜框板相互平行且倾斜固定于下面板的另两个相对边缘处，且左斜框板、前框板、右斜框板和后框板的相邻侧边缘固定连接与为下面板成一体结构；所述穿孔板平行于下面板，其4个边分别与左斜框板、前框板、右斜框板和后框板的上边缘固定，构成封闭式盒体；
所述穿孔板上开有若干亚毫米至毫米级孔，穿孔板朝向声源，下面板背向声源；
所述切槽型波纹层为矩形结构，多个切槽型波纹层的长边依次相连构成波状结构，其长边均垂直于前框板和后框板，与穿孔板和下面板构成多个截面为三角形的通道；切槽型波纹层的长边长度小于左斜框板，相邻切槽型波纹层错位连接，即三角形通道的一个切槽型波纹层的一侧短边与前框板固定连接，另一侧短边与后框板形成缺口，另一个切槽型波纹层的一侧短边与后框板固定连接，另一侧短边与前框板形成缺口，从而构成相互连通的弯折式空间通道。
本发明的进一步技术方案是：所述穿孔板上的亚毫米至毫米级孔的直径为0.50mm～3.00mm。
本发明的进一步技术方案是：所述穿孔板的总穿孔率为0.02％～0.36％。
本发明的进一步技术方案是：所述穿孔板、切槽型波纹层芯、下面板、左斜框板、右斜框板、前框板和后框板的厚度为0.30mm～1.00mm。
本发明的进一步技术方案是：所述穿孔板、切槽型波纹层芯、下面板、左斜框板、右斜框板、前框板和后框板的材质为铝或不锈钢。
本发明的进一步技术方案是：相邻所述切槽型波纹层芯的夹角为波纹夹角θ，取值范围为35°～80°；三角形通道内顶点到底边的距离为波纹高度h，取值范围为10.00mm～15.00mm，三角形通道内底边的距离为波纹跨度lb，取值范围为10.00mm～43.00mm。
本发明的进一步技术方案是：所述切槽型波纹层芯与前框板、后框板之间的缺口宽度为切槽深度lg，切槽深度lg与三角形通道截面积的水力直径相等。
本发明的进一步技术方案是：所述左斜框板与下面板的夹角为倾斜锐角，倾斜锐角与切槽型波纹层芯的波纹夹角θ相同。
本发明的进一步技术方案是：所述右斜框板与下面板的夹角为倾斜锐角，为倾斜锐角与切槽型波纹层芯的波纹夹角θ相同。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明的基于切槽型波层纹芯的空间弯折低频吸声超结构，包括穿孔板、切槽型波纹层芯、下面板、左斜框板、右斜框板、前框板和后框板；由穿孔板、下面板、左斜框板、右斜框板、前框板和后框板组成的倾斜式盒体、以及其内设置的切槽型波纹层芯构成一个元胞结构；
首先，通过亚毫米至毫米级孔，吸声结构演变为具有空腔的穿孔吸声体；其次，在空腔内引入波纹层芯，并将波纹层芯巧妙地进行双侧交错切槽形成缺口，使切槽型波纹层芯分别与穿孔板、下面板构成平行、互补的联通空间，使得吸声体可以不增加总厚度而大大增强对低频噪声的吸收性能；再者，本发明采用三角形截面通道，打破现有技术的方形截面通道，在元胞结构外形尺寸相等的情况下，可大幅度增加声波传播路径，降低其等效弹簧刚度，使吸收峰值更有效地向低频偏移；最后，传统的折叠背腔吸声超结构普遍采用在空腔中插隔板的方法，对整个元胞结构的机械性能考虑较少，本发明则针对此问题引入具有承载功能的波纹层芯，使其更适合在工程上应用。
依据实施例所述，峰值吸声频率可降低至133Hz，这与传统穿孔板吸声体相比，在整体外形尺寸(不含厚度)相等的情况下，元胞结构的厚度可降低约82.30％。总结而言，基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构形状简单、使用方便、吸声效果极佳，可独立承载并具有较高的比刚度和比强度，在低频噪声控制工程中具有良好的应用前景。下面通过附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例的三维结构示意图；x方向延长，可降低吸声波峰；z方向多个元胞结构并联，整体结构可以实现宽频吸声；
图2是本发明实施例的俯视图和A-A向剖视图；
图3是本发明实施例的吸声系数随频率变化的曲线。
附图标记说明：1、穿孔板；2、切槽型波纹层芯；3、下面板；4、左斜框板；5、右斜框板；6、前框板；7、后框板；8、亚毫米至毫米级孔。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图1展示了本发明的基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构的一个实施例的三维结构示意图，该吸声超结构包括穿孔板1、切槽型波纹层芯2、下面板3、左斜框板4、右斜框板5、前框板6和后框板7。
基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构包括穿孔板1、切槽型波纹层芯2、下面板3、左斜框板4、右斜框板5、前框板6和后框板7；穿孔板1和下面板3相互平行，左斜框板4和右斜框板5相互平行，同时与下面板3有一定的夹角，前框板6和后框板7相互平行，并与下面板3相垂直；穿孔板1朝向声源，下面板3背向声源，切槽型波纹层芯2位于穿孔板1和下面板3之间，并在z方向与左斜框板4和右斜框板5顺势相连，同时在x方向止于前框板6和后框板7，构成盘绕通道，左斜框板4、右斜框板5、前框板6和后框板7构成结构外框架，以上所有结构钎焊(或胶粘)在一起；穿孔板1上穿有亚毫米至毫米级孔8，波纹层芯为双侧交错切槽，实现通-堵交互，使得切槽型波纹层芯2分别与穿孔板1和下面板3构成平行、互补的联通空间，形成折曲迷宫通道。
所述穿孔板上的亚毫米至毫米级孔的直径为0.50mm～3.00mm。
所述穿孔板的总穿孔率为0.02％～0.36％。
所述穿孔板、切槽型波纹层芯、下面板、左斜框板、右斜框板、前框板和后框板的厚度为0.30mm～1.00mm。
所述穿孔板、波纹层芯、下面板、左斜框板、右斜框板、前框板和后框板的材质为铝或不锈钢等金属。
所述切槽型波纹层芯的波纹夹角(锐角)θ为35°～80°，波纹高度h为10.00mm～15.00mm，波纹跨度为lb10.00mm～43.00mm。
所述切槽型波纹层芯的切槽深度lg与通道截面积的水利直径相当。
所述左斜框板的倾斜锐角(与下面板的夹角)与切槽型波纹层芯的波纹夹角一致。
所述右斜框板的倾斜锐角(与下面板的夹角)与切槽型波纹层芯的波纹夹角一致。
图2展示了本发明实施例的俯视图和A-A向剖视图，元胞结构的外形尺寸为80.00mm×69.56mm×11.50mm。下面板3的厚度是1.00mm，穿孔板1、切槽型波纹层芯2、左斜框板4、右斜框板5、前框板6和后框板7的厚度都是0.50mm，穿孔板1和下面板3的边长均为80.00mm×61.51mm。切槽型波纹层芯2的波纹长度L为79.00mm，波纹高度h为10.00mm，波纹跨度(内尺寸)lb为14.00mm，波纹夹角θ为55°，切槽深度lg为7.30mm。左斜框板4和右斜框板5的边长均为80.00mm×14.04mm，倾斜锐角(与下面板3的夹角)与波纹夹角θ一致。前框板6和后框板7的边长均为61.51mm×14.04mm，并与下面板3垂直。穿孔板1上穿单个亚毫米至毫米级孔8，直径为2.50mm。
图3展示了本发明实施例的吸声系数随频率变化的曲线，本实施例的最高吸声系数接近于1，这与传统穿孔吸声体的性能持平。另外，由于切槽型波纹层芯与外框架通过槽口构成了联通的空间，大大增加了声波的传播长度，使得厚度H仅为11.50mm，而峰值吸声频率可降低至133Hz，这与传统穿孔板吸声体相比，在整体外形尺寸(不含厚度)相等的情况下，元胞结构的厚度可降低约82.30％。
在本实施例中，整个基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构的材质为铝合金。
在本实施例中，基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构不仅具有吸声性能，还具有较好的力学性能，即较高的比强度和比刚度，可以独立承载。
综上，通过在传统穿孔板吸声体的基础上，引入具有承载功能的波纹层芯，并巧妙地将其进行双侧交错切槽，使背腔成为空间盘绕结构，从而实现吸声体可以不增加总厚度而大大增强对低频噪声的吸收性能，极大地拓展了穿孔型吸声体的应用场景。
以上对本发明的特定实施例进行了说明，但本发明的保护内容不仅仅限定于以上实施例，在本发明的所述技术领域内，只要掌握基本理论，就可以在其技术要旨范围内进行多种多样的变换，如波纹层芯的通道截面形状不限于三角形，还包括梯形、圆弧形、余弦形等。凡依本发明所申请范围所作的变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构，其特征在于：包括倾斜式盒体、及设置于其内的多个切槽型波纹层芯；所述倾斜式盒体包括穿孔板、下面板、左斜框板、右斜框板、前框板和后框板，前框板和后框板相互平行且垂直固定于下面板的两个相对边缘处，左斜框板和右斜框板相互平行且倾斜固定于下面板的另两个相对边缘处，且左斜框板、前框板、右斜框板和后框板的相邻侧边缘固定连接与为下面板成一体结构；所述穿孔板平行于下面板，其4个边分别与左斜框板、前框板、右斜框板和后框板的上边缘固定，构成封闭式盒体；
所述穿孔板上开有若干亚毫米至毫米级孔，穿孔板朝向声源，下面板背向声源；
所述切槽型波纹层为矩形结构，多个切槽型波纹层的长边依次相连构成波状结构，其长边均垂直于前框板和后框板，与穿孔板和下面板构成多个截面为三角形的通道；切槽型波纹层的长边长度小于左斜框板，相邻切槽型波纹层错位连接，即三角形通道的一个切槽型波纹层的一侧短边与前框板固定连接，另一侧短边与后框板形成缺口，另一个切槽型波纹层的一侧短边与后框板固定连接，另一侧短边与前框板形成缺口，从而构成相互连通的弯折式空间通道。
2.根据权利要求1所述基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构，其特征在于：所述穿孔板上的亚毫米至毫米级孔的直径为0.50mm～3.00mm。
3.根据权利要求1所述基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构，其特征在于：所述穿孔板的总穿孔率为0.02％～0.36％。
4.根据权利要求1所述基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构，其特征在于：所述穿孔板、切槽型波纹层芯、下面板、左斜框板、右斜框板、前框板和后框板的厚度为0.30mm～1.00mm。
5.根据权利要求1所述基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构，其特征在于：所述穿孔板、切槽型波纹层芯、下面板、左斜框板、右斜框板、前框板和后框板的材质为铝或不锈钢。
6.根据权利要求1所述基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构，其特征在于：相邻所述切槽型波纹层芯的夹角为波纹夹角θ，取值范围为35°～80°；三角形通道内顶点到底边的距离为波纹高度h，取值范围为10.00mm～15.00mm，三角形通道内底边的距离为波纹跨度lb，取值范围为10.00mm～43.00mm。
7.根据权利要求1所述基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构，其特征在于：所述切槽型波纹层芯与前框板、后框板之间的缺口宽度为切槽深度lg，切槽深度lg与三角形通道截面积的水力直径相等。
8.根据权利要求1所述基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构，其特征在于：所述左斜框板与下面板的夹角为倾斜锐角，倾斜锐角与切槽型波纹层芯的波纹夹角θ相同。
9.根据权利要求1所述基于切槽型波纹层芯的空间弯折低频吸声超结构，其特征在于：所述右斜框板与下面板的夹角为倾斜锐角，为倾斜锐角与切槽型波纹层芯的波纹夹角θ相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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