CN113192480A - 一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明属于低频噪声控制的声学超材料技术领域，提供一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其结构单元包括n层穿孔板、n层卷绕通道层和一层封闭板，穿孔板与卷绕通道层交替放置，最后放置一层封闭板构成超材料整体结构。该结构通过延长声波传播的距离，降低声波传播的有效相速度，利用卷绕通道的热粘性耗散声能，实现亚波长吸声。本发明设计的一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其框架结构采用硬边界材料，超材料模型具有重量轻、尺寸小的特点，可以实现对低频噪声的有效控制。

Description

一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料
技术领域
本发明属于低频噪声控制的声学超材料技术领域，具体涉及一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料。
背景技术
随着科学技术的不断进步，舰船制造业获得了巨大发展，舰船的高速化、大型化及轻质化使得噪声问题比过去更加突出。舰船的整体结构、局部结构中大量应用了板、加筋板等加强结构，在机械外力激励作用下，产生振动，从而引起辐射噪声。在舰船性能方面，过大的辐射噪声不仅容易被敌方探测发现，而且会影响船体自身声纳系统的作用距离和精度，降低自身的隐身性能。在舒适性和环保方面，辐射噪声不仅会对船上工作人员工作生活环境的舒适性产生很大的影响，而且会影响海洋生物的生存环境。所以，对低频噪声进行有效控制逐渐成为人们最为关注的问题之一。
低频噪声具有穿透能力强，衰减慢的特点，传统的复合板、岩棉、泡棉等声学材料由于质量密度定律的限制，只能通过增加材料体积对低频噪声进行控制，因此针对空间有限的结构，使用传统声学材料很难在实际工程中实现对低频噪声的有效控制。
声学超材料是经设计后具有自然界常见材料所不具备的声波操控功能的人工材料，通过对其材料、结构属性进行设计，可以在低频范围内表现优异的亚波长吸隔声性能。本发明将自相似分形理论、穿孔板和盘绕型通道相结合，设计出一种自相似分形的盘绕型声学超材料结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其能在低频范围内实现有效吸声。
本发明的技术方案：
一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，主要由n层穿孔板1，n层卷绕通道层2和一层封闭板3组成，穿孔板1与卷绕通道层2交替放置，最后放置一层封闭板3构成盘绕型声学超材料整体结构；卷绕通道层基于希尔伯特分形设计，构成希尔伯特m阶自相似分形卷绕通道；盘绕型声学超材料采用硬边界材料制备，声波由第一层穿孔板1传入盘绕型声学超材料内部，并沿自相似分形卷绕通道传播，通过延长声波传播的距离，降低声波传播的有效相速度，利用卷绕通道的热粘性耗散声能，实现吸声。
所述盘绕型声学超材料结构各层穿孔板1的穿孔必须与卷绕通道层2的卷绕通道连接贯通。
所述穿孔板1的开口形状为圆形、方形、椭圆形、三角形、不规则形状中的一种或组合。
将希尔伯特自相似分形理论应用于卷绕通道层2的设计理念中，当卷绕通道层2应用m阶分形时就构成了m阶自相似分形的盘绕型声学超材料。
该盘绕型声学超材料的吸声峰位置、吸声性能由卷绕通道层2的长度、宽度、高度确定，可以满足不同条件下的吸声需求。
该盘绕型声学超材料，具体尺寸参数可调，根据吸声的具体要求进行调节，以满足不同环境下的吸声需求。
该盘绕型声学超材料，结构层数可调，可根据具体的吸声要求，调节卷绕通道层和穿孔板层的层数，以满足不同的吸声需求。
该盘绕型声学超材料，卷绕通道层2分形阶数可调，可根据具体的吸声要求，调节卷绕通道层的希尔伯特自相似分形阶数，以满足不同的吸声需求。
本发明的有益效果：
本发明设计的一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其超材料结构采用硬边界材料，利用卷绕通道的热粘性耗散声能，实现亚波长吸声，与传统声学材料相比，尺寸小，重量轻。
将所设计的超材料结构各层组合为整体模型结构后，经发明人测试，超材料具有多个吸声峰，且随着卷绕通道层2自相似分形阶数的增加，吸声峰数量成倍增加。
该声学超材料还可以通过改变结构参数，改变吸声峰的位置，进而调节和改善结构的吸声效果。
该声学超材料还可以通过增加卷绕通道层2的层数，使吸声峰的中心频率大幅向低频移动，实现对低频噪声的有效控制。
本发明所述声学超材料单个单元结构就可以实现对低频噪声的有效控制，可通过单胞结构的周期性排列，满足实际工程的尺寸需求，提高了结构布置效率和整体稳定性。可广泛应用于工程结构和设备等领域。
附图说明
图1为该设计一实施例整体模型结构图。
图2为该设计一实施例模型结构内部图。
图3为该设计一实施例1阶自相似分形卷绕通道图。
图4为该设计一实施例2阶自相似分形卷绕通道图。
图5为该设计一实施例3阶自相似分形卷绕通道图。
图6为该设计一实施例模型结构在COMSOL Multiphysics5.4中的有限元单胞仿真模型图。
图7为该设计一实施例模型结构在卷绕通道层2分别采用1阶，2阶，3阶卷绕通道，建立相应的1阶，2阶，3阶自相似分形盘绕型声学超材料有限元模型后进行吸声性能分析所得的吸声系数曲线图。
图8所述该设计一实施例2阶自相似分形模型结构在保持其他参数不变，卷绕通道宽度为3mm、4mm、5mm时进行吸声性能分析所得的吸声系数曲线图。
图9所述该设计一实施例2阶自相似分形模型结构在保持其他参数不变，卷绕通道厚度为10mm、11mm、12mm时进行吸声性能分析所得的吸声系数曲线图。
图10所述该设计一实施例3阶自相似分形模型结构在保持参数不变，增加1层卷绕通道层2和1层穿孔板后进行吸声性能分析所得的吸声系数曲线图。
图中：1穿孔板；2卷绕通道层；3封闭板；4完美匹配层；5背景压力场；6压力声学域；7固体力学模块；8热粘性声学模块。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，选取1阶、2阶、3阶分形整体结构7层声学超材料和3阶分形整体结构9层超材料结构实施例进行详细说明，但是本发明的保护并不局限于所述实施例。
图1所示为本发明所述一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料的一种实施方式。
本发明是在整体模型结构内部构建复杂的自相似盘绕型通道，利用通道的热粘性耗散声能，从而在低频范围内实现良好的吸声效果。
图1为所述声学超材料的整体模型结构，包括穿孔板1、卷绕通道层2和封闭板3。
图2为所述声学超材料模型结构的拆解图，其1、3、5层穿孔板层厚度a＝5mm，2、4、6层卷绕通道层厚度b＝10mm，第7层封闭板层a＝5mm。
图3为所述声学超材料模型结构的1阶自相似分形卷绕通道图，其中通道宽度c＝5mm，超材料模型结构各层均为边长d＝105mm的正方形。
图4为所述声学超材料模型结构的2阶自相似分形卷绕通道图，其中通道宽度c＝5mm。
图5为所述声学超材料模型结构的3阶自相似分形卷绕通道图，其中通道宽度c＝5mm。
图6为该设计一实施例模型结构在COMSOL Multiphysics5.4中的有限元单胞仿真模型图，包括完美匹配层4，背景压力场5，压力声学域6，固体力学模块7，热粘性声学模块8。
为了进一步理解本发明，对图6所描述的超材料模型结构仿真模型进行有限元仿真研究，以获取其吸声性能。
其中该仿真模型框架结构的材料为American red oak[杨氏模量E＝12.4GPa；泊松比0.30；密度ρ＝630kg/m3]。
在大型商业软件COMSOL Multiphysics5.4中运用声固耦合、热粘性固体耦合、声热粘性耦合模块进行计算。其中设置超材料结构为固体力学模块7，仿真模型两侧为完美匹配层4，模型结构内部施加背景压力场5，模型结构内部空气域为热粘性声学模块8，模型结构外部空气域为压力声学域6；将该模型的边界条件设置为周期性边界条件，以准确模拟该声学超材料在工程应用中的实际大小和安装条件。
对不同的几何域设置不同的物理场模块，所以该声学超材料的有限元模型主要包括三种类型的单元：空气层组成的流体单元；框架结构组成的固体单元；流体与结构在界面处的流固耦合单元。设置了不同的物理场，该有限元软件会自动将不同的物理场进行耦合计算。
当平面声波从背景压力场5垂直入射进入超材料模型结构，入射中的一部分声能进入结构内部并被吸收，另一部分则被完美匹配层4吸收。完美匹配层4消除了边界反射对计算结果的影响，使得计算结果更加准确。
在声波传播过程中，这部分被超材料模型结构吸收的声能与入射声能之比即为吸声系数，对各实施例进行吸声系数分析。
定义背景压力场5入射声压幅值为1Pa，频率扫描范围为10-1600Hz。可得1阶、2阶、3阶自相似分形盘绕型超材料模型结构在该频段范围内的吸声系数曲线图如图7所示。
由图7可知，在10-1600Hz频带，一阶自相似分形盘绕型声学超材料具有3个吸声峰，中心频率处于214Hz，725Hz，1013Hz，二阶自相似分形盘绕型声学超材料具有7个吸声峰，中心频率位于119Hz，359Hz，591Hz，833Hz，1077Hz，1291Hz，1562Hz，三阶自相似分形盘绕型声学超材料具有12个吸声峰，中心频率位于69Hz，212Hz，352Hz，485Hz，627Hz，760Hz，905Hz，1046Hz，1175Hz，1319Hz，1460Hz，1576Hz，可知所设计的超材料具有良好的吸声性能。
图8所示为本发明所述一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，当超材料卷绕通道层2为2阶自相似分形时，建立2阶自相似分形盘绕型声学超材料模型结构，并保持其他参数不变，改变卷绕通道宽度为3mm、4mm、5mm，进行吸声性能分析。仿真所得吸声系数曲线如8所示。从图8我们可以看出，随着通道宽度的减小，吸声峰向低频移动。
图9所示为本发明所述一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，当超材料卷绕通道层2为2阶自相似分形时，建立2阶自相似分形盘绕型声学超材料模型结构，并保持其他参数不变，改变卷绕通道厚度为10mm、11mm、12mm，进行吸声性能分析。仿真所得吸声系数曲线如9所示。从图9我们可以看出，随着通道厚度的增加吸声峰的中心频率向高频移动，吸声峰的峰值相差不大。
图10所示为本发明所述一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，当超材料卷绕通道层2为3阶自相似分形时，增加一层卷绕通道层2以及一层穿孔板1，建立3阶自相似分形盘绕型声学超材料模型结构，并保持其他参数不变，进行吸声性能分析。仿真所得吸声系数曲线如10所示。从图10我们可以看出，增加了一层卷绕通道层2之后，第一吸声峰的中心频率由69Hz移动到50Hz，降低了19Hz，其他吸声峰的中心频率均大幅向低频移动，由此可知，通过增加卷绕通道的层数可以显著降低吸声峰的中心频率，提高超材料的低频吸声的性能。
本发明设计的基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，可以对低频噪声进行有效控制。通过自相似分形理论与卷绕通道层2的结合，可实现低频吸声效果好，结构参数可调，吸声峰值可调等优点。该超材料结构可用于低频噪声的降低、隔离和控制等领域。
上述所述为优选的实施例，不能作为本发明的全部范围，在以本发明所述声学超材料结构为基准做任何明显的改进或者是简单的变化均属于本发明的专利附属范围内。

Claims (4)

1.一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其特征在于，该基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料主要由n层穿孔板(1)，n层卷绕通道层(2)和一层封闭板(3)组成，穿孔板(1)与卷绕通道层(2)交替放置，最后放置一层封闭板(3)构成盘绕型声学超材料整体结构；卷绕通道层基于希尔伯特分形设计，构成希尔伯特m阶自相似分形卷绕通道；盘绕型声学超材料采用硬边界材料制备，声波由第一层穿孔板(1)传入盘绕型声学超材料内部，并沿自相似分形卷绕通道传播，通过延长声波传播的距离，降低声波传播的有效相速度，利用卷绕通道的热粘性耗散声能，实现吸声。
2.根据权利要求1所述的基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其特征在于，所述盘绕型声学超材料结构各层穿孔板(1)的穿孔必须与卷绕通道层(2)的卷绕通道连接贯通。
3.根据权利要求1或2所述的基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其特征在于，所述穿孔板(1)的穿孔为一个或多个，其形状为圆形、方形、椭圆形、三角形、不规则形状中的一种或组合。
4.根据权利要求1或2所述的基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其特征在于，所述卷绕通道层(2)的截面形状为三角形、圆形、方形或椭圆形。
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