CN113192481A - 一种用于低频噪声控制的盘绕型亥姆霍兹共振器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于噪声控制技术领域，公开了一种用于低频噪声控制的盘绕型亥姆霍兹共振器，该超材料结构由盘绕通道层和空气背腔两部分组合而成，其中盘绕通道层包括n层通道层和n+1层穿孔板。通过将空气通道设置为盘绕型，可以在不增加亥姆霍兹共振器厚度的情况下，延长声波传输路径，达到低频吸声的效果。与传统的亥姆霍兹共振器相比可以在占用更小空间体积的情况下，实现低频噪声的吸收。所述盘绕型亥姆霍兹共振器选用硬边界材料制备，材料选用广泛，制备简单，易于装配，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于噪声控制技术领域，具体是涉及一种用于低频噪声控制的盘绕型亥姆霍兹共振器。
背景技术
亥姆霍兹共振器是一种基本的声学单元，由空气背腔和开口组成。其吸声机理为共振吸声，可以等效为质量弹簧系统。将空气背腔中的空气视为弹簧，开口处的空气为质量，小孔壁产生的黏滞作用为声阻。当入射声波的频率达到结构的共振频率时，系统将产生共振。此时空气背腔内声压的变化会引起气柱上下振荡，消耗能量最大，产生吸收峰。亥姆霍兹共振器单元因其简单的结构而被广泛地用于管道消声系统和建筑声学结构中。
在现实生活中，低频噪声具有穿透力强、衰减慢等特点，已成为人们日常生活中最主要的污染之一，严重影响着人们的身心健康。传统的吸声材料，其厚度需要与声波波长相比拟时才能达到吸声目的，并且往往是通过增加材料的重量和体积来提高吸声效果，这在对重量和体积要求严格的领域并不特别适用。吸声材料不仅需要良好的宽频带吸声效果，还需要受尺寸约束与重量约束，这对材料设计与结构设计提出了更好的期望。
对于亥姆霍兹共振器单元，吸声频率取决于空气背腔的体积、开口的长度及横截面积。为了获得低频吸声，可以采取增大空气背腔体积、延长开口长度、减小开口截面积等措施。一般而言，由于使用空间的限制，很难在实际情况中自由地改变共振腔的体积；而与此同时，改变共振器的颈部特征更容易操作，并且也能够同时改变共振频率和共振吸声系数。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种盘绕型亥姆霍兹共振器。将穿孔板、通道层和亥姆霍兹腔相结合，通过穿孔板和通道层交替布放延长声波传输路径，从而实现盘绕型亥姆霍兹共振器低频吸声的目的。
本发明的技术方案：
一种用于低频噪声控制的盘绕型亥姆霍兹共振器，包括盘绕通道结构1和空气背腔2；其中，盘绕通道结构1包括n层通道层4和n+1层穿孔板3，穿孔板3和通道层4交替布放；盘绕通道结构1中第一层穿孔板3的开口作为入射口，最后一层穿孔板3的开口与空气背腔2连通。
进一步，所述通道层4的卷绕通道是螺旋形、回字形或不规则形状。
进一步，所述盘绕通道结构1的各层穿孔板3的穿孔必须与通道层4的卷绕通道连接贯通。
进一步，所述空气背腔2为圆柱形、方形、球形或不规则形状。
进一步，所述盘绕通道结构1的形状为圆柱形、方形、球形或椭圆形。
进一步，所述穿孔板3上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。
进一步，所述穿孔板3厚度和层数可调。
进一步，所述通道层4厚度和层数可调。
进一步，所述盘绕型亥姆霍兹共振器声学超材料结构使用硬边界材料制备。
本发明的有益效果：本发明所述的盘绕型亥姆霍兹共振器由盘绕通道结构和空气背腔两部分组合而成。通过将空气通道设置为盘绕型，可以在不增加亥姆霍兹共振器厚度的情况下，延长声波传输路径，达到低频吸声的效果。另外，本发明结构可以通过改变通道层4层数、通道层厚度和空气背腔长度，完成对目标频率噪声的吸收，具有针对性强，设计灵活的特点。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，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例中所述盘绕型亥姆霍兹共振器的外形图：
图2为实施例中所述盘绕型亥姆霍兹共振器的拆分结构及其尺寸：
图3为实施例中所述盘绕型亥姆霍兹共振器的第一层穿孔板结构及其尺寸：
图4为实施例中所述盘绕型亥姆霍兹共振器的通道层结构及其尺寸：
图5为实施例中所述盘绕型亥姆霍兹共振器的第三层穿孔板结构及其尺寸：
图6为图1所述盘绕型亥姆霍兹共振器的吸声系数曲线图：
图7为实施例中所述盘绕型亥姆霍兹共振器在不同通道层层数情况下的吸声系数曲线图：
图8为实施例中所述盘绕型亥姆霍兹共振器在不同通道层厚度情况下的吸声系数曲线图：
图9为实施例中所述盘绕型亥姆霍兹共振器在不同背腔长度情况下的吸声系数曲线图。
图中：1盘绕通道结构；2空气背腔；3穿孔板；4通道层。
具体实施方式
下面通过附图对本发明的技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种用于低频噪声控制的盘绕型亥姆霍兹共振器，其外形可以为圆柱形、方柱形、球形或椭圆形其中一种，也可以是根据需要定制的异形结构。本实施例中以方柱形为例。所述超材料结构使用硬边界材料制备。
图1为所述盘绕型亥姆霍兹共振器的外形图，可以看到它是由盘绕通道结构1和空气背腔2两部分组成，其中盘绕通道结构1由穿孔板3和通道层4交替组成。
图2为所述盘绕型亥姆霍兹共振器的拆分结构。定义穿孔板3厚度为d，通道层4厚度为w，空气背腔2长度为h，通道层4层数为n，本实施例以n＝3为例。如图2所示，可以看到其盘绕通道结构共有七层，包括3层通道层4和4层穿孔板3。第一层和第五层为相同的穿孔板，其中间有一个开口；第三层和第七层为相同的穿孔板，其上有4个相同的开口；第二、四和六层为相同的通道层4。声波从第一层穿孔板开口进入到通道层4，在通道层4中分成四个方向传输，再进入到第三层穿孔板，以此类推，最后声波由第七层穿孔板开口进入空气背腔2。
图3为所述盘绕型亥姆霍兹共振器的第一层穿孔板，其开口形状为圆形、方形或椭圆形其中一种。本实施例中以方形为例。从图中可以看出穿孔板边长为a，方形开口边长为2b+t。
图4为所述盘绕型亥姆霍兹共振器的通道层4，其中通道宽度为b，壁厚为t。
图5为所述盘绕型亥姆霍兹共振器的第三层穿孔板，其边角处的四个方形开口边长为b。
为了进一步理解本发明，对图1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。
其中该仿真模型的几何参数为：a＝22mm，b＝2.5mm，t＝1mm，d＝1mm，w＝5mm，h＝40mm，n＝3。计算模型的材料选择光敏树脂，其杨氏模量为2650MPa，密度为1120kg/m3，泊松比为0.41。
基于有限元软件COMSOL Multiphysics 5.4多物理场耦合方法对盘绕型亥姆霍兹共振器结构进行吸声特性计算，在模型中充分考虑狭窄区域内的黏性损失和热损失的影响，结构外侧的入射区域设置为压力声学域，内部空气设置为热粘性声学域，结构边界设置为固体力学域。入射声波为平面波，入射压力幅值为1Pa，沿z轴负方向入射到结构表面。结构单元周期性布置，边界条件为周期性边界。
当声波从空气中射入盘绕型亥姆霍兹共振器结构的表面时，入射的声能将被分成两部分。一部分声能通过传输进入物体内部被吸收，另一部分不能被吸收，直接反射回来。物体吸收的声波能量与入射时的声波能量之比为吸声系数。
图6为图1所示模型结构的吸声系数曲线图，从图中可以看出，该结构有两个吸声峰，分别在270Hz和1565Hz处，吸声峰值分别为0.78和0.87。
图7为所述盘绕型亥姆霍兹共振器在保持穿孔板3壁厚为1mm、通道宽度为2.5mm、通道层4厚度为7mm和总长度80mm不变，不同通道层4层数情况下的吸声系数曲线图。从图中可以看出随着层数的增加吸声峰值在不断减小,且吸声峰向低频移动，这主要是由于增加通道层4层数相当于增加了开口处的长度，其共振频率降低。
图8为所述盘绕型亥姆霍兹共振器在保持穿孔板3壁厚为1mm、通道宽度为2.5mm、通道层4数为5和空气背腔2长度为50mm不变，不同通道层4厚度情况下的吸声系数曲线图。从图中可以看出随着通道层4厚度的增加，超材料的第一个吸声峰向高频移动且峰值逐渐增大，第二个吸声峰向低频移动且峰值逐渐增大。增加通道层4厚度相当于增加亥姆霍兹共振腔的开口横截面积，开口横截面积增大，其首阶固有频率升高。
图9为实施例中所述盘绕型亥姆霍兹共振器在保持穿孔板3壁厚为1mm、通道宽度为2.5mm、通道层4数为5和通道层4厚度为6mm不变，不同空气背腔2长度情况下的吸声系数曲线图。从图中可以看出随着空气背腔2长度的增加，两个吸声峰值均向低频移动。空气背腔2可视为弹簧振子系统中的弹簧，空气背腔2长度增加，等效弹簧刚度减小，在等效质量基本不变的情况下，吸声峰处频率会向低频移动。另外腔长的改变对吸声峰值基本没影响。
本发明所设计的盘绕型亥姆霍兹共振器，可以对低频噪声进行有效控制。通过对结构参数的调节，可以对低频吸声效果进行有效调控。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (6)
1.一种用于低频噪声控制的盘绕型亥姆霍兹共振器，其特征在于，该用于低频噪声控制的盘绕型亥姆霍兹共振器包括盘绕通道结构(1)和空气背腔(2)；其中，盘绕通道结构(1)包括n层通道层(4)和n+1层穿孔板(3)，穿孔板(3)和通道层(4)交替布放；盘绕通道结构(1)中第一层穿孔板(3)的开口作为入射口，最后一层穿孔板(3)的开口与空气背腔(2)连通。
2.根据权利要求1所述的用于低频噪声控制的盘绕型亥姆霍兹共振器，其特征在于，所述通道层(4)的卷绕通道是螺旋形、回字形或不规则形状。
3.根据权利要求2所述的用于低频噪声控制的盘绕型亥姆霍兹共振器，其特征在于，所述盘绕通道结构(1)的各层穿孔板(3)的穿孔必须与通道层(4)的卷绕通道连接贯通。
4.根据权利要求1-3任一所述的用于低频噪声控制的盘绕型亥姆霍兹共振器，其特征在于，
所述空气背腔(2)的截面形状为圆形、方形、三角形或椭圆形其中一种；
所述盘绕通道结构(1)的截面形状为圆形、方形、三角形或椭圆形其中一种；
所述穿孔板(3)上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。
5.根据权利要求1-3任一所述的用于低频噪声控制的盘绕型亥姆霍兹共振器，其特征在于，
所述穿孔板(3)厚度和层数可调；
所述通道层(4)厚度和层数可调；
所述盘绕型亥姆霍兹共振器声学超材料结构使用硬边界材料制备。
6.根据权利要求4所述的用于低频噪声控制的盘绕型亥姆霍兹共振器，其特征在于，
所述穿孔板(3)厚度和层数可调；
所述通道层(4)厚度和层数可调；
所述盘绕型亥姆霍兹共振器声学超材料结构使用硬边界材料制备。
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