CN113221268B - 一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料及设计方法，该空间梯度超构材料的基础结构为空间梯度超构单元，多个空间梯度超构单元以正切分布相对折射率对应的几何参数两两对称排列构成一个空间梯度超构组合，多个空间梯度超构组合根据目标管道径向形状尺寸排列构成空间梯度超构材料，该空间梯度超构材料置于目标管道外部用于目标管道内声波控制；本发明开公开了空间梯度超构材料的设计方法；该本发明空间梯度超构材料，主要可控制较高频率的噪声，能够对管道中目标频率附近声波在特定方向产生聚焦并减小振幅，而且具有结构简单设计实用的特点。

Description

一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料及设计方法
技术领域
本发明涉及一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料及设计方法，属于管道噪声控制技术领域。
背景技术
发动机管路系统是发动机系统的重要部件，管路系统所产生的高频噪声振动问题严重影响机械构件的安全性能，减振降噪是管路系统安全可靠性设计的关键。管道噪声是也环境噪声的重要组成部分，管道噪声通过管壁向周围空间辐射，严重干扰人们的工作生活甚至损伤附近工人的听力。
随着声子晶体和声学超构材料的发展，声学超构材料可以通过其亚波长局域共振单元可在特定频率范围内产生负质量密度、负弹性模量，即零或负有效声波折射率，展现出许多有趣的现象例如低频带隙、负折射、隐身、超透镜等。声学超构材料也将广泛应用于噪声处理中。
声波波前调制可通过声学结构器件改变声波的相位、振幅、振动频率等声学特征，从而得到所需要的声波，声波波前调制可应用于噪声控制中，将特定频率范围内的不规则高频噪声转换为低频较规则的声波，从而达到对噪声的控制效果。随着科学技术的不断进步，声波波前调制在航空航天、土木建筑、海洋探测、医学等领域的应用也越来越多。
基于上述内容，本发明根据管道噪声的传播特征、结合声波波前调制超构材料，提出了一种管道噪声控制的空间梯度超构材料及设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料及设计方法，具体设计管道外层空间梯度超构材料，并给出具体的设计方法，所设计的空间梯度超构材料，主要可控制较高频率的噪声，能够对管道中目标频率附近声波在特定方向产生聚焦并减小振幅，而且具有结构简单设计实用的特点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料，所述超构材料的基础结构为空间梯度超构单元1，多个空间梯度超构单元1以正切分布相对折射率对应的几何参数两两对称排列构成一个空间梯度超构组合2，多个空间梯度超构组合2根据目标管道径向形状尺寸排列构成空间梯度超构材料，该空间梯度超构材料置于目标管道外部用于目标管道内声波控制；每个所述空间梯度超构单元1包括一对沿法向固定于目标管道外壁面的栅栏1.1，以及固定在栅栏1.1上的多个管道周向隔板1.2所组成，且相邻的两个空间梯度超构单元共用邻边的栅栏1.1；空间梯度超构单元1的级数即管道周向隔板1.2的总数，空间梯度超构材料的阶数为包含空间梯度超构组合2的个数；每对栅栏1.1之间被多个管道周向隔板1.2构成的交指型结构分隔成曲折的声波传输通道。
空间梯度超构单元1通过曲折的声波传输通道延长声波传播路径，控制输出声波的相位；以目标频率声波波长λ为参考尺度，产生带隙效应完全控制入射声波；根据目标管道径向形状尺寸将若干组空间梯度超构组合2按照顺序沿目标管道外部周向排列，组成与控制管道外部形状大小相一致的空间梯度超构材料，在此过程中保证空间梯度超构单元1的通道宽度不变，单元壁厚可根据管道形状略微调整，以保证每个空间梯度超构单元1的声波折射率误差较小，能够对管道内噪声进行有效控制。
上述所述一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料设计方法，包括以下步骤：由于构成空间梯度超构材料的空间梯度超构单元1数量多，管面曲率产生的误差小，为方便计以直线型空间梯度超构单元及组合进行设计过程；
步骤一、空间梯度超构单元1的结构设计：空间梯度超构单元1的几何设计参数包括单元宽度a、单元长度t、单元壁厚wt、级数N、通道宽度d和通道壁厚w；
单元宽度a、单元长度t需小于声波波长λ且满足管道尺寸要求确定,单元壁厚wt取满足强度条件下的最小值；考虑几何关系的限制，取
Figure BDA0003050512110000031
空间梯度超构单元1的每个梯度分支的声波传输长度L为：
Figure BDA0003050512110000032
级数为N，则空间梯度超构单元1的声波传输总长度Leff为：
Leff≈N×L (9)
空间梯度超构单元1的相对折射率表示为：
Figure BDA0003050512110000033
相对折射率nr为设计空间梯度超构单元1的关键参数；将在步骤二中得到相应位置空间梯度超构单元1的设计折射率；为避免级数N过大，当设计折射率nr′≥3时，由于声波传输的周期性可取相对折射率为设计折射率减2的值，即：nr＝nr′-2；再根据公式(8)、(9)、(10)对每个空间梯度超构单元1进行几何参数求解；为避免声波传输过程中的损耗，取满足相对折射率nr的最小级数N，再求解d，满足d≥w且d取满足条件的最小值。
步骤二、空间梯度超构单元组合2的设计：多个空间梯度超构单元1两两对称排列构成一个空间梯度超构组合2；空间梯度超构组合2的设计目标是使声波产生聚焦效果，构成空间梯度超构组合2对称轴两侧的空间梯度超构单元1按照声波相对折射率以正切梯度分布排列时可使声波聚焦效果最佳：
nr′(i)＝n0 sech[α(h-i)] (11)
Figure BDA0003050512110000041
(11)式中nr′(i)为从空间梯度超构组合2内距对称轴最远处数起，第i个空间梯度超构单元1的设计折射率；α为聚焦系数，与聚焦效果强弱有关；n0为空间梯度超构组合2内距对称轴最近的空间梯度超构单元1的设计折射率；nh为位于空间梯度超构组合2内距对称轴最远的空间梯度超构单元1的设计折射率；h为构成空间梯度超构组合2的空间梯度超构单元1总个数的一半。
根据公式(11)和公式(12)即可递推出每个空间梯度超构单元1对应的设计折射率nr′，再由步骤一中的方法迭代确定出每个空间梯度超构单元1的各个几何设计参数；多个空间梯度超构单元1组成的空间梯度超构组合2对输入的声波进行相位改变后，会在输出声波后产生叠加效应，使声波传播效果大有不同，本发明中采取了声波聚焦效果，使声波经过空间梯度超构组合2后在其对称轴附近进行聚焦。
步骤三、管道噪声控制的空间梯度超构材料设计：将步骤二中空间梯度超构单元组合2依次排列在目标管道外周向，组成与被控制管道外部形状大小相一致的空间梯度超构材料，保证空间梯度超构单元1的通道宽度不变，而单元壁厚可根据管道形状略微调整，以保证每个单元的相对折射率误差较小，能够对管道内噪声进行有效控制，设计出可以控制管道辐射噪声的空间梯度超构材料，并通过有限元软件ANSYS APDL中二维声学模拟模块及结构模块对空间梯度超构材料进行建模，并模拟不同频率管道声波对空间梯度超构材料进行效果验证。
本发明有益效果如下：
i.本发明空间梯度超构材料可通过超构单元的级数来延长声波传播路径长度，从而控制输出声波的相位。
ii.本发明空间梯度超构材料可根据管道尺寸及其噪声的频率范围，灵活优化设计细节，例如可以灵活增减空间梯度超构组合2的数目，也可以灵活增减h的值以增减空间梯度超构组合2中包含空间梯度超构单元1的数目，以达到理想的噪声控制效果。
iii.本发明空间梯度超构材料采用超构单元组成，该超构单元与传统的声学波前调制超材料相比，有着结构简单、设计简练的优势。
附图说明
图1(a)三阶空间梯度超构材料排列结构示意图。
图1(b)四阶空间梯度超构材料排列结构示意图。
图2八级空间梯度超构单元尺寸设计示意图。
图3(a)-(o)构成空间梯度超构单元组合的15个超构单元结构示意图。
图4一组空间梯度超构单元组合示意图。
图5(a)三阶空间梯度超构材料对990赫兹声源进行控制的整体仿真效果图。
图5(b)三阶空间梯度超构材料对1010赫兹声源进行控制的整体仿真效果图。
图5(c)三阶空间梯度超构材料对1010赫兹声源进行控制的整体仿真效果图。
图5(d)四阶空间梯度超构材料对990赫兹声源进行控制的整体仿真效果图。
图5(e)四阶空间梯度超构材料对1000赫兹声源进行控制的整体仿真效果图。
图5(f)四阶空间梯度超构材料对1040赫兹声源进行控制的整体仿真效果图。
图6(a)三阶空间梯度超构材料对990赫兹声源进行控制的管道外部仿真效果图。
图6(b)三阶空间梯度超构材料对1010赫兹声源进行控制的管道外部仿真效果图。
图6(c)三阶空间梯度超构材料对1010赫兹声源进行控制的管道外部仿真效果图。
图6(d)四阶空间梯度超构材料对990赫兹声源进行控制的管道外部仿真效果图。
图6(e)四阶空间梯度超构材料对1000赫兹声源进行控制的管道外部仿真效果图。
图6(f)四阶空间梯度超构材料对1010赫兹声源进行控制的管道外部仿真效果图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明装置及其设计方法进行进一步的详细说明。
如图1(a)、图1(b)和图2所示，本发明一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料，其特征在于：所述超构材料的基础结构为空间梯度超构单元1，多个空间梯度超构单元1以正切分布相对折射率对应的几何参数两两对称排列构成一个空间梯度超构组合2，多个空间梯度超构组合2根据目标管道径向形状尺寸排列构成空间梯度超构材料，该空间梯度超构材料置于目标管道外部用于目标管道内声波控制；每个所述空间梯度超构单元1包括一对沿法向固定于目标管道外壁面的栅栏1.1，以及固定在栅栏1.1上的多个管道周向隔板1.2所组成，且相邻的两个空间梯度超构单元共用邻边的栅栏1.1；空间梯度超构单元1的级数即管道周向隔板1.2的总数，空间梯度超构材料的阶数为包含空间梯度超构组合2的个数；每对栅栏1.1之间被多个管道周向隔板1.2构成的交指型结构分隔成曲折的声波传输通道。
本发明一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料及设计方法，具体设计步骤如下：由于构成空间梯度超构材料的空间梯度超构单元1数量多，管面曲率产生的误差小，为方便计以直线型空间梯度超构单元及组合进行设计过程；
步骤一：空间梯度超构单元1的设计。
首先根据目标噪声的频率范围确定超构材料单元参考尺寸为目噪声亚波长尺寸，即设计过程中的长度单位以目标声波的声波波长λ为基本单位。每个空间超构单元1有相同的单元宽度和单元总长；空间梯度超构单元1结构的级数N决定了声波在该单元结构中的声波传播路径长度，从而控制输出声波与输入声波的相位之差；以目标频率波的亚波长尺寸来进行设计，会产生声波带隙效应，对输入声波进行更有效的控制；
如图2为七级空间梯度超构单元尺寸设计示意图。图中a、t、d、w、wt分别表示单元总宽、单元总长、通道宽度、通道壁厚、单元壁厚。
单元总长宽虽无限制，考虑满声波传输特性，取：
Figure BDA0003050512110000081
由几何关系得：
N×w+(N-1)×d≤t (6)
设计过程中须满足d略大于w，则有：
Figure BDA0003050512110000082
为设计方便起见，取
Figure BDA0003050512110000083
空间梯度超构单元1的每个梯度分支的声波传输长度L为：
Figure BDA0003050512110000084
级数为N，则空间梯度超构单元1的声波传输总长度Leff为：
Leff≈N×L (9)
空间梯度超构单元1的相对折射率表示为：
Figure BDA0003050512110000085
相对折射率nr为设计空间梯度超构单元1的关键参数。将在步骤二中得到相应位置空间梯度超构单元1的设计折射率nr′；当设计折射率nr′≥3时，为避免级数过大，由声波传输的周期性取相对折射率为设计折射率减2的值，即：nr＝nr′-2；再根据公式(8)、(9)、(10)对每个空间梯度超构单元1进行几何参数求解。为避免声波传输过程中的损耗，取满足相对折射率nr的最小级数N，再求解d，满足d≥w且d取满足条件的最小值；
步骤二：空间梯度超构组合2的设计。
空间梯度超构组合2的设计目标是使声波产生聚焦效果，构成空间梯度超构组合2对称轴两侧的空间梯度超构单元1按照声波相对折射率以正切梯度分布排列时可使声波聚焦效果最佳：
nr′(i)＝n0 sech[α(h-i)] (11)
(11)式中nr′(i)为从空间梯度超构组合2内距对称轴最远处数起，第i个空间梯度超构单元1的设计折射率；n0为空间梯度超构组合2内距对称轴最近的空间梯度超构单元1的设计折射率；nh为位于空间梯度超构组合2内距对称轴最远的空间梯度超构单元1的设计折射率；h为构成空间梯度超构组合2的空间梯度超构单元1总个数的一半；α为聚焦系数，与聚焦效果强弱有关：
Figure BDA0003050512110000091
根据(11)(12)式即可递推出每个对应位置空间梯度超构单元1对应的设计折射率nr′，本例中以1000hz为目标声波频率，则波长λ＝0.034m,取n0＝3.500，nh＝1.300，
Figure BDA0003050512110000092
h＝15，以此计算得出如表1对应的设计折射率nr′、相对折射率nr、级数N、通道壁厚w、通道宽度d的空间梯度超构单元1依次排列构成空间梯度超构组合2，以保证每个单元的声波相对折射率得以控制。空间梯度超构组合2的具体尺寸及排列如表1所示：
表1超构材料组合几何参数
Figure BDA0003050512110000093
Figure BDA0003050512110000101
如图3(a)-(o)为构成空间梯度超构组合2的15个空间梯度超构单元1结构示意图，依次排列后由末端轴对称为30个空间梯度超构单元排列为一组，如图4为单组空间梯度超构组合2。理论上每组空间梯度超构组合2会对目标频率及频率相近的噪声进行控制，使其声波以振幅较低且较规则的形式输出。表中尺寸是以目标声波频率的波长λ作为长度尺寸单位，因为在亚波长尺度的声波传输中能够产生带隙效应，能够达到对声波的最佳控制传输效果。多个空间梯度超构单元1组成的空间梯度超构组合2对输入的声波进行相位的改变后，会在输出声波后产生叠加效应，使声波传输效果大有不同，本发明中采取了声波聚焦效果，使声波经过空间梯度超构组合2后在其对称轴附近进行聚焦；
步骤三：空间梯度超构材料的设计。
根据管道尺寸将若干组空间梯度超构单元组合2沿管道周向进行排列，在此过程中保证空间梯度超构单元的通道初始宽度、通道宽度比不变，而厚度可根据管道形状略微调整，以保证每个单元的声波相对折射率误差较小，能够对管道内噪声进行有效控制。如图1(a)和图1(b)为三阶/四阶空间梯度超构材料排列结构示意图，即将三组/四组空间梯度超构材料组合按照管道周向进行紧密排列设计而成。可根据管道尺寸及其噪声的频率范围，灵活改变设计细节，例如可以改变设计参数h，灵活增减空间梯度超构单元1的数目，以达到理想的噪声控制效果。
以上即为本发明提出的空间梯度超构材料设计方法。下面对该超构材料对声波的控制作用进行验证。如图5(a)-(f)分别展示了三阶/四阶空间梯度超构材料对频率为1000Hz左右的声源进行控制的整体仿真效果。可以看到空间梯度超构材料对声波的控制效果，但由于超构材料对声波振幅的削弱效果较为明显，在声源处附近的声压变化幅度较大，因此直接从整体上看到的效果并不是很明显。将装置外声波工作平面分离后进行效果展示，如图6(a)-(f)分别展示了三阶/四阶空间梯度超构材料对频率为1000Hz左右的声源进行控制的管道外部仿真效果。由仿真结果可看出每组该空间梯度超构材料会对辐射出的声波进行相位的改变，使其在特定方向上产生聚焦效果，而在其他方向声波较为分散，并且输出声波的振幅较声源明显变小。

Claims (2)

1.一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料，其特征在于：所述超构材料的基础结构为空间梯度超构单元(1)，多个空间梯度超构单元(1)以正切分布相对折射率对应的几何参数两两对称排列构成一个空间梯度超构组合(2)，多个空间梯度超构组合(2)根据目标管道径向形状尺寸排列构成空间梯度超构材料，该空间梯度超构材料置于目标管道外部用于目标管道内声波控制；每个所述空间梯度超构单元(1)包括一对沿法向固定于目标管道外壁面的栅栏(1.1)，以及固定在栅栏(1.1)上的多个管道周向隔板(1.2)所组成，且相邻的两个空间梯度超构单元共用邻边的栅栏(1.1)；空间梯度超构单元(1)的级数即管道周向隔板(1.2)的总数，空间梯度超构材料的阶数为包含空间梯度超构组合(2)的个数；每对栅栏(1.1)之间被多个管道周向隔板(1.2)构成的交指型结构分隔成曲折的声波传输通道；
所述的一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料的设计方法，由于构成空间梯度超构材料的空间梯度超构单元(1)数量多，管面曲率产生的误差小，因此以直线型空间梯度超构单元及组合进行设计过程；具体包括以下步骤：
步骤一、空间梯度超构单元(1)的结构设计：空间梯度超构单元(1)的几何设计参数包括单元宽度a、单元长度t、单元壁厚wt、级数N、通道宽度d和通道壁厚w；
单元宽度a、单元长度t需小于声波波长λ且满足管道尺寸要求确定,单元壁厚wt取满足强度条件下的最小值；考虑几何关系的限制，取
Figure FDA0003836538700000011
空间梯度超构单元(1)的每个梯度分支的声波传输长度L为：
Figure FDA0003836538700000021
级数为N，则空间梯度超构单元(1)的声波传输总长度Leff为：
Leff≈N×L (9)
空间梯度超构单元(1)的相对折射率表示为：
Figure FDA0003836538700000022
相对折射率nr为设计空间梯度超构单元(1)的关键参数；将在步骤二中得到相应位置空间梯度超构单元(1)的设计折射率；为避免级数N过大，当设计折射率nr′≥3时，由于声波传输的周期性可取相对折射率为设计折射率减2的值，即：nr＝nr′-2；再根据公式(8)、(9)、(10)对每个空间梯度超构单元(1)进行几何参数求解；为避免声波传输过程中的损耗，取满足相对折射率nr的最小级数N，再求解d，满足d≥w且d取满足条件的最小值；
步骤二、空间梯度超构组合(2)的设计：多个空间梯度超构单元(1)两两对称排列构成一个空间梯度超构组合(2)；空间梯度超构组合(2)的设计目标是使声波产生聚焦效果，构成空间梯度超构组合(2)对称轴两侧的空间梯度超构单元(1)按照声波相对折射率以正切梯度分布排列时可使声波聚焦效果最佳：
nr′(i)＝n0sech[α(h-i)] (11)
Figure FDA0003836538700000023
(11)式中nr′(i)为从空间梯度超构组合(2)内距对称轴最远处数起，第i个空间梯度超构单元(1)的设计折射率；α为聚焦系数，与聚焦效果强弱有关；n0为空间梯度超构组合(2)内距对称轴最近的空间梯度超构单元(1)的设计折射率；nh为位于空间梯度超构组合(2)内距对称轴最远的空间梯度超构单元(1)的设计折射率；h为构成空间梯度超构组合(2)的空间梯度超构单元(1)总个数的一半；
根据公式(11)和公式(12)即递推出每个空间梯度超构单元(1)对应的设计折射率nr′，再由步骤一中的方法迭代确定出每个空间梯度超构单元(1)的各个几何设计参数；多个空间梯度超构单元(1)组成的空间梯度超构组合(2)对输入的声波进行相位改变后，会在输出声波后产生叠加效应，使声波传播效果大有不同，采取了声波聚焦效果，使声波经过空间梯度超构组合(2)后在其对称轴附近进行聚焦；
步骤三、管道噪声控制的空间梯度超构材料设计：将步骤二中空间梯度超构组合(2)依次排列在目标管道外周向，组成与被控制管道外部形状大小相一致的空间梯度超构材料，保证空间梯度超构单元(1)的通道宽度不变，而单元壁厚根据管道形状调整，以保证每个单元的相对折射率误差小，能够对管道内噪声进行有效控制，设计出可以控制管道辐射噪声的空间梯度超构材料，并通过有限元软件ANSYS APDL中二维声学模拟模块及结构模块对空间梯度超构材料进行建模，并模拟不同频率管道声波对空间梯度超构材料进行效果验证。
2.根据权利要求1所述的一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料，其特征在于：所述空间梯度超构单元(1)通过曲折的声波传输通道延长声波传播路径，控制输出声波的相位；以目标频率声波波长λ为参考尺度，产生带隙效应完全控制入射声波；所述空间梯度超构单元(1)的通道宽度不变，单元壁厚根据管道形状调整，以保证每个空间梯度超构单元(1)的声波折射率误差小，能够对管道内噪声进行有效控制。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB202209568D0 (en) * 2022-06-29 2022-08-10 Univ Of Sussex Acoustic Metamaterials
CN116404994B (zh) * 2023-01-29 2023-09-08 哈尔滨工程大学 基于声波快压缩效应的超构材料声信号放大器

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106228971A (zh) * 2016-07-25 2016-12-14 东南大学 基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜及其制备方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013036381A1 (en) * 2011-09-08 2013-03-14 Energy Absorption Systems, Inc. Fluid filled barrier with exterior reinforcement
CN106291803B (zh) * 2016-09-30 2019-06-18 华中科技大学 一种梯度掺杂多芯的微结构包层光纤及其制备方法
US10783871B2 (en) * 2016-10-04 2020-09-22 Rutgers, The State University Of New Jersey Metal acoustic lens and method of manufacturing same
EP3580557B1 (en) * 2017-02-09 2023-12-20 The University of Sussex Acoustic wave manipulation by means of a time delay array
CN109027425B (zh) * 2018-07-26 2020-05-26 西安交通大学 高阻尼合金超材料管道减振降噪装置
CN108775091A (zh) * 2018-08-06 2018-11-09 深圳市航天新材科技有限公司 一种复合局域共振超构材料隔音板
CN109239189A (zh) * 2018-09-20 2019-01-18 河南理工大学 基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统及方法
CN109286078A (zh) * 2018-11-26 2019-01-29 东南大学 空频域梯度超材料及其设计方法
CN109754777A (zh) * 2018-12-28 2019-05-14 西安交通大学 一种多元胞协同耦合声学超材料结构设计方法
CN110212306B (zh) * 2019-05-13 2021-10-26 哈尔滨工程大学 一种太赫兹波段透射式惠更斯超构表面
CN112632725A (zh) * 2020-12-29 2021-04-09 杭州电子科技大学 一种基于温度梯度声聚焦内腔加工研究方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106228971A (zh) * 2016-07-25 2016-12-14 东南大学 基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜及其制备方法

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