CN113345398B - 一种基于微孔薄膜和微型声学黑洞结构的全频带吸声结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微孔薄膜和微型声学黑洞结构的全频带吸声结构，包括：微穿孔薄膜、黑洞薄膜和框架，其中，所述微穿孔薄膜设置在上端，所述黑洞薄膜设置在下端，所述框架设置在微穿孔薄膜和黑洞薄膜之间构成封闭形状；所述微穿孔薄膜被配置用于使入射声波最大限度地透过，以及用于接收来自黑洞薄膜的声波反射；所述黑洞薄膜被配置用于使声能聚焦将声能转化为热能，黑洞薄膜的表面阵列分布多个微型声学黑洞结构，可实现1‑20000Hz全频带内的吸声，通过微穿孔薄膜的阵列孔设置，最大程度的使声波穿透过去，在黑洞薄膜的尖端孔处将声能转化为热能，使声压急剧减小，吸声效果好，无论在低频和高频范围均优于现有技术，吸声系数可达86.5％以上。

Description

一种基于微孔薄膜和微型声学黑洞结构的全频带吸声结构

技术领域

本发明属于吸声降噪领域，具体涉及一种基于微孔薄膜和微型声学黑洞结构的全频带吸声结构。

背景技术

目前，不论是隔声还是吸声技术，无法达到在很大的频段范围内实现良好的吸声和隔声性能，尤其是对低频声波的吸收。目前主流的吸声材料包括多孔金属材料、声子晶体及声学黑洞等，这些材料对高频声波吸收效果显著，对低频声波吸声能力较差，并且针对低频声波的吸声，其频带较窄，频带宽度通常不足1000Hz，而若想实现对10^5Hz量级的吸声频带，其结构通常需要几米到几十米之间，这样大的尺寸极不利于工程应用。通常的小尺寸的低频吸声结构，例如声子晶体、微穿孔板等，其尺寸也在厘米量级。而结构到达毫米量级，并具有10^5Hz量级的吸声频带的高吸声性能的声学材料，目前还没有。

针对宽频带的降噪方法，周期性声学黑洞结构对大频段的低频声波的隔声具有良好的作用，中国专利申请号为CN202011308151.5公开的技术方案中可实现对30-10000Hz的声波的良好隔声，在30-3000Hz范围内有平均53dB的隔声量，相比传统的隔声结构有更好的隔声效果。在3000-10000Hz范围内，空间弯折复合去耦覆盖层的隔声量最高可达72dB。其他声学黑洞结构(专利和文献)也可实现一定频段范围内的隔声，但均无法实现良好的吸声。

声子晶体技术可实现对低频声波的吸收，其原理为声波与结构的局域共振，使声能转化为结构的振动能，并通过结构设计实现负刚度和负质量，吸声产生带隙，从而实现吸声。中国专利申请号为CN202011622853.0公开的技术方案中，声子晶体结构够产生50-200Hz，1000-2000Hz频带范围内的带隙，实现在这些频段上的吸声，其他声子晶体专利和文献的吸声性能与此相似，都是能实现特定频段内的吸声，而无法实现更大频段上的吸声，并对50Hz以下的噪声吸声性能较差。

现有技术缺点：

1.声学黑洞类的专利及技术可实现隔声但无法实现高效率的吸声，并且对50Hz以下的噪声隔声和吸声性能差，其吸声频带不大。

2.声子晶体类的专利及技术可实现对特定频段的吸声，这需要去调整和设计结构的参数，使其固有频率与目标吸声频率相近，设计成本较高，并且结构相对复杂，制造工艺目前以3D打印为主，传统加工方法较难加工。并且其吸声频段相对不大，高频的吸声频带大概在1000Hz到2000Hz的频带范围内，而低频的吸声频带通常只有几百Hz。无法实现对全频带或者几万Hz频带的吸声。而对100Hz以内的低频吸声性能也较差。

3.目前无论是那种吸声技术，都无法实现对1-20000Hz频段上，甚至更高的频段上的全频带吸声。

基于现有技术存在的不足，本发明专利结合热粘性声学效应和声学黑洞效应，提出微米级的微穿孔薄膜结合声学黑洞薄膜的结构，来解决1-20000Hz超大频段(甚至更大的频带)的吸声问题。特别是解决50Hz以下的次声波的吸声问题。其整体结构尺寸在0.5-2mm以内，并在整个频段内的吸声系数达到85％以上。并可通过控制薄膜结构的尺寸参数来得到不同的吸声系数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微孔薄膜和微型声学黑洞结构的全频带吸声结构，结合热粘性声学效应和声学黑洞效应，提出微米级的微穿孔薄膜结合声学黑洞薄膜的结构，来解决1-20000Hz超大频段(甚至更大的频带)的吸声问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于微孔薄膜和微型声学黑洞结构的全频带吸声结构，包括：

微穿孔薄膜、黑洞薄膜和框架，其中，所述微穿孔薄膜设置在框架的上端，所述黑洞薄膜设置在框架的下端，所述框架设置在微穿孔薄膜和黑洞薄膜之间构成封闭形状；

所述微穿孔薄膜被配置用于使入射声波最大限度地透过，以及通过非线性作用减少来自黑洞薄膜的声波反射；所述微穿孔薄膜的厚度为50-1000μm，其表面阵列分布多个直径d为50-100μm微孔，阵列分布用于使声波最大限度地透过所述微穿孔薄膜，其中阵列尺寸为：微孔的横向间距为0.8d且纵向间距为d或者横向间距为d且纵向间距为0.8d，；

所述黑洞薄膜被配置用于使声能聚焦将声能转化为热能，所述黑洞薄膜的厚度为80-1000μm，其表面阵列分布多个微型声学黑洞结构，所述微型声学黑洞结构的截面形状为锥形；

所述微型声学黑洞结构靠近薄膜1的一面为直径较大的开口孔，所述开口孔的直径d_L为100-400μm，微型声学黑洞结构的阵列尺寸为：开口孔的横向间距为0.5d_L且纵向间距为0.7d_L或者横向间距为0.7d_L且纵向间距为0.5d_L；所述微型声学黑洞结构远离薄膜1的一面为直径较小的尖端孔，尖端孔和开口孔一一对应，所述尖端孔的直径d₀＝0.1d_L；

所述微型声学黑洞结构借助流体介质传播声波，使得入射声波随着微型声学黑洞结构的直径减小，声能在尖端孔处达到最大聚焦。。

优选地，通过声学边界层公式计算得到入射声波允许的最高频率f，

其中μ为声介质流体粘度，d₀为尖端孔的直径，ρ为声介质流体的密度。

优选地，所述介质为空气或水。

优选地，所述入射声波的频率为1-20000HZ。

优选地，所述微穿孔薄膜和黑洞薄膜之间的距离为0.5-2mm，所述框架的长度和宽度均为1.5mm。

本发明的有益效果：1、可实现1-20000Hz全频带内的吸声，通过微穿孔薄膜的阵列孔设置，最大程度的使声波穿透过去，在黑洞薄膜的尖端孔处将声能转化为热能，微穿孔薄膜的非线性作用使黑洞薄膜反射回来的声压急剧减小，吸声效果好，无论在低频和高频范围均优于现有技术，吸声系数可达86.5％以上；2、本发明吸声结构尺寸很小，微穿孔薄膜的厚度为0.1mm左右，黑洞薄膜的厚度为0.11mm左右，两者之间的间隙可在0.5-1.5mm之间，整体尺寸可控制在0.7-2mm以内，能够在军工、汽车、建筑、环保等各领域应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明的吸声结构整体示意图；

图2所示为本发明的吸声结构微穿孔薄膜1的示意图；

图3所示为本发明的吸声结构黑洞薄膜2的示意图；

图4所示为发明的吸声结构框架3的结构示意图；

图5所示为本发明的吸声结构的声压特性图一；

图6所示为本发明的吸声结构的声压特性图二；

图7所示为本发明的吸声结构的效率图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

对于航空航天、国防工业、现代工业、噪声污染治理及健康等领域，声学材料的吸声性能非常重要。例如良好的吸声材料可使得飞机、潜艇等能躲避雷达和声呐探测实现声隐身，可防治噪声污染，以及0-20Hz范围内的次低频噪声诱发的慢性疾病等。

在微穿孔板的技术领域内，可在几百Hz频带内实现对中高频声波的吸收，但对200Hz以下的低频声波吸声效果很差。这是由于低频声波可透过微穿孔板结构继续传播，无法有效耗散声能。在声学黑洞的技术领域内，由于无法制造出尖端直径为0的声学黑洞，其存在截止频率，几乎无法抑制低频声波，并且存在反射声波，虽然隔声性能较好，但吸声性能较差。因此，目前无论是微穿孔板技术还是声学黑洞技术都无法做到对10^5Hz量级频带的吸声，并对低频声波的吸收几乎是无效的。

本发明的目的在于提供一种基于微孔薄膜和微型声学黑洞结构的全频带吸声结构，结合热粘性声学效应和声学黑洞效应，提出微米级的微穿孔薄膜结合声学黑洞薄膜的结构，来解决1-20000Hz超大频段(甚至更大的频带)的吸声问题。

本发明由三个部件组成，如图1所示，分别由微穿孔薄膜1、黑洞薄膜2和框架3组成。微穿孔薄膜1和黑洞薄膜2分别固定在框架3的两端。

如图2所示，微穿孔薄膜1的厚度为50-1000μm之间，微穿孔薄膜1上分布阵列的微孔，微孔4的直径为d为50-100μm之间，两微孔之间横向相距为0.8d，纵向相距d，反之亦可。

如图3所示，黑洞薄膜2的厚度为80-1000μm之间，黑洞薄膜2上分布阵列的微型声学黑洞结构。上端靠近微穿孔薄膜1的是直径较大的开口孔5，其直径d_L为100-400μm之间，下端为远离微穿孔薄膜1的尖端孔6，其直径为d₀＝0.1d_L。其截面曲线是一个锥形孔形状，即它的直径是线性减小的，这样有利于降低微纳制造的工艺难度。微孔5之间的横向相距0.5d_L，纵向相距0.7d_L，反之亦可。

如图4所示，框架3的厚度，即微穿孔薄膜1与黑洞薄膜2之间的距离为0.5-2mm。其长度与宽度可根据具体实际工程情况而定，可不做具体要求，在本实施例中的框架3的长度和宽度均为1.5mm。微穿孔薄膜1和黑洞薄膜2均可以通过光刻机制造。

进一步的，本实施例的实现过程如下：

将本发明放置或粘贴于需要吸声的工件或物体上，微穿孔薄膜1位于最外层，噪声声波首先入射到微穿孔薄膜1上，而由于微穿孔薄膜1上的微孔4的直径在微米级，并且微孔4间相距很近，根据热粘性声学效应，可使得声波几乎全部透过微穿孔薄膜1进入框架3内。

如图5中的声压特效图所示，最左端为入射声场，沿z方向入射，幅值为1Pa，入射声场的右侧为微穿孔薄膜1中的微孔4，图中显示的是1/4个对称单元进行试验。而微孔4的右侧是框架3，其边界条件为对称。结果显示，声波几乎完全透过微穿孔薄膜1的微孔4后，进入了框架3内。

进入框架3的声波在传输一段距离后会入射到黑洞薄膜2上，黑洞薄膜2是微型声学黑洞结构，这种声学黑洞结构中间是空气或者是水这样的流体，而流体，因此其声学特性与传统固体的声学黑洞不同。在入射到声学黑洞开口孔5上时，声波会沿着声学黑洞孔继续传播，但由于其直径线性减小，因此会出现声能聚焦的特性，即入射声波随着声学黑洞结构的直径进一步减小，内部的声能会变得越来越大，并在其尖端孔6达到最大。然而尖端孔6的直径很小，例如11μm，根据热粘性效应，会把聚集的大量声能耗散为热，使得其声压急剧减小，从而达到吸声的效果。

但由于其尖端直径d₀和开口直径d_L的比值为0.1，若单独使用这样的声学黑洞结构会有部分反射声波，从而降低了其吸声系数。因此需结合微穿孔薄膜1一起使用，利用热粘性声学效应和其中的非线性变化，可减小其反射，增大吸声性能。

如图5所示的低声压特性图和图6所示的高声压特性图。入射声场为图5和与6中所示的入射声场域，入射条件为背景声场辐射，方向沿z轴方向，两图中入射声压为1Pa。由于本发明的结构具有对称性和周期性，因此可选取单个孔的1/4个结构来试验。微穿孔薄膜1中的微孔4如图5和图6中所示，选取其1/4个孔，其孔圆弧表面为热粘性壁边界条件，即，此处声介质流体质点速度为0，温度变化为0，其余为对称条件。图1中的框架3在中的设置如图5和图6中的空腔3所示，取微穿孔薄膜1中的两个微孔中心所围成的区域为声场计算域，边界条件依然为对称条件。黑洞薄膜2中的声学黑洞结构及开口孔和尖端孔的1/4个结构如图5和6中的声学黑洞结构所示，其锥孔的锥面为热粘性壁条件，其余为对称条件。整个结构区域结构较小，因此必须考虑热粘性声学效应，因此选取热粘性声学模块进行试验计算其声场及吸声系数。

声压从入射声压场中入射到微穿孔薄膜1的微孔4中，由于微孔4结构很小，结果显示声波可几乎全部透射过微孔4进入框架空腔3内。声波由空腔3进入微声学黑洞开口孔5后，其孔的直径线性减小，此时声学黑洞效应显现，即可压缩声波并聚集声能在其尖端，而又由于直径越来越小，其热粘性耗散效应也越来越明显。根据热粘性声学边界层可将声能耗散为热能，通过声学边界层公式计算得到入射声波允许的最高频率f，

其中μ为声介质流体粘度，d₀为尖端孔6的直径，ρ为声介质流体的密度。由此公式可计算出能够将声能耗散为热能的最高频率。本实施例中尖端孔6的直径为11μm，由此公式计算，可将20000Hz以下的声波能量耗散为热能。若尖端孔进一步减小，可耗散更大频率范围的声能，此处不再赘述。

从图5的仿真中可看出，进入框架3的声波入射到微型声学黑洞结构时，在其尖端孔6的附近声压急剧较小，使得透射出微孔6的所有频率声波的声压大约为0.06Pa。从图6中可看出，透射出尖端孔6的声压级只有63dB，而入射声压以及在微穿孔薄膜1、框架3和黑洞薄膜2中的声压级为94dB，这说明本发明可减小31dB的声压级，并且透射出的声波几乎很少，只占0.36％左右。

但是，依然有13％左右的声波被反射，即其反射系数为0.13。并且其反射系数在低频处略高于高频处。而增大尖端孔6的直径可减小反射，但会迅速增大透射性能。例如尖端直径d₀与开口直径d_L的比值d₀/d_L＝0.3时，反射系数仅为3％，而透射系数高达42％，其整体的吸声系数为55％，远低于d₀/d_L＝0.1时的吸声系数。因此本发明的技术方案也可通过调节d₀/d_L的比值来实现不同的反射、透射和吸声系数。此处不再赘述。

综上，本发明是利用声学黑洞的声能聚焦效应将通过微穿孔薄膜1的透射声波的声能聚焦于声学黑洞尖端孔6处，再利用微米级的微孔的热粘性声学效应将某一大频率以下的整个频段的声能量耗散为热能。其基本原理结合声学黑洞效应和热粘性声学效应，使其达到良好的超大频带的良好吸声。如图7所示，通过测试，本发明的吸声系数在1-20000Hz上可高于86.5％，并随着频率的增加，其反射系数减小，吸声系数也随之增加，在20000Hz处达到最大值，约为90％。并且可通过调节d₀/d_L的值来实现不同的反射、透射和吸声要求。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

Claims (4)

1.一种基于微孔薄膜和微型声学黑洞结构的全频带吸声结构，其特征在于，包括：

微穿孔薄膜(1)、黑洞薄膜(2)和框架(3)，其中，所述微穿孔薄膜(1)设置在框架(3)的上端，所述黑洞薄膜(2)设置在框架(3)的下端，所述框架(3)设置在微穿孔薄膜(1)和黑洞薄膜(2)之间构成封闭形状；

所述微穿孔薄膜(1)被配置用于使入射声波最大限度地透过以及通过非线性作用减少来自黑洞薄膜(2)的声波反射；所述微穿孔薄膜(1)的厚度为50-1000μm，其表面阵列分布多个相同直径d为50-100μm的微孔(4)，阵列分布用于使声波最大限度地透过所述微穿孔薄膜(1)，其中阵列尺寸为：微孔(4)的横向间距为0.8d且纵向间距为d或者横向间距为d且纵向间距为0.8d；

所述黑洞薄膜(2)被配置用于使声能聚焦将声能转化为热能，所述黑洞薄膜(2)的厚度为80-1000μm，黑洞薄膜(2)的表面阵列分布多个相同的微型声学黑洞结构，所述微型声学黑洞结构的截面形状为锥形；

所述微型声学黑洞结构靠近微穿孔薄膜(1)的一面为直径较大的开口孔(5)，所述开口孔(5)的直径d_L为100-400μm，微型声学黑洞结构的阵列尺寸为：开口孔(5)的横向间距为0.5d_L且纵向间距为0.7d_L或者横向间距为0.7d_L且纵向间距为0.5d_L；所述微型声学黑洞结构远离微穿孔薄膜(1)的一面为直径较小的尖端孔(6)，尖端孔(6)和开口孔(5)一一对应，且所述尖端孔(6)的直径d₀＝0.1d_L；

所述微型声学黑洞结构借助流体介质传播声波，使得入射声波随着微型声学黑洞结构的直径减小，声能在尖端孔(6)处达到最大聚焦；

所述微穿孔薄膜(1)和黑洞薄膜(2)之间的距离为0.5-2mm，所述框架(3)的长度和宽度均为1.5mm。

2.根据权利要求1所述的一种基于微孔薄膜和微型声学黑洞结构的全频带吸声结构，其特征在于：通过声学边界层公式计算得到入射声波允许的最高频率f，

其中μ为流体介质粘度，d₀为尖端孔(6)的直径，ρ为流体介质的密度。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于微孔薄膜和微型声学黑洞结构的全频带吸声结构，其特征在于：所述流体介质为空气或水。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于微孔薄膜和微型声学黑洞结构的全频带吸声结构，其特征在于：所述入射声波的频率为1-20000HZ。

Images