CN113362796B - 一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构 - Google Patents

一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，腔体的高度为20～50mm，直径为20～30mm，腔体的上表面开有小孔，小孔内设置有双向粗糙内插管，双向粗糙内插管与腔体采用胶接或焊接方式连接，腔体的下表面固定在需要声学处理的物体表面，形成双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，在100～500Hz频率处的吸声系数大于0.99。本发明具有优异的低频段吸声性能、良好的承载能力以及轻量化的整体结构。在设计方面具有更多的可调控结构几何参数，可根据实际场景需求进行优化调节，并且结构简单，便于制造和组装。

Description

一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构
技术领域
本发明属于空气吸声技术领域，具体涉及一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构。
背景技术
随着低频噪声对人类生产生活的影响不断扩大，对其的有效吸收越来越受到人们的关注。传统的亥姆霍兹共振吸声结构由微穿孔板和空气背腔组合而成，通过声波在腔体中的振动，从而吸收声能达到隔音降噪的效果，其应用的场景包括但不限于影视剧院、酒店会馆、以及飞机、火车等载客的设备设施。传统的微穿孔板亥姆霍兹共振吸声结构，对低频段的噪声吸收能力较差，需要增大腔体体积或增加微穿孔板厚度才能实现一定的吸声效果，但这也造成了材料与空间的浪费，不利于实际运用。此外虽然提出了一些内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，但其内插管为圆柱形、花瓣形或轴向粗糙形，其声阻抗性能较差，不能最大限度的提升整体结构对低频噪声的吸收性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，解决了以往空气吸声结构中普遍存在的低频吸声效果不佳、有效吸声带宽较窄、加工制造难度大、结构尺寸较大以及轻量化难度大等问题。
本发明采用以下技术方案：
一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，包括腔体，腔体的高度为20～50mm，直径为20～30mm，腔体的上表面开有小孔，小孔内设置有双向粗糙内插管，双向粗糙内插管与腔体采用胶接或焊接方式连接，腔体的下表面固定在需要声学处理的物体表面，形成双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，在100～500Hz频率处的吸声系数大于0.99。
具体的，双向粗糙内插管的内壁面半径满足以下函数关系：
R(z,θ)＝Rn×[1+2εa×cos(βa×z/2/Rn)][1-2εc×sin(βc×θ)]
其中，Rn为双向粗糙内插管的平均内半径，εa为双向粗糙内插管的轴向相对粗糙度，βa为双向粗糙内插管的轴向波数，z为沿双向粗糙内插管长度方向的坐标，εc为双向粗糙内插管的周向相对粗糙度，βc为双向粗糙内插管的周向波数，θ为沿双向粗糙内插管周向的坐标。
具体的，双向粗糙内插管的平均内半径Rn为1.5～3mm。
具体的，双向粗糙内插管的轴向相对粗糙度εa为0.15～0.25。
具体的，双向粗糙内插管的周向相对粗糙度εc为0.1～0.2。
具体的，双向粗糙内插管的周向波数βc为3～12。
具体的，双向粗糙内插管的长度为15～30mm。
具体的，双向粗糙内插管的轴向波数βa为0.5π～2π。
具体的，腔体的形状为圆柱型、棱柱型或不规则形。
具体的，腔体和双向粗糙内插管采用钢材、合金、树脂、木材或复合材料制备而成。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，腔体的高度为20～50mm，决定了亥姆霍兹共振腔体容积以及整体结构的厚度，通过对腔体高度进行调节，可以实现对结构吸声频带的控制，以及结构总体厚度的控制，腔体的直径为20～30mm，起到声容作用，通过对腔体直径进行调整，可以实现对结构吸声峰值频率的控制，双向粗糙内插管通过胶接或焊接与腔体上的开孔相连结，双向粗糙内插管的引入不仅将腔体与外界空气相连通，而且因为其特殊的构型还会对整体结构的声阻抗产生调节作用；通过在内插管壁面上引入双向粗糙度，改善了整体结构的声学阻抗特性，提升了整体结构的低频吸声特性，拓展了整个结构的吸声带宽。通过在腔体中引入双向粗糙内插管，并对腔体进行优化设计，使得整体结构在实现良好低频吸声效果的前提下，缩减了结构的体积以及减轻了结构的质量，同时也确保了结构的承载能力，有效解决了以往亥姆霍兹共振类吸声结构低频吸声效果不佳、有效吸声带宽较窄、加工制造难度大、结构尺寸较大以及轻量化难度大等问题。
进一步的，双向粗糙内插管内壁面半径满足函数关系R(z,θ)，决定了内插管壁面的形状，通过对其参数进行调节可以实现对整体结构声学性能的控制。
进一步的，双向粗糙内插管的平均内半径为1.5～3mm，决定了管内空气柱的体积，通过改变双向粗糙内插管的内半径可以改变整体结构的共振特性，从而达到调节整体结构吸声性能的目的。
进一步的，双向粗糙内插管的轴向相对粗糙度为0.15～0.25，决定了管内空气柱的直径沿管轴向的变化幅值以及与管壁面接触面积的大小，通过对双向粗糙内插管轴向相对粗糙度的调节可以达到对整体结构声阻抗调节的目的，进而实现对结构吸声性能的控制。
进一步的，双向粗糙内插管的周向相对粗糙度为0.1～0.2，决定了双向粗糙内插管内空气柱的直径沿管周向变化幅值以及与管壁接触面积的大小，通过对双向粗糙内插管周向相对粗糙度的调节可以达到对整体结构声阻抗调节的目的，进而实现对结构吸声性能的控制。
进一步的，双向粗糙内插管的周向波数为3～12，决定了双向粗糙内插管内空气柱的直径沿管周向变化的快慢，通过对双向粗糙内插管周向波数的调节可以达到对整体结构声阻抗调节的目的，从而实现对结构吸声性能的调控。
进一步的，双向粗糙内插管的长度为15～30mm，决定了双向粗糙内插管内空气柱的高度，通过改变双向粗糙内插管的长度可以实现对结构声阻抗的调节，进而实现对整体结构吸声性能的调节。
进一步的，双向粗糙内插管的轴向波数为0.5π～2π，决定了双向粗糙内插管内空气柱的直径沿管轴向变化的快慢，通过对双向粗糙内插管轴向波数的调节可以达到对整体结构声阻抗调节的目的，从而实现对结构吸声性能的调控。
进一步的，腔体的形状为圆柱形、棱柱形或不规则形，在不改变整体结构性能的前提下，可以更好的满足实际应用需求。
进一步的，腔体和双向粗糙内插管由钢材、合金、树脂、木材或复合材料等硬质材料制成，腔体上表面开有一个小孔，下表面固定在需要声学处理的物体表面上，硬质材料的应用保证了结构具有一定的承载能力，双向粗糙内插管通过胶接或焊接与腔体上的开孔相连结，双向粗糙内插管的引入不仅将腔体与外界空气相连通，而且因为其特殊的构型还会对整体结构的声阻抗产生调节作用，形成双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振器。
综上所述，本发明具有优异的低频段吸声性能、良好的承载能力以及轻量化的整体结构。在设计方面具有更多的可调控结构几何参数，可根据实际场景需求进行优化调节，并且结构简单，便于制造和组装。
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为本发明结构示意图，其中，(a)为一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构示意图，(b)为一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构剖视图，(c)为双向粗糙内插管剖视图；
图2为本发明三个实施例在100～500Hz内的吸声系数示意图。
其中：1.腔体；2.双向粗糙内插管。
具体实施方式
本发明提供了一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，通过胶接或焊接方式将腔体和双向粗糙内插管连接构成双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，并在内插管内壁上引入双向粗糙度，优化了整体结构的声阻抗特性，明显改善了整体结构的低频吸声性能，拓展了整体结构的吸声带宽。整体结构不仅实现了良好的低频吸声性能，而且有效缩减了其所占的空间体积并减轻了结构的质量，同时还保证了整体结构的承载能力，解决了以往空气吸声结构中普遍存在的低频吸声效果不佳、有效吸声带宽较窄、加工制造难度大、结构尺寸较大以及轻量化难度大等问题。
请参阅图1，本发明一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，包括腔体1和双向粗糙内插管2，腔体1的下表面固定在需要声学处理的物体表面，上表面开有小孔，双向粗糙内插管2设置在小孔内，采用胶接或焊接方式与腔体1连接，形成一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构。
腔体1的直径为20～30mm。
腔体1的形状为圆柱型、棱柱型或不规则形。
腔体1的高度为20～50mm。
腔体1由钢材、合金、树脂、木材或复合材料等硬质材料制作而成，上表面开有一个小孔，下表面固定在需要声学处理的物体表面上，双向粗糙内插管2通过胶接或焊接与腔体上的小孔连接。
双向粗糙内插管2的内壁面半径满足以下函数关系：
R(z,θ)＝Rn×[1+2εa×cos(βa×z/2/Rn)][1-2εc×sin(βc×θ)]
其中，Rn为双向粗糙内插管的平均内半径，εa为双向粗糙内插管的轴向相对粗糙度，βa为双向粗糙内插管的轴向波数，z为沿双向粗糙内插管长度方向的坐标，εc为双向粗糙内插管的周向相对粗糙度，βc为双向粗糙内插管的周向波数，θ为沿双向粗糙内插管周向的坐标。
双向粗糙内插管2的平均内半径为1.5～3mm。
双向粗糙内插管2的轴向相对粗糙度为0.15～0.25。
双向粗糙内插管2的轴向波数为0.5π～2π。
双向粗糙内插管2的周向相对粗糙度为0.1～0.2。
双向粗糙内插管2的周向波数为3～12。
双向粗糙内插管2的长度为15～30mm。
双向粗糙内插管2由钢材、合金、树脂、木材或复合材料等硬质材料制成。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明由腔体、双向粗糙内插管组成，其吸声性能主要由共振腔参数决定，具体包括腔体直径、腔体高度、双向粗糙内插管直径、双向粗糙内插管轴向相对粗糙度、双向粗糙内插管轴向波数、双向粗糙内插管周向相对粗糙度、双向粗糙内插管周向波数以及双向粗糙内插管长度。承载和轻量化能力主要由腔体的尺寸决定，包括腔体直径和高度。由于这些结构参数均为可调参数，故可通过对相应参数的调节实现特定的吸声、承载和轻量化的要求。下面通过具体的实施例对本发明技术方案进行示例性说明。
实施例用材料：
合金钢：其特征是密度7820kg/m3，杨氏模量206GPa，泊松比0.29。
空气：其特征是密度1.29kg/m3，声速343m/s，动力粘度系数1.81×10-5Pa·s。
对比例的结构尺寸以及材料选择：
对比例1
选择光滑内插管式亥姆霍兹共振吸声结构作为对比例1，其中，腔体直径20mm，腔体高度20mm，光滑内插管内半径1.5mm，光滑内插管长度15mm。
对比例2
选择花瓣形内插管式亥姆霍兹共振吸声结构作为对比例2，其中，腔体直径20mm，腔体高度20mm，花瓣形内插管平均内半径1.5mm，花瓣形内插管周向相对粗糙度0.1，花瓣形内插管周向波数8，花瓣形内插管长度15mm。
对比例3
选择轴向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构作为对比例3，其中，腔体直径20mm，腔体高度20mm，轴向粗糙内插管平均内半径1.5mm，轴向粗糙内插管轴向相对粗糙度0.15，轴向粗糙内插管轴向波数0.5π，轴向粗糙内插管长度15mm。
实施例的结构尺寸以及材料选择：
实施例1
腔体直径20mm，腔体高度20mm，双向粗糙内插管平均内半径1.5mm，双向粗糙内插管轴向相对粗糙度0.15，双向粗糙内插管轴向波数0.5π，双向粗糙内插管周向相对粗糙度0.1，双向粗糙内插管周向波数8，双向粗糙内插管长度15mm。
实施例2
腔体直径24mm，腔体高度30mm，双向粗糙内插管平均内半径2mm，双向粗糙内插管轴向相对粗糙度0.25，双向粗糙内插管轴向波数π，双向粗糙内插管周向相对粗糙度0.15，双向粗糙内插管周向波数3，双向粗糙内插管长度20mm。
实施例3
腔体直径30mm，腔体高度50mm，双向粗糙内插管平均内半径3mm，双向粗糙内插管轴向相对粗糙度0.2，双向粗糙内插管轴向波数2π，双向粗糙内插管周向相对粗糙度0.2，双向粗糙内插管周向波数12，双向粗糙内插管长度30mm。
请参阅图2，双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振结构可以在一定低频频率范围内实现较高的吸声性能。通过在内插管内壁上引入双向粗糙度，使得整体结构的声学阻抗特性得到了改善，进而与空气的特性阻抗达到了完美的匹配，使本发明实现了完美的低频吸声。
请参阅图2，对比例1在427Hz处达到吸声峰值，峰值大小为0.92，无法实现完美吸声；对比例2在425Hz处达到吸声峰值，峰值大小为0.95，无法实现完美吸声；对比例3在388Hz处达到吸声峰值，峰值大小为0.97，无法实现完美吸声。
实施例1与对比例1、2、3具有相同的结构参数。与对比例1、2、3相比，实施例1的主要区别在于内插管的内壁具有双向粗糙度，其可在370Hz处实现完美吸声，吸声峰值为0.99。与对比例1、2、3相比，在内插管内壁面引入双向粗糙度后，本发明实施例1的吸声峰值分别向低频移动了57Hz(13.3％)、55Hz(12.9％)、18(4.6％)，吸声峰值大小提高了0.07(7.6％)、0.04(4.2％)、0.02(2.1％)。与对比例1、2、3相比，实施例1的低频吸声性能得到了很大的提升。此时结构厚度仅为20mm，为相应吸声峰值频率波长的1/46，故而本结构为一种深亚波长尺度低频完美吸声超材料。
实施例2于进一步优化结构参数后，在259Hz处实现完美吸声，吸声峰值为0.99。与对比例1、2、3相比，实施例2的吸声峰值向低频移动了138Hz(39.3％)、166Hz(39.1％)、129(33.2％)，吸声峰值大小提高了0.07(7.6％)、0.04(4.2％)、0.02(2.1％)。与对比例1、2、3相比，整体结构的低频吸声性能得到了极大的改善。此时结构厚度仅为30mm，为相应吸声峰值频率波长的1/44，故而本结构为一种深亚波长尺度低频完美吸声超材料。
实施例3于进一步优化结构参数后，在138Hz处实现完美吸声，吸声峰值为0.99。与对比例1、2、3相比，实施例3的吸声峰值向低频移动了289Hz(67.7％)、287Hz(67.5％)、250(64.4％)，吸声峰值大小提高了0.07(7.6％)、0.04(4.2％)、0.02(2.1％)。与对比例1、2、3相比，整体结构的低频吸声性能得到了极大的改善。此时结构厚度仅为50mm，为相应吸声峰值频率波长的1/50，故而本结构为一种深亚波长尺度低频完美吸声超材料。
吸声系数曲线图表明本发明可在一定的频率范围内实现优异的低频吸声性能，且结构具有深亚波长尺寸特性，通过对不同结构参数进行优化设计能够实现对其声学性能的调控。
综上所述，本发明一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构具有以下特点：
1、具有异常优秀的低频吸声性能
本发明的相应试件在100～500Hz的特定频率处其吸声系数达到了0.99以上，实现了整体结构的完美吸声。与现有吸声结构相比，其吸声峰值频率向低频移动了4.6％～67.7％，吸声峰值提高了2.1％～7.6％。并且结构厚度仅为相应吸声峰值频率波长的1/50～1/44，是一种深亚波长尺度低频完美吸声超材料。
2、具有良好的承载能力和轻量化特性
本发明的腔体由钢等硬质材料制作而成，使得该结构具有一定的承载能力，且结构厚度仅为20～50mm，是一种具有承载、轻量化的吸声降噪多功能结构。
3、具有更多的可调参数和变量
本发明中的腔体直径、腔体高度、双向粗糙内插管的内半径、双向粗糙内插管的轴向相对粗糙度、双向粗糙内插管的轴向波数、双向粗糙内插管的周向相对粗糙度、双向粗糙内插管的周向波数以及双向粗糙内插管的长度均为可调参数，可根据实际应用场景的要求，如对承载能力的要求、对空间体积和重量的要求以及对特定频率噪声吸收的要求进行合理的设计选择。
4、结构简单，易于制造。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，其特征在于，包括腔体(1)，腔体(1)的高度为20～50mm，直径为20～30mm，腔体(1)的上表面开有小孔，小孔内设置有双向粗糙内插管(2)，双向粗糙内插管(2)的平均内半径Rn为1.5～3mm，双向粗糙内插管(2)的轴向相对粗糙度εa为0.15～0.25，双向粗糙内插管(2)的周向相对粗糙度εc为0.1～0.2，双向粗糙内插管(2)的周向波数βc为3～12，双向粗糙内插管(2)的长度为15～30mm，双向粗糙内插管(2)的轴向波数βa为0.5π～2π，双向粗糙内插管(2)与腔体(1)采用胶接或焊接方式连接，腔体(1)的下表面固定在需要声学处理的物体表面，形成双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，在100～500Hz频率处的吸声系数大于0.99；
双向粗糙内插管(2)的内壁面半径满足以下函数关系：
R(z,θ)＝Rn×[1+2εa×cos(βa×z/2/Rn)][1-2εc×sin(βc×θ)]
其中，Rn为双向粗糙内插管的平均内半径，εa为双向粗糙内插管的轴向相对粗糙度，βa为双向粗糙内插管的轴向波数，z为沿双向粗糙内插管长度方向的坐标，εc为双向粗糙内插管的周向相对粗糙度，βc为双向粗糙内插管的周向波数，θ为沿双向粗糙内插管周向的坐标。
2.根据权利要求1所述的双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，其特征在于，腔体(1)的形状为圆柱型、棱柱型或不规则形。
3.根据权利要求1所述的双向粗糙内插管式亥姆霍兹共振吸声结构，其特征在于，腔体(1)和双向粗糙内插管(2)采用钢材、合金、树脂、木材或复合材料制备而成。
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