CN113362797A - 一种粗糙折叠式亚波长低频吸声结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，腔体的内部设置有多块粗糙波纹隔板构成亥姆霍兹共振腔，多块粗糙波纹隔板在亥姆霍兹共振腔体内形成S型结构的颈部微通道。本发明具有优秀的低频吸声性能，具有更好的吸声性能可调性，具有良好的承载性能，结构简单、便于大规模加工制造。
Description
技术领域
本发明属于噪声控制技术领域，具体涉及一种粗糙折叠式亚波长低频吸声结构。
背景技术
随着工业技术的不断发展，噪音污染日益严重，如何降低噪声成为很多领域广泛关注的问题。多孔材料如泡沫铝材料、烧结纤维材料、陶瓷纤维材料，由于其良好的吸声性能在工程和生活中广泛应用。多孔材料的吸声机理是利用空气和材料孔隙内壁的粘性损耗与热传导，其材料特性使其对中高频噪声具有很好的吸声性能。但也正是其材料自身结构尺寸的限制，导致多孔材料对于低频噪音(<500Hz)的吸收能力表现不足。针对于低频噪声难题，人们设计出各种人工周期性结构，即声学超材料。声学超材料具有不同于天然多孔材料的超常规声学特性。
目前低频吸声结构的主要工作机理是共振吸声，即利用结构共振获得很大的振动速度，通过空气与结构内壁的快速摩擦，从而消耗声能。如工程和生活中常见的微穿孔板吸声结构就是一种典型的亥姆霍兹共振器。通常这类共振结构在吸收低频噪声时，需要一个四分之一波长的背腔，导致结构尺寸变大，限制了其在实际工程中的应用。尽管有很多学者针对这个问题提出了各种“卷曲”背腔结构，但是在实际加工制造中制造困难，不适宜大规模加工制造。
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，提供一种粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，解决传统吸声结构结构尺寸大、低频吸声性能不佳、无法大规模加工制造的问题。
本发明采用以下技术方案：
一种粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，包括腔体，腔体的内部设置有多块粗糙波纹隔板构成亥姆霍兹共振腔，多块粗糙波纹隔板在亥姆霍兹共振腔体内形成S型结构的颈部微通道。
具体的，粗糙波纹隔板的表面形状由函数Y控制，具体为：
Y＝wεsin(βx/w)
其中，ε为相对粗糙度，β为粗糙度波数，x是沿着隔板方向的坐标，w为相邻两粗糙波纹隔板之间的间距。
具体的，粗糙波纹隔板的相对粗糙度为0.1～0.25，粗糙波纹隔板的粗糙度波数为2π～8π。
具体的，粗糙波纹隔板的厚度1～2mm，粗糙波纹隔板的长度为W-2t0-w，其中，W为腔体的宽度，t0为腔体的壁厚，w为相邻两粗糙波纹隔板之间的间距，相邻两粗糙波纹隔板之间的间距为1～5mm。
具体的，粗糙波纹隔板的块数为2～6块。
具体的，腔体的截面为矩形结构。
进一步的，腔体的长为20～50mm，宽为20～50mm。
具体的，腔体的厚度为20～60mm。
具体的，腔体和粗糙波纹隔板均采用树脂、钢或木材制备而成。
具体的，腔体和粗糙波纹隔板通过焊接、榫接或胶接方式连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，通过连接腔体和粗糙波纹隔板形成亥姆霍兹共振结构；将隔板设计成粗糙的波纹结构，改善了结构的声阻抗特性，得到了更好的低频吸声性能；隔板设计可以使该吸声结构便于大规模制造，灵活调节结构尺寸，能满足各种工况的噪声吸收。也可作为一种兼具吸声、承载能力的多功能结构，结构采用空腔和粗糙波纹隔板模块化设计，可以加工出标准化零件，再根据实际所需的工况进行组装。加工方法可以使用且不限于3D打印、冲压工艺等；试件在100Hz～400Hz的一定频率处可实现准完美吸声(吸声系数0.95以上)。结构厚度为相应共振频率波长的1/21～1/49，是一种优异的亚波长吸声结构。
进一步的，确定的粗糙波纹隔板可以通过调节相对粗糙度和波数来灵活调节吸声峰值和峰值频率，同时也能更好地耗散声能。
进一步的，通过调节粗糙波纹隔板的相对粗糙度和粗糙度波数，实现对目标频段的任一频率实现准完美吸声(吸声系数>0.95)。
进一步的，粗糙波纹隔板的厚度、长度设置可以保证吸声结构具有一定的刚度，同时又使得结构相对轻薄。
进一步的，相邻两粗糙波纹隔板之间的间距设计为1～5mm可以使声波能够较好的进入结构，同时也可保证结构的加工精度，通过调节粗糙波纹隔板块数设置的目的或好处可以灵活地调节结构的吸声峰值频率和峰值频率，同时有助于提高声能耗散密度、缩小结构尺寸。
进一步的，将腔体的截面设计为矩形结构可以使结构易于安装，同时可以方便的与其他不同结构参数的吸声结构并联形成宽带吸声体。
进一步的，腔体的厚度为20～60mm，腔体的厚度影响着共振腔体的几何尺寸，通过调节腔体的厚度调节结构的吸声性能，实现对目标频段的任一频率实现准完美吸声(吸声系数>0.95)。
进一步的，由树脂、钢、木材等硬质材料制成，具有良好的力学性能，可作为一种兼具吸声、承载能力的多功能结构。
进一步的，腔体和粗糙波纹隔板通过焊接、榫接或胶接方式连接，保证结构刚度的同时便于加工制造。
综上所述，本发明具有优秀的低频吸声性能，具有更好的吸声性能可调性，具有良好的承载性能，结构简单、便于大规模加工制造。
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)为立体图，(b)为剖视图，(c)为粗糙波纹隔板截面图；
图2为本发明结构在100～400Hz内的吸声系数示意图。
其中：1.腔体；2.粗糙波纹隔板。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，通过焊接、榫接或胶接等方法连接腔体和粗糙波纹隔板，形成亥姆霍兹共振腔，粗糙波纹隔板交叉排布构成结构颈部，粗糙波纹形隔板为共振结构提供了更大的声阻和声质量，改善了结构的声阻抗特性，从而提高了结构的低频吸声性能。结构采用空腔和粗糙波纹隔板模块化设计，可以加工出标准化零件，再根据实际所需的工况进行组装。加工方法可以使用且不限于3D打印、冲压工艺等。有效解决了传统吸声结构结构尺寸大、低频吸声能力不足、实际加工制造中制造困难，不适宜大规模加工制造的问题
请参阅图1，本发明一种粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，包括腔体1和粗糙波纹隔板2，粗糙波纹隔板2包括多个，沿腔体1的内壁从上至下交叉排布构成亥姆霍兹共振腔，多个粗糙波纹隔板2在亥姆霍兹共振腔体内形成S型结构的颈部微通道，腔体1和粗糙波纹隔板2通过焊接、榫接或胶接方式连接，腔体1的结构下表面固定在需要降噪的结构表面。
粗糙波纹隔板2的表面形状由函数Y控制，具体为：
Y＝wεsin(βx/w)
其中，ε为相对粗糙度，β为粗糙度波数，x是沿着隔板方向的坐标，w为相邻两粗糙波纹隔板之间的间距。
粗糙波纹隔板2的相对粗糙度为0.1～0.25，粗糙波纹隔板2的粗糙度波数为2π～8π。
粗糙波纹隔板2的厚度1～2mm，粗糙波纹隔板的长度为W-2t0-w，W为腔体的宽度，t0为腔体的壁厚，w为相邻两粗糙波纹隔板之间的间距，相邻两粗糙波纹隔板2之间的间距为1～5mm。
粗糙波纹隔板2的块数为2～6块。
粗糙波纹隔板2采用树脂、钢、木材等硬质材料制造。
腔体1的截面为矩形结构，长为20～50mm，宽为20～50mm，腔体1的厚度为20～60mm。
腔体1由树脂、钢、木材等硬质材料制造。
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1和粗糙波纹隔板2组成，其吸声性能要结构几何参数决定，具体包括腔体长度、腔体厚度、腔体宽度、粗糙波纹隔板块数、粗糙波纹隔板间距、粗糙波纹隔板相对粗糙度，粗糙波纹隔板粗糙度波数。可根据实际工况设计和灵活调整结构参数，以满足工程需要。下面通过具体实施例对本发明技术方案进行实例性说明。
实施例用材料：
结构钢：其特征是密度7850kg/m3，杨氏模量200GPa,泊松比0.2。
空气：其特征是密度1.21kg/m3，声速343m/s，动力粘性系数为1.81×10-5Pa·s。
对比例
选择无粗糙度的隔板形亚波长低频吸声结构作为对比例，其中腔体截面长宽为39mm×42mm，腔体厚度为54mm。隔板厚度为2mm，隔板长度为39mm，隔板块数为3块。
实施例1
腔体截面长宽为39mm×42mm，腔体厚度为54mm。隔板厚度为2mm，隔板长度为39mm，隔板块数为5块。粗糙波纹隔板相对粗糙度为0.2，粗糙波纹隔板粗糙度波数为2π。
实施例2
腔体截面长宽为49mm×42mm，腔体厚度为54mm。隔板厚度为2mm，隔板长度为39mm，隔板块数为6块。粗糙波纹隔板相对粗糙度为0.2，粗糙波纹隔板粗糙度波数为2π。
实施例3
腔体截面长宽为49mm×42mm，腔体厚度为54mm。隔板厚度为2mm，隔板长度为39mm，隔板块数为6块。粗糙波纹隔板相对粗糙度为0.2，粗糙波纹隔板粗糙度波数为4π。
请参阅图2，粗糙折叠式亚波长低频吸声结构可以实现低频准完美吸声(吸声系数>0.95),粗糙波纹隔板的设计使结构的声阻抗特性得到改善，提高了结构的声阻和声质量。
请参阅图2，对比例在301Hz处达到吸声峰值，峰值大小为0.7，吸声效果较差。
实施例1与对比例具有相同的空腔大小，其区别在于实施例中的隔板是粗糙波纹隔板，数量是5块。其在221Hz处实现完美吸声，吸声峰值为0.99,与对比例相比，实施例1的吸声峰值向低频移动了80Hz,吸声峰值提高了0.29。与对比例相比，结构的低频吸声性能得到了很大的改善。结构厚度为相应完美吸声波长的1/39。
实施例2进一步优化了参数后，其在171Hz处实现完美吸声，吸声峰值为0.99,与对比例相比，实施例1的吸声峰值向低频移动了130Hz,吸声峰值提高了0.29。同样的，与对比例相比，结构的低频吸声性能得到了很大的改善。结构厚度为相应完美吸声波长的1/41。
实施例3进一步优化了参数后，其在156Hz处实现完美吸声，吸声峰值为0.99,与对比例相比，实施例1的吸声峰值向低频移动了145Hz,吸声峰值提高了0.29。同样的，与对比例相比，结构的低频吸声性能得到了很大的改善。结构厚度为相应完美吸声波长的1/45。
从吸声系数曲线可以看出本发明通过结构参数调节，可以实现对低频某一频率实现准完美吸声。(吸声系数>0.95)。
综上所述，本发明一种粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，过焊接、榫接或胶接等方法连接腔体和粗糙波纹隔板，形成亥姆霍兹共振吸声结构，粗糙波纹隔板交叉排布构成亥姆霍兹共振结构的颈部，粗糙波纹形的设计为共振结构提供了更大的声阻和声质量，改善了结构的声阻抗特性，从而提高了结构的低频吸声性能。结构采用空腔和粗糙波纹隔板模块化设计，可以加工出标准化零件，再根据实际所需的工况进行组装。加工方法可以使用且不限于3D打印、冲压工艺等。有效解决了传统吸声结构结构尺寸大、低频吸声能力不足、实际加工制造中制造困难，不适宜大规模加工制造的问题。
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 (10)
1.一种粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，其特征在于，包括腔体(1)，腔体(1)的内部设置有多块粗糙波纹隔板(2)构成亥姆霍兹共振腔，多块粗糙波纹隔板(2)在亥姆霍兹共振腔体内形成S型结构的颈部微通道。
2.根据权利要求1所述的粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，其特征在于，粗糙波纹隔板(2)的表面形状由函数Y控制，具体为：
Y＝wεsin(βx/w)
其中，ε为相对粗糙度，β为粗糙度波数，x是沿着隔板方向的坐标，w为相邻两粗糙波纹隔板之间的间距。
3.根据权利要求1所述的粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，其特征在于，粗糙波纹隔板(2)的相对粗糙度为0.1～0.25，粗糙波纹隔板(2)的粗糙度波数为2π～8π。
4.根据权利要求1所述的粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，其特征在于，粗糙波纹隔板(2)的厚度1～2mm，粗糙波纹隔板(2)的长度为W-2t0-w，其中，W为腔体的宽度，t0为腔体的壁厚，w为相邻两粗糙波纹隔板之间的间距，相邻两粗糙波纹隔板(2)之间的间距为1～5mm。
5.根据权利要求1所述的粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，其特征在于，粗糙波纹隔板(2)的块数为2～6块。
6.根据权利要求1所述的粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，其特征在于，腔体(1)的截面为矩形结构。
7.根据权利要求6所述的粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，其特征在于，腔体(1)的长为20～50mm，宽为20～50mm。
8.根据权利要求1所述的粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，其特征在于，腔体(1)的厚度为20～60mm。
9.根据权利要求1所述的粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，其特征在于，腔体(1)和粗糙波纹隔板(2)均采用树脂、钢或木材制备而成。
10.根据权利要求1所述的粗糙折叠式亚波长低频吸声结构，其特征在于，腔体(1)和粗糙波纹隔板(2)通过焊接、榫接或胶接方式连接。
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