CN113362798A - 一种可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构 - Google Patents

一种可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，多个蜂窝腔体的一侧依次固定在需要声学处理的物体表面，每个蜂窝腔体的另一侧中心设置有可变管形内插管，可变管形内插管的内壁面半径满足函数关系R(z,θ)。本发明具有完美的低频宽带降噪性能、轻薄以及轻质的整体结构，同时还有一定的荷载能力。在可操控性方面，具有更多的可调参数，以满足对解决不同问题的现实需求，结构构造简单，易于商品化制造。

Description

一种可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构
技术领域
本发明属于空气声吸声技术领域，具体涉及一种可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构。
背景技术
目前，传统的蜂窝层芯夹层板降噪结构，主要通过结构的弹性变形实现对声能的耗散，从而达到降噪的目的，其广泛应用于高铁、飞机等交通运输设备。考虑到其吸声性能较差，后来人们又将微穿孔板和蜂窝层芯夹层板结构进行了结合，创造了微穿孔蜂窝层芯夹层板吸隔声结构。微穿孔板的引入使得传统的蜂窝层芯夹层板结构形成了以弹性变形耗能作用为主，赫姆霍兹共振器吸声为辅的新型降噪结构。但由于微穿孔板的孔形为圆形，且其整体吸声性能受微穿孔板厚度的影响较大，故而其低频宽带吸声性能较差。
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，提供一种可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，解决了以往微穿孔蜂窝层芯夹层板吸声结构中普遍存在的低频吸声性能不足、带宽窄，以及结构较厚、重量较大以及轻量化难度大等问题。
本发明采用以下技术方案：
一种可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，包括蜂窝腔体，多个蜂窝腔体的一侧依次固定在需要声学处理的物体表面，每个蜂窝腔体的另一侧中心设置有可变管形内插管，可变管形内插管的内壁面半径R(z,θ)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为可变管形内插管的平均内半径，εa为可变管形内插管的轴向相对粗糙度，βa为可变管形内插管的轴向波数，z为沿可变管形内插管长度方向的坐标，εc为可变管形内插管的周向相对粗糙度，βc为可变管形内插管的周向波数，θ为沿可变管形内插管周向的坐标。
具体的，可变管形内插管的平均内半径为2.22～3mm。
具体的，可变管形内插管的轴向相对粗糙度为0～0.2。
具体的，可变管形内插管的轴向波数为0.5π～2π。
具体的，可变管形内插管的周向相对粗糙度为0～0.2。
具体的，可变管形内插管的周向波数为6～12。
具体的，可变管形内插管的长度为8.76～27.27mm。
具体的，蜂窝腔体的形状为正六边形棱柱、圆柱或不规则形。
具体的，蜂窝腔体的中线边长为15～30mm。
具体的，蜂窝腔体的高度为30～70mm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，将蜂窝腔体和可变管形内插管连接形成可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构；通过在蜂窝腔体中引入可变管形内插管，并对蜂窝腔体进行优化设计，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，有效解决了以往微穿孔蜂窝层芯夹层板吸声结构低频吸声性能不足、带宽窄、结构较厚以及重量较大等问题，可变管形内插管的引入不仅将蜂窝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，形成可变管形内插管式共振吸声结构；通过对可变管形内插管壁面形状进行控制，改变其整体结构的声学阻抗特性，提升了整体结构的低频吸声性能，拓展了整个结构的吸声带宽。
进一步的，可变管形内插管的平均内半径为2.22～3mm，决定了管内空气柱的体积，通过改变可变管形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，可变管形内插管的轴向相对粗糙度为0～0.2，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，通过对可变管形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，可变管形内插管的轴向波数为0.5π～2π，决定了可变管形内插管内空气柱的直径沿管轴向变化的快慢，通过对可变管形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，可变管形内插管的周向相对粗糙度为0～0.2，决定了可变管形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，通过对可变管形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，可变管形内插管的周向波数为6～12，决定了可变管形内插管内空气柱的直径沿管周向变化的快慢，通过对可变管形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，可变管形内插管的长度为8.76～27.27mm，决定了可变管形内插管内空气柱的高度，通过改变可变管形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，蜂窝腔体的形状为正六边形、圆柱或其他棱柱以及不规则形状，可根据实际应用需求进行合理的选择，以适应不同的场景。
进一步的，蜂窝腔体的中线边长为15～30mm，起到了声容的作用，通过对蜂窝腔体边长进行调整，可以实现对结构吸声频带的控制。
进一步的，蜂窝腔体的高度为30～70mm，决定了共振腔体的容积以及整体结构的厚度，通过对蜂窝腔体的高度进行调节，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。
综上所述，本发明具有完美的低频宽带降噪性能、轻薄以及轻质的整体结构，同时还有一定的荷载能力。在可操控性方面，具有更多的可调参数，以满足对解决不同问题的现实需求，结构构造简单，易于商品化制造。
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)为四蜂窝可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构形态一，(b)为四蜂窝可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构形态二，(c)为四蜂窝可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构形态三，(d)为四蜂窝可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构形态四；
图2为本发明四个实施例在100～400Hz内的吸声系数示意图。
其中：1.可变管形内插管；2.蜂窝腔体。
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。
本发明提供了一种可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，通过胶接或焊接可变管形内插管和蜂窝腔体形成可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，并对可变管形内插管的壁面形状作出调整，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宽带吸声性能，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，解决了以往微穿孔蜂窝层芯夹层板吸声结构中普遍存在的低频吸声性能不足、带宽窄，以及结构较厚、重量较大等问题。
请参阅图1，本发明一种可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，包括可变管形内插管1和蜂窝腔体2，可变管形内插管1设置在蜂窝腔体2的中心，可变管形内插管1和蜂窝腔体2通过胶接或焊接方式连接，多个蜂窝腔体2的一侧依次固定在需要声学处理的物体表面上构成可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构。
可变管形内插管1由钢材、合金、树脂、木材或复合材料等硬质材料制成，硬质材料的应用保证了结构具有一定的承载能力，通过胶接或焊接方式与蜂窝腔体2上的开孔相连结，可变管形内插管1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为可变管形内插管的平均内半径，εa为可变管形内插管的轴向相对粗糙度，βa为可变管形内插管的轴向波数，z为沿可变管形内插管长度方向的坐标，εc为可变管形内插管的周向相对粗糙度，βc为可变管形内插管的周向波数，θ为沿可变管形内插管周向的坐标。
可变管形内插管1的平均内半径为2.22～3mm；可变管形内插管1的轴向相对粗糙度为0～0.2；可变管形内插管1的轴向波数为0.5π～2π；可变管形内插管1的周向相对粗糙度为0～0.2；可变管形内插管1的周向波数为6～12；可变管形内插管1的长度为8.76～27.27mm。
蜂窝腔体2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，蜂窝腔体2的中线边长为15～30mm，形状为正六边形棱柱、圆柱或其它棱柱以及不规则形，蜂窝腔体2的高度为30～70mm。
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。
本发明由蜂窝腔体、可变管形内插管组成，其吸声性能主要由结构几何参数决定，具体包括蜂窝腔体中线边长、蜂窝腔体高度、可变管形内插管内半径、可变管形内插管轴向相对粗糙度、可变管形内插管轴向波数、可变管形内插管周向相对粗糙度、可变管形内插管周向波数以及可变管形内插管长度。承载和轻量化能力主要由蜂窝腔体的尺寸决定，包括蜂窝腔体中线边长和高度。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：
钢材：其特征是密度8000kg/m3，杨氏模量210GPa，泊松比0.28。
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
选择四蜂窝微穿孔蜂窝层芯夹层板吸声结构作为对比例，其中，蜂窝腔体中线边长30mm，蜂窝腔体高度50mm，微穿孔半径为2.22mm、2.96mm、2.85mm和2.37mm。
实施例的结构尺寸以及材料选择：
实施例1
蜂窝腔体中线边长30mm，蜂窝腔体高度50mm，可变管形内插管平均内半径2.43mm、3.00mm、2.72mm和2.46mm，可变管形内插管长度8.76mm、19.78mm、9.82mm和10.88mm，可变管形内插管轴向相对粗糙度0.1，可变管形内插管轴向波数2π，可变管形内插管周向相对粗糙度0，可变管形内插管周向波数8。
实施例2
蜂窝腔体中线边长30mm，蜂窝腔体高度70mm，可变管形内插管平均内半径2.22mm、2.96mm、2.85mm和2.37mm，可变管形内插管长度12.41mm、27.27mm、16.07mm和12.27mm，可变管形内插管轴向相对粗糙度0，可变管形内插管轴向波数π，可变管形内插管周向相对粗糙度0，可变管形内插管周向波数10。
实施例3
蜂窝腔体中线边长25mm，蜂窝腔体高度40mm，可变管形内插管平均内半径2.22mm、2.96mm、2.85mm和2.37mm，可变管形内插管长度12.41mm、27.27mm、16.07mm和12.27mm，可变管形内插管轴向相对粗糙度0，可变管形内插管轴向波数2π，可变管形内插管周向相对粗糙度0.1，可变管形内插管周向波数6。
实施例4
蜂窝腔体中线边长15mm，蜂窝腔体高度30mm，可变管形内插管平均内半径2.49mm、2.98mm、2.37mm和2.51mm，可变管形内插管长度15.03mm、17.75mm、11.03mm和15.43mm，可变管形内插管轴向相对粗糙度0.2，可变管形内插管轴向波数0.5π，可变管形内插管周向相对粗糙度0.2，可变管形内插管周向波数12。
请参阅图2，可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构可以在低频宽带范围内实现较高的吸声性能。通过对可变管形内插管壁形进行调整，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，使本发明实现了高效的低频吸声。
请参阅图2，对比例在29Hz(293～321Hz)的带宽范围内实现了最低吸声系数大于等于0.9，平均吸声系数为0.95的吸声效果，无法实现对更低频率内噪声的有效吸收，且带宽内吸声系数变化幅度较大。
实施例1与对比例具有相同的结构参数。与对比例相比，实施例1的主要区别在于在微穿孔处添加了可变管形内插管的(a)构型，其可在31Hz(160Hz至190Hz)的低频宽带范围内实现最低吸声系数大于等于0.9，平均吸声系数为0.97的高效吸声。
与对比例相比，在微穿孔处引入可变管形内插管(a)构型后，本发明实施例1的吸声带宽上、下限分别向低频移动了131Hz(40.8％)和133Hz(45.4％)，平均吸声系数提高了0.02(2.1％)。与对比例相比，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50mm，为吸声带宽下限频率波长的1/43，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26Hz(124Hz至149Hz)的低频宽带范围内实现最低吸声系数大于等于0.9，平均吸声系数为0.97的高效吸声。与对比例相比，在微穿孔处引入可变管形内插管(b)构型后，本发明实施例2的吸声带宽上、下限分别向低频移动了172Hz(53.6％)和169Hz(57.7％)，平均吸声系数提高了0.02(2.1％)。与对比例相比，实施例2的低频吸声性能得到了大幅的提升。此时结构厚度仅为70mm，为吸声带宽下限频率波长的1/40，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41Hz(199Hz至239Hz)的低频宽带范围内实现最低吸声系数大于等于0.9，平均吸声系数为0.96的高效吸声。与对比例相比，在微穿孔处引入可变管形内插管(c)构型后，本发明实施例3的吸声带宽上、下限分别向低频移动了82Hz(25.5％)和94Hz(32.1％)，平均吸声系数提高了0.01(1.1％)。与对比例相比，实施例3的低频吸声性能得到了大幅的提升。此时结构厚度仅为40mm，为吸声带宽下限频率波长的1/43，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4于进一步优化结构参数后，在36Hz(248Hz至283Hz)的低频宽带范围内实现最低吸声系数大于等于0.9，平均吸声系数为0.96的高效吸声。与对比例相比，在微穿孔处引入可变管形内插管(d)构型后，本发明实施例4的吸声带宽上、下限分别向低频移动了37Hz(11.5％)和45Hz(15.4％)，平均吸声系数提高了0.01(1.1％)。与对比例相比，实施例4的低频吸声性能得到了大幅的提升。此时结构厚度仅为30mm，为吸声带宽下限频率波长的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。
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宽带吸声性能，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可以实现对其声学性能的调控。
综上所述，本发明一种可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构具有以下特点：
1、具有优异的低频宽带吸声性能
本发明的相应试件在100～400Hz的特定频带内吸声系数达到了0.95以上，实现了整体结构的高效吸声。与微穿孔板吸声结构相比，其吸声带宽的上、下限分别向低频移动了11.5％～53.6％和15.4％～57.7％，平均吸声系数提高了1.1％～2.1％。并且结构厚度仅为吸声带宽下限频率波长的1/46～1/40，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
本发明的蜂窝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30mm～70mm，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
本发明中的蜂窝腔体中线边长、蜂窝腔体高度、可变管形内插管的内半径、可变管形内插管的轴向相对粗糙度、可变管形内插管的轴向波数、可变管形内插管的周向相对粗糙度、可变管形内插管的周向波数以及可变管形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 (10)

1.一种可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，其特征在于，包括蜂窝腔体(2)，多个蜂窝腔体(2)的一侧依次固定在需要声学处理的物体表面，每个蜂窝腔体(2)的另一侧中心设置有可变管形内插管(1)，可变管形内插管(1)的内壁面半径R(z,θ)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为可变管形内插管的平均内半径，εa为可变管形内插管的轴向相对粗糙度，βa为可变管形内插管的轴向波数，z为沿可变管形内插管长度方向的坐标，εc为可变管形内插管的周向相对粗糙度，βc为可变管形内插管的周向波数，θ为沿可变管形内插管周向的坐标。
2.根据权利要求1所述的可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，其特征在于，可变管形内插管(1)的平均内半径为2.22～3mm。
3.根据权利要求1所述的可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，其特征在于，可变管形内插管(1)的轴向相对粗糙度为0～0.2。
4.根据权利要求1所述的可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，其特征在于，可变管形内插管(1)的轴向波数为0.5π～2π。
5.根据权利要求1所述的可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，其特征在于，可变管形内插管(1)的周向相对粗糙度为0～0.2。
6.根据权利要求1所述的可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，其特征在于，可变管形内插管(1)的周向波数为6～12。
7.根据权利要求1所述的可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，其特征在于，可变管形内插管(1)的长度为8.76～27.27mm。
8.根据权利要求1所述的可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，其特征在于，蜂窝腔体(2)的形状为正六边形棱柱、圆柱或不规则形。
9.根据权利要求1所述的可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，其特征在于，蜂窝腔体(2)的中线边长为15～30mm。
10.根据权利要求1所述的可变管形内插管式蜂窝层芯夹层板吸声结构，其特征在于，蜂窝腔体(2)的高度为30～70mm。
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