CN113685645A - 基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制装置，包括管道，管道的侧壁嵌装有具有预紧力的柔性薄膜，柔性薄膜上设有若干个连接点，连接点上安装有弹簧振子，弹簧振子和柔性薄膜能产生叠加振动，当入射声激励达到特定的频率时，弹簧振子和柔性薄膜振动产生的辐射声波与入射声波相消。本发明采用了全新的设计方法、尤其对历来难以解决的低频噪声有较好的控制效果，可在超低频段实现高隔声。本发明采用组件数量少、结构简单，因此建造周期短、设计效果显著，具有一定实际工程应用价值。

Description

基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制装置及方法

技术领域

本发明涉及了一种应用局域共振机理的声学超材料，由弹簧振子和张紧嵌装式薄膜组成。这种结构设计应用在了管道隔声降噪方面，属于噪声控制领域。

背景技术

管道结构常见于航空航天、工业生产、交通工具及其他日常生活中。管内声波具有传播距离远、衰减小、控制难度大等特点，研究管道降噪有重要的实际应用意义。已有的消声设计应用有利用声阻抗不匹配机制反射声波的变截面式汽车尾气管；利用阻尼耗散声能的管道声衬。但变截面式设计往往笨重，存在通频带，影响管内流体流动；利用吸声材料的声衬在低频时消声能力急剧下降。膜式声学超材料(MAM)自问世起就吸引了大量学者关注，拥有轻质、低频降噪、负质量密度或模量等神奇性质。随着膜式声学超材料的发展，将其应用于管道降噪领域成为了新的可能。

申请号为“CN201610253954.2”，名称为“基于多模型自适应切换的管道噪声控制方法及装置”的发明专利申请，公开了一种主动控制管道噪声的装置；在管道内部不同位置分别安装声速传感器、参考噪声传感器、误差噪声传感器和噪声抑制扬声器。利用声速传感器测得待控制噪声声速，使用参考噪声传感器测量待控噪声的参考信号，利用误差噪声传感器测量待控噪声主动抑制后的残差信号，利用参考信号和残差信号做卷积运算并作用域噪声抑制扬声器，实现对管道噪声的实时抑制。该专利虽对随机管道噪声有抑制作用，但结构十分复杂，在管道外部需要施加大量的外部设施，在一些对管道重量要求较严格、工作环境恶劣的情况下，难以实现。

申请号为“CN201810239630.2”，名称为“一种管道噪声主动控制装置及方法”的发明专利申请，也公开了一种主动控制管道噪声的装置；包括管道及设置在管道上的噪声控制装置。噪声控制装置包括信号装换单元、信号采集单元、控制单元及执行单元，分别用来执行噪声信号转换、采集、接收控制和次级声输出。该种结构随相较前一种结构有所简化，但仍然有过多附加设备、改变管内原有流场的弊端，同时只针对一阶噪声模态，对后续模态无法进行控制。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中提及的问题，提供一种基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制装置及方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制装置，包括管道，管道的侧壁嵌装有具有预紧力的柔性薄膜，柔性薄膜上设有若干个连接点，连接点上安装有弹簧振子，弹簧振子和柔性薄膜能产生叠加振动，当入射声激励达到特定的频率时，弹簧振子和柔性薄膜振动产生的辐射声波与入射声波相消。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的管道为刚性材料制作。

上述的薄膜为矩形弹性薄膜。

上述的薄膜为硅橡胶薄膜或者聚醚酰亚胺薄膜。

上述的弹簧振子为梁状振子。

上述的弹簧振子为多孔弹性材料。

上述的弹簧振子的质量远小于薄膜自身质量。

基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制方法，包括以下步骤：

S1，通过在实地测量噪声源的声压级或者声强级，确定所需隔绝噪声的频段和范围，测取管道的几何参数、获取管内传播媒介的物理参数；

S2，根据测得的噪声参数和管道参数，设计并确定柔性薄膜的厚度、柔性薄膜和弹簧振子所采用的材料及对应的质量大小；

S3，根据所需要的消除频段，在特定频段利用不同长度柔性薄膜和多个弹簧振子的组合，设计出对应的高隔声峰；

S4，根据管道流场的需求，确定每个长度柔性薄膜和弹簧振子的安装位置和安装方式，并进行安装。

本发明具有以下优点：

（1）本发明采用了全新的设计方法、尤其对历来难以解决的低频噪声有较好的控制效果，可在超低频段（100Hz附近）实现高隔声（20dB以上）。

（2）由于本发明本质上是一种声学超材料设计方法，在指定工作频段具有负质量密度特性，因此可以较好地做成轻质结构，不同于以往的管道噪声控制方法，附加装置较少、对管道自身影响较小。

（3）由于本发明的隔声设计方法有相应理论和仿真结果作为支撑，在未来的设计中可拓展性强、具有广阔的设计空间。

（4）由于本发明采用组件数量少、结构简单，因此建造周期短、设计效果显著，具有一定实际工程应用价值。

附图说明

图1是基于局域共振机理的管道噪声控制结构二维示意图；

图2是局域共振处薄膜-单振子的二自由度系统简化示意图；

图3是本发明中振子的实际应用方式：“梁状”振子；

图4是本发明中振子的实际应用方式：多孔弹性材料；

图5是单振子的隔声曲线TL（理论和仿真结果）；

图6是有振子、无振子时的速度模态对比图；

图7是多振子的隔声曲线TL（理论与仿真结果）。

图中标记名称：管道1、柔性薄膜2、连接点3、弹簧振子4。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参考图1，2，3，一种基于局域共振原理的管道噪声消声装置，主要技术特征是在管道1的侧壁嵌装柔性薄膜2，柔性薄膜2处施加多个小型弹簧振子4，根据所需降噪的频率改变结构参数，利用局域共振机理对该频率处噪音进行消除。具体的实施方案如下：

本发明设计的薄膜声学超材料消声器结构中，包括有管道1；管道假定为方管，在管道的侧边用柔性薄膜2替换了原有刚性壁，柔性薄膜2上附有弹簧振子4，如果不希望噪声从薄膜处辐射到外侧，薄膜外侧可设置刚性腔体。在连接点3有薄膜振动位移和弹簧振子位移相同。薄膜为弹性薄膜材料，如硅橡胶薄膜或者聚醚酰亚胺薄膜等，在安装过程中需要提前按照预定数值张紧，通过预紧力来提供一定的横向刚度。弹簧振子4在实际安装中可以是“梁状振子”或者多孔线弹性材料，其自身固有频率需要通过二自由度简化模型（图2）来确定。

管道1与噪声源相连接，在噪声频率低于管道的截止频率时，噪声声波在管中体现为0次平面波。薄膜和振子构成了局域共振单元，当噪声频率达到了该单元简化后系统的共振频率时，振子发生共振，辐射声波与入射声波发生相消，此时的STL曲线出现峰值，即隔声效果达到最好，噪声无法继续传递，从而起到了降噪消声的效果。

下面结合附图和案例对发明的实施方式和隔声机理作进一步详细说明：

管道1的结构如图1所示，其形状为方管，是刚性材料，假定其具有硬声场边界条件，且声源的频率低于管道的截止频率。管道的侧边嵌装有柔性薄膜2，可以将连接处的边界条件看为简支，在柔性薄膜2上设置有多个弹簧振子连接点3，具体的连接点数目根据消声器的需求而定，包括降噪频率、频率宽度以及降噪量等参数。在连接点3上附有弹簧振子4，振子的材料在安装时可以考虑多孔材料或者利用刚性材料制作的“梁状振子”，且应当避免避免出现因振子质量较大导致的强非线性对薄膜横向刚度的影响，薄膜的厚度远小于管道的高度，同时唯一的机械恢复力为张力。

作为上述补充，管道1的刚性材料可以采用常见45钢，或者直接按照所需应用场景来选取，只需保证其媒质特性阻抗远大于薄膜即可。

作为上述补充，柔性薄膜2为矩形弹性薄膜，通常采用常见的硅橡胶薄膜或者聚醚酰亚胺薄膜或其他柔度较大的弹性材料。

作为上述补充，柔性薄膜2厚度应当远小于管道高度，确保模型中唯一机械恢复力为张力的正确性。

作为上述补充，弹簧振子4（图1中）在实际应用中可设计为梁状振子（如图3a），或者软-硬材料块组成的类振子形式（如图3b）或原理相同的其他结构形式，还可以用多孔弹性材料代替（如图4所示），方便工程实际应用。

作为上述补充，弹簧振子的质量应当远小于薄膜自身质量，以符合对微振动的线性近似。

案例中采用如下参数对隔声机理进行说明：管道高度10cm，薄膜长度为10cm且只嵌装单面，振子的刚度为1000N/m，质量为0.001kg，管中介质为空气，故取声速为340m/s。利用MATLAB精确解进行计算，同时利用COMSOL对结构进行仿真计算，利完美匹配层来模拟无限远处入射噪音的情景。

当声波射入管道时，对薄膜及振子作用声激励，振子的附加改变了原有系统的第一阶固有振型，降低了第一阶共振发生的频率，因此在134Hz时出现了第一个隔声峰（如图5）。134Hz并不是振子自身的固有频率，而是共振时薄膜与振子简化后的二自由度模型（如图2）的局域共振频率。类似于第一个隔声峰值，后续的隔声峰也系统的局域共振频率相对应。加入振子也同时改变了其余振型，本质上改变了薄膜的振动速度场，进而提升了隔声性能。如图6所示，加入振子极大提升了第一阶速度模态，中心振子并没有改变偶数阶速度模态，这是因为振子正好处于振动节点处，而偏心振子对各阶速度模态都有影响。

当增加振子数量时，可增加特定频率隔声峰值（图7），此时模型可简化为对应的多自由度模型，且可根据目标降噪量和目标降噪频段对结构进行定向设计。以上分析都是针对单面嵌装薄膜进行设计，若在对边均设置薄膜，可进一步拓宽降噪带宽，提升降噪效果。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制装置，包括管道(1)，其特征是： 所述的管道(1)的侧壁嵌装有具有预紧力的柔性薄膜(2)，柔性薄膜(2)上设有若干个连接点(3)，连接点(3)上安装有弹簧振子(4)，所述的弹簧振子(4)和柔性薄膜(2)能产生叠加振动，当入射声激励达到特定的频率时，弹簧振子(4)和柔性薄膜(2)振动产生的辐射声波与入射声波相消。

2.根据权利要求1所述的基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制装置，其特征是：所述的管道(1)为刚性材料制作。

3.根据权利要求2所述的基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制装置，其特征是：所述的薄膜(2)为矩形弹性薄膜。

4.根据权利要求3所述的基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制装置，其特征是：所述的薄膜(2)为硅橡胶薄膜或者聚醚酰亚胺薄膜。

5.根据权利要求4所述的基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制装置，其特征是：所述的弹簧振子(4)为梁状振子。

6.根据权利要求4所述的基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制装置，其特征是：所述的弹簧振子(4)为多孔弹性材料。

7.根据权利要求5或6所述的基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制装置，其特征是：所述的弹簧振子(4)的质量远小于薄膜(2)自身质量。

8.如权利要求1所述的基于局域共振机理声学超材料的管道噪声控制装置的控制方法，其特征是：包括以下步骤：

S1，通过在实地测量噪声源的声压级或者声强级，确定所需隔绝噪声的频段和范围，测取管道的几何参数、获取管内传播媒介的物理参数；

S2，根据测得的噪声参数和管道参数，设计并确定柔性薄膜(2)的厚度、柔性薄膜(2)和弹簧振子(4)所采用的材料及对应的质量大小；

S3，根据所需要的消除频段，在特定频段利用不同长度柔性薄膜(2)和多个弹簧振子(4)的组合，设计出对应的高隔声峰；

S4，根据管道流场的需求，确定每个长度柔性薄膜(2)和弹簧振子(4)的安装位置和安装方式，并进行安装。

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