CN114446271B - 一种具有宽带吸声性能的亚波长多狭缝吸声超结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有宽带吸声性能的亚波长多狭缝吸声超结构，综合利用了多孔吸声超结构、狭缝吸声超结构和F‑P共振吸声超结构的优点，表现出前所未有的优异大宽带超强吸声性能。进一步，折叠的狭缝通道相当于是对狭缝吸声体和F‑P共振结构的综合，可以获得亚波长的低频宽带超强吸声效果；而极薄的壁面保证了整个结构具有较高的空隙率。另外，通过在这种结构中引入嵌入式共振腔吸声体以产生离散的超低频吸声峰，并与多孔狭缝结构进行协同耦合，可以进一步将下限吸声频率降低至原来的1/5左右。本发明公开的吸声超结构兼具多孔材料的轻质和宽带优点，以及共振型声学超材料结构的低频亚波长优点，在很多工程领域具有重要的潜在应用价值。
Description
技术领域
本发明属于吸声材料和结构设计领域，具体涉及一种具有宽带吸声性能的 亚波长多狭缝吸声超结构。
背景技术
噪声是一种在工业生产和生活环境中广泛存在的重要的环境污染，噪声的 衰减是一个永恒的研究话题。特别是近年来，随着城市化进程的加速，一方面， 现代机械和电子产品的类型越来越多，集成化和小型化的程度也越来越高，噪 声的类型越来越复杂，导致降噪的难度越来越大；另一方面，随着人们生活品 质的提升，对环境和产品的静音要求也越来越高，导致降噪需求日渐迫切。因此，对于现代家用家电产品、以及飞机/高铁/汽车等交通工具而言，有效衰减噪 声，提高环境的声学品质，显得非常重要。在噪声衰减方法中，吸声是一种有 效的方法，特别是对于封闭空间而言，可以有效降低混响。吸声材料或结构可 以直接将声能转化为热能或弹性应变能而损耗掉，被广泛应用于各类厅堂和舱室等封闭或半封闭空间中进行声场控制。传统的吸声材料有纤维多孔材料、泡 沫多孔吸声材料和微穿孔板吸声体等。然而，采用这些传统方案，只有厚度超 过波长的1/4时，才能实现有效吸声。此外，纤维多孔材料虽然宽带吸声性能较 好，但以玻璃棉纤维为代表的纤维多孔材料无法满足环保要求，且几乎所有纤 维多孔材料都无法承受力学载荷。早期的泡沫多孔材料如岩棉等也无法满足日 趋严苛的环保要求，而最新发展起来的很多种泡沫多孔材料虽然能够满足环保 要求，且很多也能够承受一定的力学载荷，但中低频段的吸声性能不佳。而微穿孔板吸声体一方面低频吸声效果不佳，另一方面无法实现宽带吸声。
综上可知，由于传统吸声材料或结构只有达到一定厚度时，才能有效吸收 低频声波，在很多应用中无法满足尺寸限制和轻量化要求。超材料的发展为具 有亚波长厚度的低频吸声超结构设计提供了新的可能，激发了吸声超结构研究 的热潮。与传统材料和结构相比，超材料结构的最大特点是可设计性强，物理 性能往往比传统结构更加优异，且尺寸是亚波长的。这些优点使得其可以很好的克服传统吸声材料和结构的不足，在各类工程领域具有重要的应用价值。吸 声超材料的结构类型很多，常用的有亥姆霍兹共振腔结构、共振薄膜/薄板结构、 F-P共振结构、迷宫结构、狭缝结构等，以及基于这些结构的组合或派生结构。
在超材料设计中，除了结构形式外，设计方法对实现优异的声学性能也起 着很关键的作用。通过不同的设计方法，对基本结构进行组合，可以大幅提升 结构的物理性能。总结而言，提升吸声性能或拓宽吸声带宽的结构设计方法有 如下几种。第一种方式也是最常用的一种方式是通过参数梯度分布的多个元胞 之间的并联式协同耦合，由每个元胞产生一个吸声峰，然后各元胞产生的吸声峰连在一起，在很宽频带内维持较高的吸声系数。这种方式适用于大多数结构 形式，包括共振腔结构、共振薄膜结构、F-P共振结构、迷宫结构、狭缝结构。 如果每个元胞能够产生多个吸声峰，即高阶吸声峰，则可以通过多阶多元胞协 同耦合进一步拓宽吸声带宽。另外，即便每个元胞的吸声峰幅值不是很高，通 过巧妙的组合设计，组合结构也能在很宽频带内实现超强吸声。第二种方式是通过元胞间的强耦合相互作用，在一定频带内增加集成结构的共振模式数量， 从而增加吸声峰的数量，拓宽吸声带宽。第三种方式是通过不同类型的吸声超 结构之间进行并联式协同耦合，每类结构吸收一个频带的声波，实现不同吸声 频带的叠加。这些方案中，通过在共振结构表面布置具有微观结构特征的多孔 吸声材料或微穿孔板结构，可以提高阻抗匹配特性，降低吸声系数的波动幅度，提高吸声性能。
以往的研究表明，通过减小结构与声传播媒介之间的阻抗失配程度，即实 现阻抗匹配，或降低声传播速度，均可以提高吸声超结构的吸声性能。事实上， 要实现宽带的阻抗匹配，主要还需要依赖于微观尺度的多孔结构。然而，附加 多孔吸声材料的方案的适用范围会受到多孔材料本身的缺点限制，包括无法满 足环保要求，与超材料吸声超结构无法紧密稳定的结合，以及无法承受力学载荷等。微穿孔板协同结构的工作带宽无法覆盖到高频，只能在工作频带内降低 吸声系数的波动。因此，目前还没有报道结构-材料一体化的设计方案，设计的 结构的吸声性能在整个低频-中频-高频带都能获得很高的吸声幅值。此外，现有文献中报道的宽带吸声方案中，还没有覆盖50Hz以上整个低频-中频-高频的大 宽带吸声方案报道。虽然带背腔的共振薄膜结构可以有望以很薄的结构实现超 低频吸声，但薄膜结构容易老化和破坏，且吸声频带无法覆盖到中高频范围。 因此，目前依然缺乏兼顾低厚度和大宽带的吸声方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有宽带吸声性能的亚波长多狭缝吸声超结 构，通过综合利用多孔吸声超结构、狭缝吸声超结构和F-P共振吸声超结构的 优点，表现出前所未有的优异宽带超强吸声性能。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种具有宽带吸声性能的亚波长多狭缝吸声超结构，由多个薄腔壁按设定 的间距排列而成，腔壁之间形成空气狭缝，狭缝中部设置有一系列狭缝截断末 端，声波从空气狭缝开口处进入吸声超结构中，综合利用了多孔吸声超结构、 狭缝吸声超结构和F-P共振吸声超结构的优点，实现低频宽带超强吸声性能。
本发明进一步的改进在于，薄腔壁的厚度为0.5mm
本发明进一步的改进在于，多个薄腔壁形成的折叠狭缝通道结构，折叠的 狭缝通道相当于是对狭缝吸声体和F-P共振结构的综合，能够获得亚波长的低 频宽带超强吸声效果。
本发明进一步的改进在于，薄腔壁保证了整个结构具有较高的空隙率，结 合空气狭缝，相当于可设计的多孔结构，能够确保在中高频段有优异的宽带吸 声性能。
本发明进一步的改进在于，在空气狭缝的基础上引入嵌入式共振腔吸声体 以产生离散的超低频吸声峰，并与多孔狭缝结构进行协同耦合，进一步将下限 吸声频率降低至原来的1/5左右。
本发明进一步的改进在于，宽带吸声超结构的厚度降低至最低吸声波长的 1/39，且为传统消声室中使用的吸声尖劈厚度的1/10。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
1、本发明多狭缝宽带吸声超结构的厚度降低至最低吸声波长的1/39，仅为 传统消声室中使用的吸声尖劈厚度的约1/10；
2、本发明多狭缝宽带吸声超结构高度综合了多种低频和宽带吸声超结构设计的优点，兼具低频和大宽带的吸声效果；
3、本发明多狭缝宽带吸声超结构在工作机理上，同时采用了狭缝吸声机理、 F-P共振吸声机理、多孔材料吸声机理和亥姆霍兹共振吸声机理，与现有吸声超 结构相比明显不同；
4、本发明多狭缝宽带吸声超结构实现了多孔吸声超材料的材料-结构-工艺- 功能一体化设计，拓宽了声学功能结构的设计和制备思路。
综上所述，根据本发明多狭缝宽带吸声超结构的上述特点，这种结构综合 利用了多孔吸声超结构、狭缝吸声超结构和F-P共振吸声超结构的优点，表现 出前所未有的优异大宽带超强吸声性能。折叠的狭缝通道相当于是对狭缝吸声 体和F-P共振结构的综合，可以获得亚波长的低频宽带超强吸声效果；而极薄 的壁面保证了整个结构具有较高的空隙率，加上通道狭窄，相当于一种可设计 的多孔结构，可以确保在中高频段有优异的宽带吸声性能。另外，通过在这种 结构中引入嵌入式共振腔吸声体以产生离散的超低频吸声峰，并与多孔狭缝结 构进行协同耦合，可以进一步将下限吸声频率降低至原来的1/5左右。本发明公 开的吸声超结构兼具多孔材料的轻质和宽带优点，以及共振型声学超材料结构 的低频亚波长优点，在很多工程领域具有重要的潜在应用价值。
附图说明
图1为本发明一种具有宽带吸声性能的亚波长多狭缝吸声超结构示意图。
图2a为直狭缝通道结构(S0)和折叠狭缝通道结构(S1)的吸声系数计算结果； 图2b为A、B、C、D四个点处的声压分布云图。
图3a为不同总厚度折叠通道结构的吸声系数计算结果对比；图3b为不同 壁面材料弹性模量的结构吸声系数计算结果对比。
图4a为亚波长多狭缝吸声超结构样品；图4b为四角引入共振吸声单元的 吸声超结构样品；图4c为四角增加嵌入式共振腔前后结构的吸声系数测量结果 对比。
具体实施方式
下面结合附图中本发明实施案例的相关计算结果，对本发明实施案例中的 技术方案进行说明。显然，所描述的实施案例仅仅是本发明的一部分实施案例， 而非全部实施案例。基于本发明中的实施案例，本领域技术人员在没有做出创 造性劳动前提下所获得的所有其它实施案例，都属于本发明保护的范围。
作为实施案例，本发明采用的多孔狭缝吸声超结构如附图1所示，图中， 结构的壁面厚度为t0＝0.5mm，空气狭缝宽度为 W＝1mm。整个结构的半径为r0＝25mm，厚度为H0＝200mm。整个吸声超结构由 16个等效长度按梯度分布的狭缝通道组成的结构，第一个通道的深度最小，为 H1＝50mm，其余通道的深度按梯度H2＝20mm逐渐增加。理论上讲，每个狭窄通道都可以看作一个特殊的F-P共振单元。虽然这些通道在三维情况下是一些 环状狭缝，和经典的F-P共振结构有区别，但也有一些相似之处，可以参考F-P 共振结构的工作原理，来理解结构的工作原理。根据F-P共振结构的吸声原理， 可知，整个集成结构的最低吸声频率应该是由等效长度最大的单元16决定的，第一个吸声峰的频率对应波长为单元16等效长度的4倍。这样，每个单元产生 一个吸声峰，这些吸声峰连在一起，就可以产生宽带吸声效果。由于单元间的 梯度较小，所以不会产生幅值较低的低谷，从而在很宽频带内吸声系数都能维 持在较高的水平。此外，由于F-P共振结构会在第一个吸声峰的高倍频处也产 生吸声峰，所以理论上讲，这种结构有望在高于第一个吸声峰以上整个宽带内 实现超强吸声。
为了验证设计方法的效果，建立了一组吸声超材料结构S1。为了对照，还 设计了一组整体厚度相同，但没有进行通道折叠的结构S0。对于S0而言，所有 通道的深度都为H0。在商业多物理场耦合有限元分析软件COMSOL的压力声 学模块中，建立了二维轴对称吸声计算模型，计算了两组结构的吸声系数，如 附图2a所示。在计算中，通道的损耗通过狭窄区域声学边界条件考虑。从图中 可以看出，对照组分别在约400Hz、1200Hz、2000Hz、2800Hz、3600Hz、4400Hz和5200Hz处产生吸声峰，这些高阶吸声峰的频率对应第一阶吸声峰频率的3、5、 7、9、11和13倍频，同时还会在第一阶吸声峰频率的偶数倍频率处产生吸声低 谷，这种吸声性能符合F-P共振结构的吸声特性。此外，可以看出，对照组的 吸声系数幅值波动较大，特别是在低频段，800Hz处的吸声系数只有0.65。随着 频率的增加，吸声系数幅值的波动幅度降低，吸声系数逐渐增加，这符合吸声超结构低频损耗小，高频损耗大的基本特性。这个结构的吸声系数虽然在低频 有幅值较低的低谷，但平均吸声系数达到了0.8以上，与经典的F-P共振吸声超 结构相比，性能要好得多。主要原因在于，这种结构同时属于狭缝吸声超结构， 且具备多孔吸声超结构高孔隙率(约为67％)的特点，使得耗能效果优于经典的F-P共振结构。
与对照组相比，一方面，有效起始吸声频率(这里定义为吸声系数达到0.8 的频率)从约320Hz降低到约250Hz，改善了低频吸声性能；另一方面，吸声 系数的幅值在整个频带内波动幅度大幅降低，最低吸声系数超过0.85，大幅改 善了宽带吸声性能。特别是在超过2000Hz的中高频内，吸声系数基本没有波动， 始终维持在约0.95左右。在以往的方案中，这种消除吸声系数波动的效果，大 多需要通过外加多孔吸声层才能实现。然而，这里设计的结构本身就具有多孔吸声材料的高孔隙率特性，所以无需额外引入其他结构。为了说明结构的耗能 机理，在附图2b中，给出了S1的吸声曲线上A、B、C和D四个点处的声压分 布云图。从图中可以看出，在声入射端(右侧)声压较高，说明结构的阻抗匹 配特性较好，声波可以有效进入结构内部。而且在每个频率，都有一些狭缝产 生共振，从而可以获得较高吸声系数。
为了分析结构参数变化对吸声性能的影响，选择了4个不同的结构总厚度 H0，分别为50mm、100mm、200mm和300mm，计算了相应的吸声系数，如附 图3a所示。对于厚度为50mm的结构，H1＝H2＝5mm；对于厚度为100mm的结 构，H1＝20mm，H2＝10mm；对于厚度为300mm的结构，H1＝50mm，H2＝30mm。 从图中可以看出，厚度为50mm的结构的有效起始吸声频率为650Hz，第一阶 吸声峰的频率为750Hz。该结构的吸声系数波动较大，在约1500Hz处吸声系数 只有0.34。厚度为100mm的结构的有效起始吸声频率为400Hz，第一阶吸声峰 的频率为500Hz。该结构的吸声系数波动较厚度为50mm的结构小得多，最低 吸声系数出现在约800Hz处，吸声系数提高到0.62。而且在约1200Hz到9000Hz 的宽带内，吸声系数波动较小，表现出优异的宽带吸声性能。厚度为300mm的 结构的有效起始吸声频率为160Hz，第一阶吸声峰的频率为200Hz。该结构的吸 声系数波动幅度较厚度为200mm的结构进一步减小，最低吸声系数出现在约 300Hz处，幅值约为0.76。由此可以看出，随着结构厚度的增加，有效吸声频率会向低频移动，且吸声系数波动幅度会进一步降低。此外，为了保证结构具有 较高的孔隙率，采用了较薄的壁面厚度。而较薄的壁面的声固耦合效应已经无 法忽略，会对吸声性能产生影响。为此，在声固耦合模块中，选择4组不同的 壁面弹性模量参数，分别为20MPa、200MPa、2000MPa和无限大(刚性)，计 算了结构的吸声系数，如附图3b所示。从图中可以看出，总体而言，采用弹性模量较低的壁面结构可以提升低频吸声性能，只是在高频段会产生少量幅值略 低的低谷。对于弹性模量为20MPa的结构，在350Hz到900Hz的低频宽带内， 吸声系数均维持在接近完美吸声的水平。然而，在约900Hz到3000Hz的频带， 波动幅度会增加，但吸声系数始终能维持在0.8以上。其余几组结构之间的吸声 系数差别逐渐减小，特别是弹性模量为2000MPa的结构和刚性结构，吸声系数 几乎重合。这一方面说明，采用较为柔软的材料构成吸声超结构，可以显著改 善低频吸声性能；另一方面，这种设计对材料参数的依赖性较低，材料参数在 很大范围内取值，都不会明显的阻碍优异的宽带吸声性能的实现。
为了验证设计方案的有效性，选择光敏树脂材料，通过光固化3D打印技术， 制备了吸声样品。由于结构包含折叠通道，一体成型为导致通道内有液体残留， 故将结构分为两部分进行加工。为了减少变形，在两部分之间的结合面增加了3 段加强筋，成功制备出变形量很小的高精度样品，如附图4a所示。采用边长为 50mm的自制阻抗管测试系统，测量了结构的吸声系数，如附图4c中的圈 表示的曲线所示。此外，由于结构是方形的，而所设计的多狭缝结构是圆柱形 的，导致样品的四个角落各有一个腔体。为了充分利用这几个腔体，在每个腔 体内植入长度梯度分布的细管，构成4个吸声频率梯度分布的内插式亥姆霍兹共振吸声单元。通过亥姆霍兹共振吸声超结构和多孔狭缝吸声超结构进行协同， 将吸声频率向低频扩展。这种新的结构如附图4b所示，通过阻抗管测试系统测 量了这种协同结构的吸声系数，如附图4c中的方框的曲线所示。
从图中可知，在高于200Hz的频带内，平均吸声系数只有0.75左右。通过 对比附图4c中的两组测量结果，可知在增加内插式共振吸声单元后，第一个吸 声峰(P1点)处的频率降低至约50Hz，吸声系数接近0.8。并在约270Hz(P2点)处 获得一个吸声系数高达0.998的近完美吸声峰。在整个50Hz以上的频带，平均 吸声系数也达到了0.8左右，最低吸声系数提高到0.6左右。与没有增加内插式 共振吸声单元的结构比，有效吸声频率降低为原来的1/5，平均吸声系数也得到了有效提高。总体而言，通过在多孔-狭缝吸声超结构中引入内插式亥姆霍兹共 振吸声超结构，不但提高了整个频带的吸声性能，还成功将有效吸声频率向低频偏移了5倍，通过厚度为200mm的结构，实现了50Hz以上的宽带吸声。虽 然结构的吸声系数波动较大，平均吸声系数只有0.8左右，但这个厚度的结构能够实现如此低的低频宽带吸声，是目前没有报道的。
根据上述数据可以看出，本发明能够达到的技术效果如下：
1、本发明多狭缝宽带吸声超结构的厚度降低至最低吸声波长的1/39，仅为 传统消声室中使用的吸声尖劈厚度的约1/10；
2、本发明多狭缝宽带吸声超结构高度综合了多种低频和宽带吸声超结构设 计的优点，兼具低频和大宽带的吸声效果；
3、本发明多狭缝宽带吸声超结构在工作机理上，同时采用了狭缝吸声机理、 F-P共振吸声机理、多孔材料吸声机理和亥姆霍兹共振吸声机理，与现有吸声超 结构相比明显不同；
4、本发明多狭缝宽带吸声超结构实现了多孔吸声超材料的材料-结构-工艺- 功能一体化设计，拓宽了声学功能结构的设计和制备思路。
综上所述，根据本发明多狭缝宽带吸声超结构的上述特点，这种结构综合 利用了多孔吸声超结构、狭缝吸声超结构和F-P共振吸声超结构的优点，表现 出前所未有的优异大宽带超强吸声性能。折叠的狭缝通道相当于是对狭缝吸声 体和F-P共振结构的综合，可以获得亚波长的低频宽带超强吸声效果；而极薄 的壁面保证了整个结构具有较高的空隙率，加上通道狭窄，相当于一种可设计 的多孔结构，可以确保在中高频段有优异的宽带吸声性能。另外，通过在这种 结构中引入嵌入式共振腔吸声体以产生离散的超低频吸声峰，并与多孔狭缝结 构进行协同耦合，可以进一步将下限吸声频率降低至原来的1/5左右。本发明公 开的吸声超结构兼具多孔材料的轻质和宽带优点，以及共振型声学超材料结构 的低频亚波长优点，在很多工程领域具有重要的潜在应用价值。
Claims (1)
1.一种具有宽带吸声性能的亚波长多狭缝吸声超结构，其特征在于，由多个薄腔壁（1）按设定的间距排列而成，腔壁之间形成空气狭缝（2），狭缝中部设置有一系列狭缝截断末端（3），声波从空气狭缝（2）开口处进入吸声超结构中，综合利用了多孔吸声超结构、狭缝吸声超结构和F-P共振吸声超结构的优点，实现低频宽带超强吸声性能；
多个薄腔壁（1）形成的折叠狭缝通道结构，折叠的狭缝通道相当于是对狭缝吸声体和F-P共振结构的综合，能够获得亚波长的低频宽带超强吸声效果；
薄腔壁（1）保证了整个结构具有较高的空隙率，结合空气狭缝（2），相当于可设计的多孔结构，能够确保在中高频段有优异的宽带吸声性能；
在空气狭缝（2）的基础上引入嵌入式共振腔吸声体以产生离散的超低频吸声峰，并与多孔狭缝结构进行协同耦合，进一步将下限吸声频率降低至原来的1/5左右；
宽带吸声超结构的厚度降低至最低吸声波长的1/39，且为传统消声室中使用的吸声尖劈厚度的1/10；
F-P共振吸声超结构的壁面厚度为t0=0.5mm，空气狭缝的宽度为W=1mm；整个结构的半径为r0=25mm，厚度为H0=200mm；整个吸声超结构由16个等效长度按梯度分布的狭缝通道组成的结构，第一个通道的深度最小，为H1=50mm，其余通道的深度按梯度H2=20mm逐渐增加；每个狭缝通道都作为一个F-P共振单元；整个吸声超结构的最低吸声频率是由等效长度最大的单元决定的，第一个吸声峰的频率对应波长为等效长度最大的单元的等效长度的4倍。
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