CN116189644A - 一种亚波长的宽带柱面声波吸收体 - Google Patents

Abstract

本发明属于声学降噪技术领域。涉及一种亚波长的宽带柱面声波吸收体，由N个吸收胞元环形阵列而成，4≤N≤20；其中，每一个所述吸收胞元包含M个具有不同共振频率的共振器环形阵列而成，2≤M≤10；所述吸收胞元包括前、后、顶、底、左、右六块板，各个板之间相互连接组成一封闭腔体；该封闭腔体由M‑1个隔板分隔以形成具有M个共振器的腔体，2≤M≤10；在每个共振器的两块隔板之间的前面板一上均设有开口用以形成声学共振；每个吸收元胞元之间通过左侧壁板一及右侧壁板一相互连接以形成吸收体。本发明的吸收体能高效地吸收频率范围为180~240 Hz的柱面声波，针对柱面声源产生的辐射噪声具有良好的宽频带抑制作用。

Description

一种亚波长的宽带柱面声波吸收体

技术领域

本发明属于声学降噪技术领域，具体而言，涉及一种亚波长的宽带柱面声波吸收体。

背景技术

低频噪声控制是声学研究的一个重要课题，同时亦是一个长期存在的难题。传统的吸声材料（如吸声海绵、多孔天然材料等）受限于线性响应理论，使得吸收低频声波需要极大面密度的材料。声学超材料的出现有望突破这一难题形成新的降噪应用技术。声学超材料通过局域共振将声能量高强度局域并通过粘滞阻尼将其耗散，在低频噪声吸收中具有广阔的应用前景。目前，基于薄膜超材料、FP 共振器、亥姆霍兹共振器及其变体、Mie共振器等结构构建了低频声完美吸收体，为低频噪声控制提供了有力的技术手段，具有广阔的应用价值。

然而，现存的声学超材料吸收体通常是针对单一方向辐射的平面波设计，而缺乏对全向辐射的柱面声波研制的吸收体。然而，在诸多应用场景如辐射尺寸远小于声波波长的线声源辐射的噪声则以柱面波声形式传播。此时，传统的针对平面波设计的声吸收体则只对有限的角度入射的声波有效，具有无法高效地吸收宽角度入射甚至全向入射的声波这一局限性。

鉴于此，本发明为解决上述问题，设计一种亚波长的宽带柱面声波吸收体。

发明内容

本发明的目的在于针对现有声吸收体无法有效吸收宽带柱面波的问题，提出了一种基于过阻尼模式强耦合形成的亚波长宽带柱面声波吸收体。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明的一个实施方式提供了一种亚波长的宽带柱面声波吸收体，所述吸收体由N个吸收胞元环形阵列而成，4≤N≤20；其中，每一个所述吸收胞元包含M个具有不同共振频率的共振器环形阵列而成，2≤M≤10；所述吸收胞元包括前面板一、后面板一、顶板一、底板一、左侧壁板一以及右侧壁板一，各个板之间相互连接，将胞元组成一封闭腔体；该封闭腔体由M-1个隔板分隔以形成具有M个共振器的腔体，2≤M≤10在每个共振器的两块隔板之间的前面板一上均设有开口用以形成声学共振；每个所述吸收元胞元之间通过左侧壁板一及右侧壁板一相互连接以形成所述的吸收体。

根据本发明的上述一个实施方式提供的一种亚波长的宽带柱面声波吸收体，所述封闭腔体由隔板一、隔板二以及隔板三分隔用以形成具有共振器一、共振器二、共振器三及共振器四的腔体结；在每个共振器的两块隔板之间的前面板一上均设有开口用以形成声学共振，由此四个共振器对应的前面板一上的开口依次为开口一、开口二、开口三及开口四。

根据本发明的上述一个实施方式提供的一种亚波长的宽带柱面声波吸收体，所述吸收胞元腔体为扇环形，对应圆心角为2°~ 8°，高度为20 mm ~ 100 mm。

根据本发明的上述一个实施方式提供的一种亚波长的宽带柱面声波吸收体，所述吸收胞元是由3D打印或注塑加工而成的一体式结构，或者使用机械加工方法得到。

根据本发明的上述一个实施方式提供的一种亚波长的宽带柱面声波吸收体，所述共振器采用微穿孔板共振器、折叠型法布里-珀罗共振器、亥姆霍兹共振器、多阶亥姆霍兹共振器或卷曲空间共振器。

根据本发明的上述一个实施方式提供的一种亚波长的宽带柱面声波吸收体，所述共振器为过阻尼态，吸收系数介于0.6 ~ 0.8之间。

根据本发明的上述一个实施方式提供的一种亚波长的宽带柱面声波吸收体，所述共振器颈部为长方体，正面开口呈矩形，开口面积为5 mm²~ 20 mm²，厚度为1 mm ~ 5 mm。

根据本发明的上述一个实施方式提供的一种亚波长的宽带柱面声波吸收体，所述吸收胞元外壁应具有足够机械刚性和声学刚性，其壁厚为1 mm ~ 3 mm。

根据本发明的上述一个实施方式提供的一种亚波长的宽带柱面声波吸收体，所述吸收胞元外壁的制备材料包括金属、树脂、木质材料。

借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点：本发明的吸收体通过耦合多个具有不同共振频率的过阻尼共振原子，可高效地吸收宽带的全向辐射柱面声波。本发明具备亚波长、宽带高效吸收的特性，为低频噪声控制提供了一种可行办法。本发明声吸收体厚度远小于吸收频率对应波长，满足深度亚波长要求。本发明的声吸收体能高效地吸收频率范围为180 Hz~240 Hz(对应的波长厚度比为36.6~27.5)的柱面声波，针对柱面声源产生的辐射噪声具有良好的宽频带抑制作用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对本发明实施例中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种宽带柱面波声吸收体的三维结构示意图；

图2是本发明实施例的一种宽带柱面波声吸收体胞元的三维结构示意图；

图3是本发明实施例的一种宽带柱面波声吸收体的吸收效果示意图，其中实线为声吸收体的吸收系数，虚线为胞元中各共振器的吸收系数。

实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明所述的一种亚波长的宽带柱面声波吸收体，所述吸收体由N个吸收胞元环形阵列而成，4≤N≤20；其中，每一个所述吸收胞元包含M个具有不同共振频率的共振器环形阵列而成，2≤M≤10；所述吸收胞元包括前面板一、后面板一、顶板一、底板一、左侧壁板一以及右侧壁板一，各个板之间相互连接，将胞元组成一封闭腔体；该封闭腔体由M-1个隔板分隔以形成具有M个共振器的腔体，2≤M≤10在每个共振器的两块隔板之间的前面板一上均设有开口用以形成声学共振；每个所述吸收元胞元之间通过左侧壁板一及右侧壁板一相互连接以形成所述的吸收体。所述吸收胞元腔体为扇环形，对应圆心角为2°~ 8°，高度为20 mm ~ 100 mm。所述吸收胞元是由3D打印或注塑加工而成的一体式结构，或者使用机械加工方法得到。所述共振器采用微穿孔板共振器、折叠型法布里-珀罗共振器、亥姆霍兹共振器、多阶亥姆霍兹共振器或卷曲空间共振器。所述共振器为过阻尼态，吸收系数介于0.6 ~ 0.8之间。所述共振器颈部为长方体，正面开口呈矩形，开口面积为5 mm²~ 20 mm²，厚度为1 mm ~ 5 mm。所述吸收胞元外壁应为具有足够机械刚性和声学刚性的固体材料,其制备材料包括但不限定于金属、树脂、木质材料等，其壁厚为1 mm ~ 3 mm。

作为一个优选的实施方式，所述封闭腔体由隔板一、隔板二以及隔板三分隔用以形成具有共振器一、共振器二、共振器三及共振器四的腔体结；在每个共振器的两块隔板之间的前面板一上均设有开口用以形成声学共振，由此四个共振器对应的前面板一上的开口依次为开口一、开口二、开口三及开口四。

图1所示为本发明实施例的一种宽带柱面波声吸收体的三维结构示意图，声吸收体由胞元环形阵列而成。图2所示为本发明实施例的一种宽带柱面波声吸收体胞元的三维结构示意图。吸收体胞元由若干个具有不同共振频率的共振器组成，共振器间相互杂化，形成宽带吸收峰。为了最大化实现吸收效能并尽可能减小声吸收体的体积，该实施例中的亥姆霍兹共振器胞元采用过阻尼形式即损耗因子大于泄露因子。该设计相较于临界完美吸收共振器耦合具有更小的体积，这也有利于整体结构的小型化和轻量化，极大提升了结构的实际应用价值。

如图1-2所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种亚波长的宽带柱面声波吸收体，该吸收体由18个完全相同的吸收胞元环形阵列化而成，每个胞元所占的圆心角为α=20°。每个吸收胞元包括前面板一1、后面板一2、顶板一3、底板一4、左侧壁板一5以及右侧壁板一6，各个板（即前面板一1、后面板一2、顶板一3、底板一4、左侧壁板一5以及右侧壁板一6）之间相互连接，将胞元组成封闭腔体；该封闭腔体由隔板一7、隔板二8及隔板三9分隔用以形成共振器一A、共振器二B、共振器三C及共振器四D的腔体；在每个共振器两块隔板之间的前面板一1上均设有开口用以形成声学共振，由此四个共振器A、B、C、D在前面板一1上对应的开口依次为开口一10、开口二11、开口三12及开口四13；各吸收元胞元之间通过左侧壁板一5及右侧壁板一6相互连接以形成吸收体。

共振器一A、共振器二B、共振器三C及共振器四D均采用亥姆霍兹共振器，由一个腔体和设在前面板上的开口（开口一10、开口二11、开口三12及开口四13）构成，开口与外部空间连通以形成声学共振。每个胞元内各共振器A、B、C、D所占圆心角为β _i （i = 1, 2, 3, 4）见表2所示，各共振器具有不同的对应圆心角，用于调节共振其的腔体大小从而调节共振频率。各壁板厚度均为1 mm，具有足够的机械强度和声学刚性。各胞元具有相同的颈部开口宽度、颈部厚度、腔体厚度、腔体高度、颈部开口据声源距离和壁板厚度，其相对应参数于表1中详细列出。

表1 亥姆霍兹共振器的几何参数

表2 亥姆霍兹共振器胞的圆心角

本发明的声吸收体可以近完美地吸收全向辐射的柱面声波，通过耦合多个具有不同工作频率的过阻尼共振器，可构建宽带的亚波长通风吸收体。本发明的宽带柱面波声吸收体可使用环氧树脂、光敏树脂、尼龙等材料通过3D打印技术、注塑等方法加工得到，或者使用木质材料、金属等材料通过常规机械加工方法得到。

图3是本申请实施例的一种宽带柱面波声吸收体(柱面声源位于吸收体的中心位置)的吸收效果图，其中实线为声吸收体的吸收系数，虚线为胞元中各共振器的吸收系数。该吸收体的散射曲线如图3所示，图中实线为声吸收体的吸收系数。由图3可以看出，本实施例的吸收体有效吸收范围为180 Hz–240 Hz，该频段内的平均吸收系数为90%。图中虚线为胞元内各共振器的吸收系数。由图3可知，通过过阻尼共振模式耦合，可将低吸收（吸收系数介于0.6 至 0.8）的共振器集成为高吸收的(吸收系数大于0.9)。同时，过阻尼胞元相较于临界完美吸收胞元具有更小的体积，这也有利于整体结构的小型化和轻量化，极大提升了结构的实际应用价值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种亚波长的宽带柱面声波吸收体，其特征在于，所述吸收体由N个吸收胞元环形阵列而成，4≤N≤20；其中，每一个所述吸收胞元包含M个具有不同共振频率的共振器环形阵列而成，2≤M≤10；所述吸收胞元包括前面板一、后面板一、顶板一、底板一、左侧壁板一以及右侧壁板一，各个板之间相互连接，将胞元组成一封闭腔体；该封闭腔体由M个隔板分隔以形成具有M个共振器的腔体，2≤M≤10；在每个共振器的两块隔板之间的前面板一上均设有开口用以形成声学共振；每个所述吸收元胞元之间通过左侧壁板一及右侧壁板一相互连接以形成所述的吸收体。

2.根据权利要求1所述的亚波长的宽带柱面声波吸收体，其特征在于，所述封闭腔体由隔板一、隔板二以及隔板三分隔用以形成具有共振器一、共振器二、共振器三及共振器四的腔体结；在每个共振器的两块隔板之间的前面板一上均设有开口用以形成声学共振，由此四个共振器对应的前面板一上的开口依次为开口一、开口二、开口三及开口四。

3.根据权利要求1所述的亚波长的宽带柱面声波吸收体，其特征在于，所述吸收胞元腔体为扇环形，对应圆心角为2°~ 8°，高度为20 mm ~ 100 mm。

4.根据权利要求1所述的亚波长的宽带柱面声波吸收体，其特征在于，所述吸收胞元是由3D打印或注塑加工而成的一体式结构，或者使用机械加工方法得到。

5.根据权利要求1所述的亚波长的宽带柱面声波吸收体，其特征在于，所述共振器采用微穿孔板共振器、折叠型法布里-珀罗共振器、亥姆霍兹共振器、多阶亥姆霍兹共振器或卷曲空间共振器。

6.根据权利要求1所述的亚波长的宽带柱面声波吸收体，其特征在于，所述共振器为过阻尼态，吸收系数介于0.6 ~ 0.8之间。

7.根据权利要求1所述的亚波长的宽带柱面声波吸收体，其特征在于，所述共振器颈部为长方体，正面开口呈矩形，开口面积为5 mm² ~ 20 mm²，厚度为1 mm ~ 5 mm。

8.根据权利要求1所述的亚波长的宽带柱面声波吸收体，其特征在于，所述吸收胞元外壁应具有足够机械刚性和声学刚性，其壁厚为1 mm ~ 3 mm。

9.根据权利要求8所述的亚波长的宽带柱面声波吸收体，其特征在于，所述吸收胞元外壁的制备材料包括金属、树脂、木质材料。

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