CN116834390A - 一种宽低频吸声减振覆盖层结构及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空设备吸收材料制备测定技术领域，公开了一种宽低频吸声减振覆盖层结构及设计方法。该设计方法包括：通过改变由内嵌颈孔直径d、内嵌颈长l、腔室壁板高L组成的单个单元的几何参数，对多个内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器之间的强烈非局域耦合，改变内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器的阻抗，由弱耦合共振吸声机理得到吸声超表面阵列的宽低频吸声减振覆盖层结构整体结构；利用内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器多由内嵌颈、阻尼橡胶涂覆层和吸声腔组成。本发明通过调整多基元超构表面阵列中多个内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器之间的非局域耦合实现有效的宽带阻抗调制，从而在甚低频下实现宽带声能的强烈耗散。

Description

一种宽低频吸声减振覆盖层结构及设计方法
技术领域
本发明属于航空设备吸收材料制备测定技术领域，尤其涉及一种宽低频吸声减振覆盖层结构及设计方法。
背景技术
最常用的解决航空设备飞行过程中内部所发生的噪声以及振动等问题的控制措施，是从传播途径上控制噪声及振动，例如隔声，隔振，声障，吸声等。传统的降噪方式是在对现有结构进行振动和声学特性分析的基础上，改变结构位置，几何参数或材料等实现对结构振动噪声的优化，通过噪声声波与声学材料的相互作用消耗声能，从而达到降低噪声的目的。
噪声控制的实现往往需要依托结构本身，一般航空航天设备的吸声隔振方法是采用多层结构，交错放置弹性板、空气层和多层吸声材料，然而这样的方法虽然可以有效地控制中高频噪声，但会对低频噪声失效。根据经典声学理论，声学材料（结构）的厚度通常与工作波长相当。所以对于低频噪声来说，存在难以用小尺寸结构高效调控大波长声波的局限性。如何实现同时满足减振和降噪需求的超薄新型材料是目前难题。简单地将性能优异的减振材料和降噪材料叠加到一起，会造成材料的性能失配，使减振降噪效果变差，进而导致材料厚度增加，影响其实用性。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种宽低频吸声减振覆盖层结构及设计方法，具体涉及一种基于超材料阵列的低频、宽带、减振的吸声覆盖层设计方法。本发明目的在于提供一种基于耦合内嵌孔径的亥姆霍兹腔型与负泊松比阵列结构共体多单元超材料阵列，并在此基础上形成宽低频吸声减振覆盖层结构的设计方案。
所述技术方案如下：宽低频吸声减振覆盖层结构，该结构通过调节亥姆霍兹共振腔系数设计不同频率的吸声，通过多个腔体耦合共振实现宽频吸声，通过设计内嵌孔径的亥姆霍兹腔型与负泊松比阵列共体结构用于减振吸声；该结构包括：
腔室壁板，放置在穿孔盖板与底板之间，并紧密贴合，在内部形成多个吸声腔；
多个不同长度，不同孔径的内嵌颈，加装在穿孔盖板正下方，所述内嵌颈的颈内通道圆截面与穿孔盖板穿孔圆截面大小相同且同心；
负泊松比阵列底座，与底板大小相同，并与底板贴合设置；所述负泊松比阵列结构由相同的多个负泊松比结构紧密排布而成，不同厚度的阻尼橡胶涂覆层均匀的涂敷在吸声腔的内壁。
在一个实施例中，所述穿孔盖板与所述底板大小形状相同；所述腔室壁板为上下通孔的正方形截面壳体，所述腔室壁板的板厚度均匀一致且与穿孔厚度相同盖板和底板；所述阻尼橡胶涂覆层均匀的涂敷在吸声腔的内壁底面和四个侧壁面。
在一个实施例中，所述穿孔盖板和底板均为正多边形结构；
所述穿孔盖板与底板为薄层板状结构。
在一个实施例中，调节内嵌颈的长度和孔径大小，腔室壁板的高度和所围吸声腔的截面积，阻尼橡胶涂覆层的厚度，调节吸收峰频率及吸收频带宽度。
在一个实施例中，调节阻尼橡胶涂覆层体积模量、剪切模量亥姆霍兹、密度、与损耗因子，调节吸收峰频率及吸收频带宽度。
在一个实施例中，穿孔盖板，内嵌颈，腔室壁板，底板和负泊松比阵列底座均由同一金属材质制作。
在一个实施例中，所述穿孔盖板、内嵌颈、腔室壁板、底板和负泊松比阵列底座通过金属3D打印、CNC加工、钣金加工工艺成型；
所述阻尼橡胶涂覆层通过化学改性、复合填充工艺加工而成；加工后的阻尼橡胶涂覆层配合挤压模具于吸声腔中初步成型，并通过粘接剂粘附于吸声腔表面，在真空加热炉中抽取空气并固化；
在一个实施例中，所述吸声腔的数量为4个～20个；所述负泊松比阵列底座包括负泊松比结构的数量为100个。
本发明的另一目的在于提供一种宽低频吸声减振覆盖层设计方法，该设计方法用所述的宽低频吸声减振覆盖层结构制作而成，该设计方法包括：
通过改变由内嵌颈孔直径d、内嵌颈长l、腔室壁板高L组成的单个单元的几何参数，对多个内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器之间的非局域耦合，改变内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器的阻抗，由弱耦合共振吸声机理得到吸声超表面阵列的宽低频吸声减振覆盖层结构整体结构；利用内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器多由内嵌颈、阻尼橡胶涂覆层和吸声腔组成。
在一个实施例中，嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器的阻抗，表达式为：
。
其中，是并联后阵列的整体阻抗，/>分别是四个单元单独的阻抗；所述四个单元为内嵌颈孔直径d、内嵌颈长l、腔室壁板高L的几何参数任意选定后自由组合的单元。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明将振动和噪声产生机理耦合起来，提出一种减振降噪一体化结构，以小结构厚度实现了有效减振和高吸声性能。本发明提出的宽、低频吸声减振覆盖层结构，通过调整多基元超构表面阵列中多个内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器之间的非局域耦合，可以实现有效的宽带阻抗调制，从而在甚低频下实现宽带声能的强烈耗散。通过负泊松比阵列底座的负泊松比特性，可以实现高效的宽带减振效果。
作为本发明的积极效果，还体现在以下几个重要方面：（1）本发明的技术方案可以应用于航空设备壳体、城市建筑、交通工具等多个领域，不仅可以提高产品的使用寿命和安全性，还可以增加乘客、居民或工作人员的舒适度，因此预期带来巨大的商业价值和社会效益。（2）发明的技术方案可以有效地解决飞行、行驶、住宿等多种场景下噪声和振动问题，从而推动了相关行业的科技进步。（3）低频噪声和振动的控制一直是多个领域中共同面临的技术难题，而本发明的技术方案可以有效地同时解决这些问题。（4）由于本发明采用了亥姆霍兹弱耦合共振理论及负泊松比结构阵列与吸声覆盖层结构的共体设计，因此也克服了在传统材料和设计方法上的技术偏见，推动了相关领域的创新和发展。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；
图1是本发明实施例提供的宽低频吸声减振覆盖层结构图；
图2是本发明实施例提供的宽低频吸声减振覆盖层结构设计原理图；
图3是本发明实施例提供的内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器与负泊松比阵列底座共体示意图；（a）为带径穿孔盖板，（b）为腔体结构，（c）为负泊松比阵列底座，上下顺序放置形成吸声减震共体结构；
图4是本发明实施例提供的四单元吸声超表面阵列周期排列形成的吸声覆盖层的吸声系数曲线图；
图5是本发明实施例提供的基于阻抗分析的验证方式示意图；
图6是本发明实施例提供的四单元吸声超表面阵列周期排列形成的吸声覆盖层的吸声系数曲线图；
图7是本发明实施例提供的内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器与负泊松比阵列底座的减振系数示意图；
图中：1、穿孔盖板；2、内嵌颈；3、腔室壁板；4、阻尼橡胶涂覆层；5、底板；6、吸声腔；7、负泊松比阵列结构底座；8、负泊松比结构。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本发明针对航空设备气动因素引发的低频噪声对机载系统设备耐久度的破坏和乘员健康的危害问题，进行声学超材料减振和降噪设计与优化技术分析，完成减振与降噪超材料结构的构建与优化，将设计内嵌孔亥姆霍兹共振腔式超材料用于低频声波的高效吸声，利用负泊松比力学减振超材料的优越性能用于航空器低频噪声减振。
实施例1，如图1-图3所示，本发明实施例提供一种宽低频吸声减振覆盖层结构，通过调节亥姆霍兹共振腔系数设计不同频率的吸声，通过多个腔体耦合共振实现宽频吸声，通过设计内嵌孔径的亥姆霍兹腔型与负泊松比阵列结构共体结构，以达到减振吸声的目的；具体包括穿孔盖板1，内嵌颈2，腔室壁板3，阻尼橡胶涂覆层4，底板5，吸声腔6，负泊松比阵列结构底座7；
于本发明的一实施例中，所述穿孔盖板1与所述底板5大小形状相同；所述腔室壁板3为上下通孔的正方形截面壳体，板厚度均匀一致且与穿孔盖板1和底板5的厚度相同；
所述腔室壁板3放置在穿孔盖板1与底板5之间，与所述穿孔盖板1和底板5紧密贴合，在内部形成多个吸声腔6；多个不同长度，不同孔径大小的内嵌颈2加装在穿孔盖板正下方，颈内通道圆截面与穿孔盖板1穿孔圆截面大小相同且同心；所述负泊松比阵列底座7与所述底板5大小相同，与底板贴合；所述负泊松比阵列结构7由相同的多个负泊松比结构8紧密排布而成，不同厚度的阻尼橡胶涂覆层4均匀的涂敷在吸声腔6的内壁，涂覆面包括底面和四个侧壁面，共计五个面。
作为优选，穿孔盖板1和底板5都为正方形或其他正多边形结构，与腔室壁板3结合可形成吸声腔6。
所述穿孔盖板1与底板5为薄层板状结构，其厚度范围为2mm。
作为优选，在几何层面，调节内嵌颈2的长度，孔径大小，腔室壁板3的高度和所围吸声腔6的截面积，阻尼橡胶涂覆层4的厚度，可以调节吸收峰频率及吸收频带宽度。
作为优选，在材料属性层面，阻尼橡胶涂覆层4属于粘弹性材料，调节其体积模量、剪切模量、密度、与损耗因子，可以调节吸收峰频率及吸收频带宽度。
作为优选，穿孔盖板1，内嵌颈2，腔室壁板3，底板5和负泊松比阵列底座7都是由同一金属材质制作，所述金属材质为钢、铁、铜等。
所述穿孔盖板1、内嵌颈2、腔室壁板3、底板5和负泊松比阵列底座7可以通过金属3D打印、CNC加工、钣金加工等工艺成型。
作为优选，所述阻尼橡胶涂覆层4所需橡胶材料需要根据具体的吸声效果需求，在橡胶基体材质的基础上通过化学改性、复合填充等工艺完成加工。加工后的橡胶材料为流体状态，需要配合挤压模具于吸声腔6中初步成型，并通过粘接剂粘附于金属壁表面，在真空加热炉中抽取空气并固化。
作为优选，所述吸声腔6的数量为4个～20个。所述负泊松比阵列底座7包括负泊松比结构8的数量为100个。
作为优选，宽低频吸声减振覆盖层结构面向甚低频（100Hz以下）的入射声波吸收，宽、低频吸声减振覆盖层结构整体厚度范围控制在45.6mm。
作为优选，在使用工作频带上利用多个由内嵌颈2、阻尼橡胶涂覆层4和吸声腔6组成的内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器之间的强烈非局域耦合，以实现宽、低频吸声覆盖层宽频阻抗调控以及超薄厚度。
通过耦合多个内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器是拓宽吸声频带的方式；
通过多个负泊松比结构8是减少噪声振动的方式。
实施例2，作为本发明另一种本发明实施例，提供一种宽低频吸声减振覆盖层设计方法，包括但不限于以下特定实例、可以通过改变单个单元的几何参数内嵌颈2孔直径d、内嵌颈2长l、腔室壁板3高L，来改变内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器的阻抗，由弱耦合共振吸声机理得到吸声超表面阵列的宽低频吸声减振覆盖层结构整体结构。从而达到按需设计的不同效果。
在本实施例中如图1和图2所示，声波从穿孔盖板1上方入射，以吸声超表面阵列横向边界为周期边界，当吸声超表面阵列周期排列后即形成吸声覆盖层。
所述吸声超表面阵列包括四个吸声腔6，通过调节内嵌颈2的长度，孔径大小，腔室壁板3的高度，阻尼橡胶涂覆层4的厚度，调节阻尼橡胶涂覆层4体积模量、剪切模量、密度、与损耗因子，可以设计吸收峰频率及吸收频带宽度。这样的基于多共振单元非局域耦合的吸声覆盖层突破了技术障碍，通过深亚波长结构在甚低频带内实现了对声波的宽带、高效吸收。将多个负泊松阵列结构8组合作为负泊松比阵列底座7与多单元非局域耦合相结合，实现减振降噪一体化结构，以小结构厚度实现有效减振和高吸声性能。
实施例3，作为本发明的另一种实施方式，本发明设计了一个基于多共振单元非局域耦合的宽低频吸声减振覆盖层结构，其理论计算结果和有限元仿真结果显示结构在300-450Hz的甚低频段内具有0.9以上的吸声系数以及20db以上的减振系数。更重要的是，得益于基于多共振单元非局域耦合的宽低频吸声覆盖层结构提供的良好调整的阻抗条件，可以在单个基元吸声系数不高的情况下，得到宽带且平滑的吸声系数曲线。打破低频吸声效果与更长的亥姆霍兹共鸣器腔长的限制，宽低频吸声减振覆盖层结构能够以更小的厚度实现对低频声波的吸收。通过多个负泊松阵列结构8组合作为负泊松比阵列底座7与内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器共体技术，构造减振降噪一体化结构，以小结构厚度实现有效减振和高吸声性能。宽低频吸声覆盖层结构的整体厚度仅为45.6mm。
对于基于多共振单元非局域耦合的宽低频吸声覆盖层结构，为入射声能的高效衰减使入射声能无反射的被吸收，需要全面调节吸声覆盖层的声阻抗。为了分析所提出的基于多共振单元非局域耦合的宽、低频吸声覆盖层的总声阻抗，首先对于一个典型的内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器阻抗展开计算。
为了实现吸声、减震，单个超表面材料的吸声系数可以通过其（法向）声阻抗来确定，吸声超表面阵列的吸声效果是基于弱耦合共振吸声机理，负泊松比阵列底座7是通过阵列多个排布负泊松比结构8产生减震作用。
实施例4，作为本发明的另一种实施方式，在本实施例中通过并联四个单元并对整体进行阻抗调控构造了吸声超表面阵列，并给出了内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器与负泊松比阵列底座7共体设计图3。所有的孔盖板1、腔室壁板3、底板5的厚度t都为2mm，吸声腔6的正方型截面边长D为32mm，负泊松比阵列7的厚度h为5.6mm，阻尼橡胶涂覆层4的厚度T为0.2mm通过调节腔室壁板3高度L，内嵌颈2长度l和孔直径d，在低频带内四个不同单元的吸声系数在不同频率下均为0.9以下。四个单元的几何参数见表1。
表1样品的相关可调参数
。
如图4所示，四个不同的单元样品在参数优化后，分别于300Hz、345Hz、375Hz和420Hz处达到了吸收峰值。而且厚度L仅约为最低频吸收峰频率波长的1/1250，意味着具有深亚波长尺度。
为了说明本发明适用于宽带的声波吸收，本实施例通过并联四个单元并对整体进行阻抗调控构造了超材料阵列，即吸声超表面阵列。并对有周期性阵列组成的吸声覆盖层进行了说明。
通过修改单个单元的几何参数内嵌颈2孔直径d、内嵌颈2长l、腔室壁板3高L，来改变内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器的阻抗，由弱耦合共振吸声机理得到吸声超表面阵列的宽低频吸声减振覆盖层结构整体结构。
整体阻抗可由以下公式表示：
；
其中，是并联后阵列的整体阻抗，/>分别是四个单元单独的阻抗；所述四个单元为内嵌颈2孔直径d、内嵌颈2长l、腔室壁板3高L的几何参数任意选定后自由组合的单元，通过修改内嵌颈2孔直径d、内嵌颈2长l、腔室壁板3高L的数值，达到不同的组合，四个单元结构构成相同；如表1、表2所示。
本发明结构简单，厚度薄，可通过调节每个内嵌孔2和单元吸声腔6及阻尼橡胶涂覆层4，来实现结构在对应频带能量的高效损耗以达到特定频段宽频声能损耗效果，通过负泊松比阵列底座7的负泊松比特性，减少了由低频噪声所产生的振动。通过实验和仿真验证厚度为45.6mm的样件在300-450Hz的频段范围内有0.9以上的吸声系数以及20以上的减振系数表现。
图4给出了四单元超材料阵列周期排列形成的吸声覆盖层的吸声系数曲线，可见在300Hz-450Hz的频带范围内，吸声覆盖层实现了宽带近完美声吸收，吸声系数大于0.9。其中深黑色实线是理论计算结果，圆圈是有限元仿真结果，四条峰值较低的浅黑色实线代表各个单元的吸声系数。依据声波完美吸收的阻抗匹配原理，对于取得的吸声系数结果本实施例给出了一种基于阻抗分析的验证方式，如图5所示，在吸收峰峰值处，阻抗虚部曲线（下面曲线Im（））过0，同时阻抗实部曲线（上面曲线Re（/>））接近于1，此时阻抗近似匹配，可以实现高效的声吸收。
实施例5，由在实施例4中超材料阵列的样品演示，为了说明本发明适用于宽带的声波吸收，且能够按需设计通过单个单元的几何参数内嵌颈2孔直径d、内嵌颈2长l、腔室壁板3高L，来内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器的阻抗，由弱耦合共振吸声机理得到吸声超表面阵列的整体吸声结构。从而达到按需设计的不同效果。
在本实施例中仍旧通过并联20个单元并对整体进行阻抗调控构造了超材料阵列，调整了四个单元的几何参数内嵌颈孔直径d、内嵌颈长l、腔室壁板高L。
四个单元的几何参数见表2，其他参数同实施例1。
表2样品的相关可调参数：
。
图6给出了四单元超材料阵列周期排列形成的吸声覆盖层的吸声系数曲线，可见在140Hz-165Hz的频带范围内，吸声覆盖层实现了近完美声吸收，吸声系数大于0.9。其中上面的实线是理论计算结果，圆圈是有限元仿真结果，四条峰值较低的实线代表各个单元的吸声系数。
实例通过亥姆霍兹霍兹腔阵列与负泊松比阵列共体设计图3通过设置耦合面由亥姆霍兹霍兹腔吸声结构传递给负泊松比阵列结构，进行噪声振动计算，通过动态响应计算动强度分析，获取结构振动响应。得到有负泊松比阵列共体作用时的位移与无作用时的位移Y，得出负泊松比阵列与亥姆霍兹霍兹腔共体结构的减振系数。图7给出了负泊松比阵列与亥姆霍兹霍兹腔共体结构的减振系数，可见在300Hz-1100Hz的频带范围内，减振系数达到了最低20db的效果。
为进一步说明本申请的技术方案，下面结合以下内容描述得到有负泊松比阵列共体作用时的位移与无作用时的位移Y，得出负泊松比阵列与亥姆霍兹霍兹腔共体结构的减振系数。
为了实现吸声，需要了解这种结构的吸声系数，超表面材料的吸声系数可以通过其（法向）声阻抗/>来确定，关系为：
（1）
其中，和/>分别为空气的密度与声速，/>为吸声系数，/>为声阻抗；
当考虑内嵌颈2内的热粘滞损耗和内嵌颈2的末端修正，内嵌颈2的阻抗可以表示为：
（2）
其中，为阻抗，/>为虚数，/>为空气的密度，/>为角频率，/>；/>为时间，/>为波长乘以距离，/>为虚数，/>为空气和共鸣器边界的穿孔比，/>，/>为穿孔盖板1上开孔的面积，/>为穿孔盖板1的面积；/>是/>倍的粘滞层边界的厚度，为空气动粘滞系数；/>为第/>阶第一类贝塞尔函数，/>为内嵌颈的开口直径。
根据电声类比方法，阻尼橡胶涂覆层4和吸声腔6有明显的平行关系。谐振腔的总声阻抗可以表示为：
（3）
其中，和/>分别代表吸声腔6和阻尼橡胶涂覆层4的阻抗。
阻尼橡胶涂覆层4的阻抗可以表示为：
（4）
其中，为吸声腔6的内截面积，/>为表示吸声腔6的体积；
吸声腔6的阻抗可以表示为：
（5）
其中，为阻尼橡胶涂覆层4的体积，/>为阻尼橡胶涂覆层4的声速，/>为阻尼橡胶涂覆层4密度。
在本实施例中一个共振单元包含内嵌颈、阻尼橡胶涂覆层和吸声腔，共振单元的阻抗可以由以下公式表示：
（6）
结构振动会引起噪声变化，这种噪声与机体结构的固有特性有关，因此在某些频率下可能会产生共振，进而进一步增强噪声。据此，本发明拟采用单向流固耦合方法分析结构在外部流体作用下的振动响应。
单向耦合的方法将流体与固体分开求解，利用CFD计算得到施加在结构上的流体力，导入到CSD中计算结构的静态变形和动态响应。该方法考虑的是流体对固体的作用，在流固交界面处的应力及位移等变量遵守守恒原则，即：
（7）
这里，分别为流体域、固体域在交界面处的法向应力，/>为流体域、固体域在交界面处的位移，/>分别为流体域、固体域在交界面处的热流量，分别为流体域、固体域在交界面处的温度。在流固耦合面上的边界需要满足应力和法向速度是连续的，即将表面声载荷信息和振动响应综合起来进行噪声与振动噪声的计算。
引入海维塞函数（Heaviside function），重新改写N-S方程即可得到FW-H方程：
（8）
式中，为/>方向流体速度分量；/>为垂直于声源面/>的流体速度分量；/>为垂直于声源面方向声源面速度分量；/>为密度，/>为狄拉克函数；/>为海维赛函数；为远场声压；/>为远场未扰动流体声速；/>为声源面，可以是不可穿透的固体表面，也可以是远离物面的可穿透数据面；/>为声源面外法线方向；下标0表示自由来流物理量。
为Lighthill应力张量：
；
式中，为压缩性应力张量，对斯托克斯流体：
（10）
式中，为速度分类，表示不同方向上的分量；/>为声压，/>为狄拉克函数；运用广义函数理论和自由空间格林函数/>，可以得到FW-H方程的解，即Farassat 1A公式：
（11）
（12）
式中，为声压，/>为密度，/>为面积，/>为质量，/>为和自由空间格林函数的系数；
（13）
式中：
（14）
（15）
在振动噪声方面，将CSD求得空天飞机在流动激励下的振动响应结果作为边界条件，将结构振动响应数据映射到相应声学计算的结构网格上，同时进行频域傅立叶变换，然后通过有限元法求解得到振动辐射噪声。
求解振动噪声辐射，获取振动噪声声压级频谱。
理想流体中，小振幅波动方程为：
（16）
其中，为声压，c为声速，t为时间声场内激振点源作用时，Helmholtz方程积分解为：
（17）
其中G为高斯核函数，结构面表面节点对应的声强I为：
（18）
对上式积分，可以得到：
（19）
辐射声压可由Rayleigh积分得到：
（20）
式中，I为声强，为功率，P为声压，S为面积；
基于Reissner-Mindlin模型的一阶剪切理论和最小势能原理，推导负泊松比夹芯的自由振动控制方程；根据相关边界条件，采用瑞利里兹法构造广义位移求解频率方程；构造能量函数的拉格朗日方程，通过调用Matlab特征值和特征向量函数，获得结构的各阶频率的数值解；探究结构损耗的能量和材料基本阻尼损耗因子的关系，基于模态应变能法，求解结构各阶阻尼损耗因子。采用悬挂法近似等效自由-自由边界条件，通过多点激励，单点响应的锤击测量法获得结构的频响函数，从而获得其固有振动阻尼特性。通过模态分析获得并提取负泊松比夹芯结构各阶固有频率、模态振型及其单元体积、应力和应变分量等参数，基于模态应变能法，将阻尼性能作为基本参数应用于负泊松比点阵夹芯结构的阻尼预报；通过分析结构应变能分量的阻尼贡献因子揭示结构阻尼耗能机理。并且评价其减振性能：
（21）
其中，为加装减振器后主质量偏离静态平衡位置的位移，/>为未加装减振器时主质量的位移。
对实例4技术方案进行实验：采用激光熔化成形（SLM）金属3D打印技进行3D打印，精度为0.1mm。实验使用B&K 4206T阻抗管，严格按GB/T 18696.1-2004的阻抗管方法测量吸收系数。发现实验与仿真效果基本吻合。实验和仿真验证厚度为45.6mm的样件在300-450Hz的频段范围内有0.9以上的吸声系数以及20以上的减振系数表现。
本发明可以应用于以下方面：航空设备壳体：用于控制航空设备超高音速频繁进入稠密大气、稀疏大气产生的气动噪声及振动，减少引发的疲劳损坏，一体化材料负泊松比特性还可应对机体表面受热膨胀问题，有利于提高航空设备的使用寿命增加安全性。民用飞机、动车组等交通工具：提高机厢及车厢内乘客舒适度。城市建筑：有效隔绝外部城市低频噪声，有效地保护了内部居民或工作人员身体健康，复合材料的独特力学特性还可增加建筑结构的强度、抗弯刚度，提高使用寿命。还可用于变压器壳体、机箱壳体等方向，用于隔绝产生的振动及低频噪声，防止其向外辐射影响其他部分正常使用。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程。
基于上述本发明实施例记载的技术方案，进一步的可提出以下应用例。
根据本申请的实施例，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。
本发明实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、随机存取存储器（Random AccessMemory，RAM）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽低频吸声减振覆盖层结构，其特征在于，该结构通过调节亥姆霍兹共振腔系数设计不同频率的吸声，通过多个腔体耦合共振实现宽频吸声，通过设计内嵌孔径的亥姆霍兹腔型与负泊松比阵列共体结构用于减振吸声；该结构包括：
腔室壁板（3），放置在穿孔盖板（1）与底板（5）之间，并紧密贴合，在内部形成多个吸声腔（6）；
多个不同长度，不同孔径的内嵌颈（2），加装在穿孔盖板（1）正下方，所述内嵌颈（2）的颈内通道圆截面与穿孔盖板（1）穿孔圆截面大小相同且同心设置；
负泊松比阵列底座（7），与底板（5）大小相同，并与底板（5）贴合设置；所述负泊松比阵列结构（7）由相同的多个负泊松比结构（8）紧密排布而成，不同厚度的阻尼橡胶涂覆层（4）均匀的涂敷在吸声腔（6）的内壁。
2.根据权利要求1所述的宽低频吸声减振覆盖层结构，其特征在于，所述穿孔盖板（1）与所述底板（5）大小相同并且形状相同；所述腔室壁板（3）为上下通孔的正方形截面壳体，所述腔室壁板（3）的板厚度均匀一致且与穿孔厚度相同盖板（1）和底板（5）；所述阻尼橡胶涂覆层（4）均匀的涂敷在吸声腔（6）的内壁底面和四个侧壁面。
3.根据权利要求1所述的宽低频吸声减振覆盖层结构，其特征在于，所述穿孔盖板（1）和底板（5）均为正多边形结构；所述穿孔盖板（1）与底板（5）为薄层板状结构。
4.根据权利要求1所述的宽低频吸声减振覆盖层结构，其特征在于，调节内嵌颈（2）的长度和孔径大小，腔室壁板（3）的高度和所围吸声腔（6）的截面积，阻尼橡胶涂覆层（4）的厚度，调节吸收峰频率及吸收频带宽度。
5.根据权利要求4所述的宽低频吸声减振覆盖层结构，其特征在于，调节阻尼橡胶涂覆层（4）体积模量、剪切模量、密度、与损耗因子，调节吸收峰频率及吸收频带宽度。
6.根据权利要求1所述的宽低频吸声减振覆盖层结构，其特征在于，穿孔盖板（1），内嵌颈（2），腔室壁板（3），底板（5）和负泊松比阵列底座（7）均由同一金属材质制作而成。
7.根据权利要求1所述的宽低频吸声减振覆盖层结构，其特征在于，所述穿孔盖板（1）、内嵌颈（2）、腔室壁板（3）、底板（5）和负泊松比阵列底座（7）通过金属3D打印、CNC加工、钣金加工工艺成型；
所述阻尼橡胶涂覆层（4）通过化学改性、复合填充工艺加工而成；加工后的阻尼橡胶涂覆层（4）配合挤压模具于吸声腔（6）中初步成型，并通过粘接剂粘附于吸声腔（6）表面，在真空加热炉中抽取空气并固化。
8.根据权利要求1所述的宽低频吸声减振覆盖层结构，其特征在于，所述吸声腔（6）的数量为4个～20个；所述负泊松比阵列底座（7）包括负泊松比结构（8）的数量为100个。
9.一种宽低频吸声减振覆盖层设计方法，其特征在于，该设计方法用权利要求1-8任意一项所述的宽低频吸声减振覆盖层结构制作而成，该设计方法包括：
通过改变由内嵌颈（2）孔直径d、内嵌颈（2）长l、腔室壁板（3）高L组成的单个单元的几何参数，对多个内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器之间的非局域耦合，改变内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器的阻抗，由弱耦合共振吸声机理得到吸声超表面阵列的宽低频吸声减振覆盖层结构；利用内嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器多由内嵌颈（2）、阻尼橡胶涂覆层（4）和吸声腔（6）组成。
10.根据权利要求9所述的宽低频吸声减振覆盖层设计方法，其特征在于，嵌橡胶亥姆霍兹共鸣器的阻抗，表达式为：
；
其中，是并联后阵列的整体阻抗，/>分别是四个单元单独的阻抗；所述四个单元为内嵌颈（2）孔直径d、内嵌颈（2）长l、腔室壁板（3）高L的几何参数任意选定后自由组合的单元。
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