CN208111070U - 一种仿生复合吸声结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种仿生复合吸声结构，由纤维、薄膜、空心柱体和多孔泡沫铝四部分组成。其中，最上面一层纤维材料，可以采用鹅毛、毛线、棉布等天然或无机或合成纤维材料，模拟鸮覆羽；第二层是薄膜材料，模拟鸮表层皮肤；第三层是空心柱体，模拟鸮皮肤下空腔结构，与第二层薄膜、第四层泡沫铝之间均用胶粘方式固定；最下面的基体结构为多孔泡沫铝，模拟鸮皮肤下层组织。本实用新型更加准确了模拟了长耳鸮皮肤和覆羽生理结构中影响吸声特性的主要因素，相对已有的仿生结构，吸声效果更佳，而相对现有的传统泡沫铝吸声结构而言，在大大降低成本和重量的同时，能有效增大中低频的吸声系数。

Description

一种仿生复合吸声结构

技术领域

本实用新型涉及吸声降噪领域，具体为一种仿生复合吸声结构。

背景技术

随着现代工业的发展，人们生活水平的提高，人们对居住环境的要求越来越高，其中，噪声污染成为了全世界面临的难题之一，应用吸声材料和吸声结构是一种减少噪声污染的重要手段。

仿生声学是介于仿生学和声学之间的一门边缘学科，也是一门非常宽广的交叉学科。模仿鸟类翅膀将飞机的机翼设计成流线型、仿海豚发声研制出声呐系统都是仿生声学在人类工程中的成功案例。同样，我们可以将仿生学运用于吸声结构的设计中，以期获得更加优越的吸声结构，克服传统吸声结构在中低频吸声效果不理想的瓶颈。

鸮类在飞行过程中具有非常好的静音能力这个特点已经被学者发现，并且开始开展深入研究。王永华等人利用类比方法对长耳鸮的翅膀开展了仿生结构设计，他们以聚氨酯为基材，仿鸮类结构特征设计出梯形棱纹表面、背衬空腔的二元仿生模型，然后采用有限元数值方法计算了平面表面、梯形棱纹表面以及是否在表面后面带背衬空腔的仿生模型的声阻抗和吸声系数，从计算结果可以看出，其所设计的仿生耦合模型的吸声性能很可观，但仍有提高的空间。孙少明等利用激光扫描仪系统对长耳鸮的翼进行测量，提取其形态特征信息，进行逆向重构建模，以标准翼型NACA0015为基准，对飞机翼前缘部分进行非光滑设计，建立了仿生类比模型，采用计算气动声学方法，对仿生模型的降噪特性进行了数值模拟，结果表明，仿生非光滑模型比光滑模型可降低气流噪声5dB～10dB。

发明内容

为了克服传统泡沫铝吸声结构在中低频吸声效果不理想的瓶颈，本实用新型仍然从长耳鸮皮肤和覆羽的仿生吸声特性出发，发现长耳鸮皮肤和覆羽的生理结构中影响吸声特性的主要因素，设计出更加符合长耳鸮结构特征和吸声特性的四元仿生复合吸声结构，并考虑重量和成本的因素，加工出相比于传统泡沫铝吸声结构更轻的仿生结构。基于传递函数方法，利用驻波管测量仿生吸声结构的吸声系数，得到该结构比传统吸声结构在吸声性能方面优越的结论。

本实用新型的主要内容为吸声结构，它由纤维、薄膜、空心柱体和多孔泡沫铝四部分组成。依据长耳鸮的覆羽、皮肤与皮下组织的生理组成特性，四个组成部分的组装顺序为：纤维、薄膜、空心柱体、多孔泡沫铝。其中，最上面一层纤维材料，可以采用鹅毛、毛线、棉布等天然或无机或合成纤维材料，模拟鸮覆羽；第二层是薄膜材料，模拟鸮表层皮肤；第三层是空心柱体，模拟鸮皮肤下空腔结构，与第二层薄膜、第四层泡沫铝之间均用胶粘方式固定；最下面的基体结构为多孔泡沫铝，模拟鸮皮肤下层组织。

基于上述原理，本实用新型的技术方案为：

所述一种仿生复合吸声结构，其特征在于：采用四层结构，依次为纤维、薄膜、空心柱体和多孔泡沫铝；

所述纤维模拟鸮覆羽，黏贴固定在薄膜上，且纤维材料黏贴在薄膜上的覆盖率不低于30％，纤维材料长度不小于1cm；

所述薄膜模拟鸮表层皮肤，具有不小于50％的孔隙率，厚度在0.038mm～0.1mm 之间；

所述空心柱体模拟鸮皮肤下空腔结构；所述空心柱体高度不小于多孔泡沫铝厚度的2.5倍，空腔结构的数量由空腔结构总面积与多孔泡沫铝面积之比决定，空腔结构总面积与多孔泡沫铝面积之比不小于2％；空心柱体两端黏贴固定在薄膜和多孔泡沫铝上；

所述多孔泡沫铝模拟鸮皮肤下层组织，孔隙率为60％～80％，孔径为0.8mm～2mm，厚度不小于4mm。

进一步的优选方案，所述一种仿生复合吸声结构，其特征在于：空心柱体采用圆柱柱，内、外径之比不小于80％。

有益效果

本实用新型提出了一种新型四元仿生复合吸声结构，更加准确了模拟了长耳鸮皮肤和覆羽生理结构中影响吸声特性的主要因素，相对已有的仿生结构，吸声效果更佳，而相对现有的传统泡沫铝吸声结构而言，在大大降低成本和重量的同时，能有效增大中低频的吸声系数。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1新型四元仿生复合吸声结构示意图；

其中：1-纤维 2-薄膜 3-空腔结构 4-多孔泡沫铝；

图2五种结构吸声系数测试结果。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型的主要内容为吸声结构，它由纤维、薄膜、空心柱体和多孔泡沫铝四部分组成。依据长耳鸮的覆羽、皮肤与皮下组织的生理组成特性，四个组成部分的组装顺序为：纤维、薄膜、空心柱体、多孔泡沫铝。其中，最上面一层是鹅毛、毛线、棉布等天然或无机或合成纤维材料，模拟鸮覆羽；第二层是PEI薄膜材料，模拟鸮表层皮肤；第三层是空心柱体，模拟鸮皮肤下空腔结构，与第二层薄膜、第四层泡沫铝之间均用胶粘方式固定；最下面的基体结构为多孔泡沫铝，模拟鸮皮肤下层组织。

吸声结构的主要设计过程如下：

1、首先，根据使用环境，确定吸声结构的整体形状、总厚度和外围尺寸，例如，圆形就要确定直径，矩形就要确定长、宽。

2、其次，纤维材料与薄膜之间采用黏贴的方式固定，不同种类的纤维材料采用不同的黏贴胶，要求黏贴强度高、操作方便、与纤维之间有很好的适配性，同时根据使用环境的要求，黏贴胶要求有耐老化性、耐水性、耐腐蚀性等功能。根据吸声研究分析，纤维材料黏贴在薄膜上的覆盖率以及纤维材料自身长度是影响吸声效果的因素之一，要求达到不小于30％，长度不小于1cm。

3、接下来，在薄膜部分，主要的影响因素是薄膜的孔隙率和厚度，要求薄膜具有50％以上的孔隙率，厚度在0.038mm～0.1mm之间。在将薄膜与纤维、空腔粘贴过程和使用过程中，避免出现开裂的情况。

4、然后，在空腔结构方面，空腔结构的最佳结构为圆柱形，其次为方形、多边形。空腔结构采用3D打印材料——生物可降解塑料PLA。主要影响因素是空腔结构的高度和数量；相对而言，要求空腔结构的高度不小于第四层泡沫铝厚度的2.5倍，空腔结构的数量由空腔结构总面积与多孔泡沫铝面积之比决定，空腔结构总面积与多孔泡沫铝面积之比不小于2％。当空腔结构采用圆柱结构时，内、外径之比不小于80％。空腔与薄膜、泡沫铝之间使用胶粘方式固定，根据薄膜材料的种类，选用合适的黏贴胶，同样要求黏贴强度高、操作方便；空腔与泡沫铝之间使用AB胶。需要注意的是，圆柱结构与泡沫铝、薄膜固定时，胶不能封住圆柱结构的中心孔。

5、最后，多孔泡沫铝的孔隙率在60％～80％之间；孔径在0.8mm～2mm之间；厚度根据吸声结构总厚度、与空腔结构的高度之间的关系(空腔结构的高度为第四层泡沫铝厚度的2.5倍以上)确定，不小于4mm。

为了与传统泡沫铝结构相比，参考阻抗管中吸声系数的传递函数测量法标准《GBT_18696.2-2002声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2部分：传递函数法》，设计并测试了四种覆不同纤维材料的四元仿生复合结构与基体泡沫铝的吸声系数。仿生复合吸声结构为圆形，整体厚度为14mm，空腔结构高度10mm、内径1.6mm、外径2mm、数量50个，泡沫铝厚度4mm、直径98.9mm，薄膜厚度极薄可忽略，四种纤维材料分别是鹅毛、毛线、棉布、棉布加毛线。

参考国标《GBT_18696.2-2002声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2部分：传递函数法》，利用大号阻抗管测试系统测量吸声系数，测试频率上限为1.6kHz。由于测试系统存在误差，所以频率下限设定为250Hz。

图2是对应于五种结构的吸声系数测试结果，包括了传统泡沫铝、表层覆鹅毛复合结构、表层覆毛线复合结构、表层覆棉布复合结构、表层同时覆棉布与毛线的复合结构。

通过对比图2中曲线可以发现：设计的四元仿生复合吸声结构的吸声性能比传统泡沫铝优越许多，在250Hz～1.6kHz中频范围内，吸声系数大大提高；仿生表皮覆棉布加毛线的多层复合吸声结构，在1.25kHz时，吸声系数就达到了0.9。开孔泡沫铝的吸声系数与工艺、孔径大小、分布等有关，对于厚度(15mm)比所设计的四元复合吸声结构(14mm)略大的开孔泡沫铝，在250Hz～1.6kHz的频率范围内吸声系数小于0.6，平均吸声系数不高于0.3，所以，所设计的四元复合吸声结构相比于同样厚度的泡沫铝而言，吸声性能更好。

同样，对比图2中四种仿生复合吸声结构的吸声系数测试结果，可以发现：覆棉布、毛线、棉布加毛线这三种复合结构的吸声系数增长较快，以覆毛线、棉布加毛线两种结构的增长速度最快；并且，覆毛线、棉布加毛线这两种结构的增长趋势基本一致，棉布的吸声贡献主要集中在1kHz以下频率范围，相比于仅覆毛线这种结构的吸声系数，加上棉布后，在250Hz～1kHz频率范围，吸声系数增大了25％。因此，覆棉布加毛线这种仿生复合吸声结构的吸声性能最好，在250Hz、1.25kHz的吸声系数已经分别达到了0.03、0.9以上。

重量是限制吸声结构应用范围的一个重要因素，因此，比较所设计的仿生复合吸声结构与传统泡沫铝结构的轻重。本实施例中泡沫铝体积密度为0.6g/cm³，那么4mm 厚、直径98.9mm的圆形泡沫铝重18.42g，推算出同样面积的14mm厚的泡沫铝重 64.47g。表1给出了同样厚度的泡沫铝，表层覆鹅毛、表层覆毛线、表层覆棉布、表层覆棉布和毛线这四种仿生结构的重量，其中仿生结构中空心圆柱所使用的材料是聚乳酸塑料，密度为1.2g/cm³。

表1传统泡沫铝与仿生复合结构的重量(厚度均为14mm)

从表1可以看出，仿生复合结构的重量比泡沫铝更轻，所设计的四种仿生复合结构中，最轻的覆鹅毛这种仿生结构的重量仅为同厚度泡沫铝的30％，吸声性能最好的表面覆棉布加毛线的吸声结构的重量比泡沫铝降低了63％。

因此，无论是从吸声性能方面，还是重量和成本方面，所设计的四元仿生复合吸声结构比泡沫铝这类传统吸声结构具有优势，应用前景可观。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种仿生复合吸声结构，其特征在于：采用四层结构，依次为纤维、薄膜、空心柱体和多孔泡沫铝；

所述纤维模拟鸮覆羽，黏贴固定在薄膜上，且纤维材料黏贴在薄膜上的覆盖率不低于30％，纤维材料长度不小于1cm；

所述薄膜模拟鸮表层皮肤，具有不小于50％的孔隙率，厚度在0.038mm～0.1mm之间；

所述空心柱体模拟鸮皮肤下空腔结构；所述空心柱体高度不小于多孔泡沫铝厚度的2.5倍，空腔结构的数量由空腔结构总面积与多孔泡沫铝面积之比决定，空腔结构总面积与多孔泡沫铝面积之比不小于2％；空心柱体两端黏贴固定在薄膜和多孔泡沫铝上；

所述多孔泡沫铝模拟鸮皮肤下层组织，孔隙率为60％～80％，孔径为0.8mm～2mm，厚度不小于4mm。

2.根据权利要求1所述一种仿生复合吸声结构，其特征在于：空心柱体采用圆柱柱，内、外径之比不小于80％。