一种渐变截面低频吸声体的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种渐变截面低频吸声体的设计方法，通过构建空间折叠的渐变截面结构，利用结构共振与空气热黏效应使得该吸声体能够强效的吸收低频声波。相对于传统的均匀通道吸声体，该方法构建的吸声体能够在相同体积下达到更低的吸声频率，并且能够在不改变外形的条件下改变吸声频率。通过并列安装多个峰值吸声频率不同的吸声体，本发明专利技术可以实现亚波长尺度下的低频宽带吸声。综上，本发明专利技术方法构建的吸声体具有结构简单，加工难度低和易于安装使用的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种渐变截面低频吸声体的设计方法
本专利技术属于噪声控制和建筑声学领域，涉及一种低频吸声体的设计方法，更具体地说，涉及一种利用渐变结构共振与空气热黏效应强效的吸收低频声波的方法。
技术介绍
噪声对人类以及人类的生产生活有很大的负面影响，持续不断的噪声可能会不同程度地影响人的听觉和神经系统。多年来，已经有很多相关降噪技术相继问世，在被动
内有传统多孔吸声材料和微穿孔板等技术，但由于长波长情况下声能损耗较弱，为衰减低频声波(<500Hz)的能量，它们的厚度将会达到与波长相当的尺寸，这限制了这类吸声体的使用范围；在主动
，以主动噪声控制为代表的一系列技术能够有效的控制低频声波，但这项技术的原理较为复杂而且成本较高，一直以来未得到普及。近年来，具有共振特性的材料已经被发现能够以亚波长厚度有效实现更好的低频声吸收，人们通过构建各种各样的共振吸声体实现了这一目标。如被广泛研究的装饰薄膜共振体【Mei,J.,etal.,Nat.Commun.3(2):756】,它由柔软的膜类和附加的小质量块组成，能够在100Hz～1000Hz的频段内实现良好的声吸收，但它在加工过程中预应力的附加以及装饰质量的黏连均较为复杂，增加了实际生产制造的难度。相较而言，折叠亥姆霍兹共鸣器【Cai,X.,etal.AppliedPhysicsLetters,105(12):1901】与折叠Fabry-Pérot吸声体【Zhang,C.andX.Hu,Phys.Rev.applied.6(6)】结构更为简单，而且仅通过3D打印机就可以加工制造，但是目前该类结构使用的均为均匀通道，导致其无法有效的利用空间从而实现更低频的声吸收，而且在改变这类吸声体的吸声频率时不可避免的会导致其外形的改变，这在实际安装使用中是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
技术问题：本专利技术提供一种简易的方式实现低频与宽带声吸收的渐变截面低频吸声体的设计方法。技术方案：本专利技术的渐变截面低频吸声体的设计方法，包括以下步骤：步骤一、首先通过测量环境中的噪声频率f以确定吸声体吸声频率；步骤二、根据所述步骤一测量的噪声频率f设计对应吸声频率的渐变截面吸声体，具体步骤包括：(1)根据实际加工精度和吸声频率范围确定拟采用的渐变类型，根据有限元法得到的公式计算一组渐变截面吸声体的末端入口面积比m和长度l；(2)结合拟设计吸声体的厚度W计算所需的折叠数这里指对l/W的结果向上取整；(3)将面积比m和折叠数N带入对应渐变类型的通道尺寸递推公式，计算得到渐变系数g，再进一步计算吸声体内每一通道的宽度wi；(4)结合拟设计吸声体的壁厚D确定吸声体外形的长度与高度，其中长度L＝(N+1)D+w1+w2+…+wN，高度根据实际安装位置的尺寸而定，其中w1,w2…wN分别指第i个通道的宽度；步骤三、使用传输矩阵法计算符合步骤二确定的上述几何参数的渐变截面吸声体的吸声系数曲线，判断该吸声系数曲线是否符合实际使用需求，若符合则进入步骤四，否则舍弃m、l并返回步骤二；步骤四、根据步骤二确定的几何参数加工渐变截面吸声体，通过与理论值对比评价该渐变截面吸声体的实际吸声性能，若符合要求，则完成该吸声体设计，若不符合，则对通道宽度和渐变系数微调至符合要求。进一步的，本专利技术方法中，步骤(1)中有限元法得到的公式为：式中有：m＝S1/S2是吸声体末端与入口通道面积比，ceq为考虑了热黏效应且通道数相同的均匀截面管中的空气等效声速，flin和fexp分别为线性和指数渐变通道吸声体的吸声频率。进一步的，本专利技术方法中，步骤(3)中通道尺寸递推公式按照渐变类型确定，具体为：对线性通道渐变类型的，通道尺寸递推公式为：g＝mw1/(N-1)其中w1为初始预设的第一个通道宽度；对指数通道公式渐变类型的，通道尺寸递推公式为：g＝ln(m)/(N-1)。进一步的，本专利技术方法中，步骤三中，判断该吸声系数曲线是否符合实际使用需求的方法为：如频率f处吸声系数小于预期的吸声系数，则不符合，否则符合实际使用需求。进一步的，本专利技术方法中，步骤四中对通道宽度和渐变系数微调，是通过以吸声频率对应波长的1/100为步长增减初始通道宽度，再根据由递推关系算得的其他通道宽度加工吸声体。进一步的，本专利技术方法中，步骤一中测量得到的环境中的噪声频率为多个时，则针对每一个频率噪声确定吸声体吸声频率，并分别按照步骤二至步骤四的流程设计吸声体，并将得到的多个吸声体并列组装为一体。进一步的，本专利技术方法中，步骤四中与理论值对比评价该渐变截面吸声体的实际吸声性能，是将峰值吸声频率实际值与理论值对比，如与理论值相比误差小于5％，则符合要求，否则，不符合要求；此处误差为相对误差，即“(实际频率–理论频率)/理论频率”。或者峰值吸声系数实际值与理论值对比，如与理论值相比误差小于5％，则符合要求，否则，不符合要求。此处误差为绝对误差，即“实际系数–理论系数”。本设计方法设计得到的其中一种渐变截面吸声体的截面结构如图2a所示。该结构由多个折叠通道构成，每个通道的截面尺寸不尽相同。在外形不变且折叠数(即通道数)N一定的情况下，该结构的内部构造可以由壁厚D，各通道的等效长度li，宽度wi决定。这里保持壁厚一定，通过改变起始通道宽度w1和通道渐变系数g进行结构设计，其余通道的宽度可通过w1与g的递推关系得到。例如对于第i个通道，wi＝w1+g(i-1)和wi＝w1eg(i-1)分别对应于线性渐变型和指数渐变型通道的宽度。图2b是吸声体外形示意图，其尺度可由外部高度H，长L，宽W决定。将所设计的结构进行空间解卷绕，即可得到与其等效的等效共轴直通道结构，如图2c所示。因此，图2a中结构的吸声性能也可基于传输矩阵法进行模型分析。所建立的理论模型由两部分组成，分别为通道末端至通道入口处的阻抗计算及通道入口至外部空间的辐射修正。对第一部分，设入口处起始通道入口处的声压与体积速度为pE和UE，最后一个通道的末端声压和体积速度分别为pF和UF。根据传输矩阵理论，可得到如下关系：式(1)中是第i个通道的传输矩阵，可以写为此处ki＝ω(ρi/Ci)1/2、li分别为第i个通道的特征阻抗、等效波数和等效传播距离。ρi和Ci是考虑了热黏效应的管道等效密度和压缩函数，分别表示为其中，αk＝(2k+1)π/wi和βn＝(2n+1)π/H与频率无关，其数值由通道尺寸wi和H及展开系数n和k决定。P0和γ是空气压强和理想气体比热比。式中ν＝μ/ρ0，ν’＝κ/ρ0Cv，μ，κ和Cv分别指空气粘滞、热传导和等容热容。当反射声波从结构入口处的狭缝向自由空间辐射时，存在一个辐射末端修正，其对应的传输矩阵为对周期性排列的狭缝，辐射末端修正长度可表示为其中ψ＝w1/L为吸声体的穿孔率。设吸声体表面声压为pS和US，因为末端刚性壁速度为零，联立式(1)可得因此结构入口处表面声阻抗为该吸声体的反射系数r与吸声系数α可由下两式计算得到α＝1-|r2|,(10)其中Z0是表面空气特征阻抗。为实现设计的便利性，本研究将线性和指数渐变吸声体分别看作是图3上图和下图所示缓变截面管的离散化近似，使用二端点有限元法分析了这两种类型的缓变截面管的共振频率与几何参数间的关系。在图3所示坐标系中，假设管内传播的声波仅为x方向的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种渐变截面低频吸声体的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、首先通过测量环境中的噪声频率f以确定吸声体吸声频率；步骤二、根据所述步骤一测量的噪声频率f设计对应吸声频率的渐变截面吸声体，具体步骤包括：(1)根据实际加工精度和吸声频率范围确定拟采用的渐变类型，根据有限元法得到的公式计算一组渐变截面吸声体的末端入口面积比m和长度l；(2)结合拟设计吸声体的厚度W计算所需的折叠数

【技术特征摘要】
1.一种渐变截面低频吸声体的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、首先通过测量环境中的噪声频率f以确定吸声体吸声频率；步骤二、根据所述步骤一测量的噪声频率f设计对应吸声频率的渐变截面吸声体，具体步骤包括：(1)根据实际加工精度和吸声频率范围确定拟采用的渐变类型，根据有限元法得到的公式计算一组渐变截面吸声体的末端入口面积比m和长度l；(2)结合拟设计吸声体的厚度W计算所需的折叠数这里指对l/W的结果向上取整；(3)将面积比m和折叠数N带入对应渐变类型的通道尺寸递推公式，计算得到渐变系数g，再进一步计算吸声体内每一通道的宽度wi；(4)结合拟设计吸声体的壁厚D确定吸声体外形的长度与高度，其中长度L＝(N+1)D+w1+w2+…+wN，高度根据实际安装位置的尺寸而定，其中w1,w2…wN分别指第i个通道的宽度；步骤三、使用传输矩阵法计算符合步骤二确定的上述几何参数的渐变截面吸声体的吸声系数曲线，判断该吸声系数曲线是否符合实际使用需求，若符合则进入步骤四，否则舍弃m、l并返回步骤二；步骤四、根据步骤二确定的几何参数加工渐变截面吸声体，通过与理论值对比评价该渐变截面吸声体的实际吸声性能，若符合要求，则完成该吸声体设计，若不符合，则对通道宽度和渐变系数微调至符合要求。2.根据权利要求1所述的渐变截面低频吸声体的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中有限元法得到的公式为：式中有：m＝S1/S2是吸声体末端与入口通道面积比，ceq为考虑了热黏效应且通道数相同的均匀截面管中的空气等效声速，flin和fexp分...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭霞生，申雨晨，杨嫣烨，章东，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32