一种声学超材料元胞及包含它的超材料通风降噪装置，包括第一声学元胞、第二声学元胞和主通风道，第一、第二声学元胞均为环形腔体结构，主通风道为第一、第二声学元胞的中心通道，与第一、第二声学元胞同轴设置，主通风道通过第一声学元胞上的声学开口与第一声学元胞的第一声学腔体连通，主通风道通过第二声学元胞上的穿孔板与第二声学元胞的第二声学腔体连通，且第二声学腔体内填充有高孔隙吸能介质。声波从主通风道与第一声学腔体之间的声学开口进入，并与第一声学腔体形成共振腔；声波从主通风道与第二声学腔体之间的穿孔板进入，并与第二声学腔体内的高孔隙吸能介质形成吸声腔。该声学超材料元胞具有低频、宽带、小尺寸的优良消声性能。的优良消声性能。的优良消声性能。
【技术实现步骤摘要】
声学超材料元胞及包含它的超材料通风降噪装置
[0001]本专利技术属于高端装备(飞机、轨道列车、大型船舶、新型输变系统、高新电子)、现代功能建筑(高速公路、隧道、乘候车厅/馆、会议场馆、录音/演播厅、消声室)减振降噪制新材料、新结构领域，具体涉及一种用于通风管路降噪的声学超材料元胞及包含它的超材料通风降噪装置。
技术介绍
[0002]通风管路结构作为输送物质的通道，广泛存在于军事装备的空调通风、发动机进排气、燃气轮机、机舱散热等各个场合，是保证装备内部与外部空气流通必不可少的设备之一。管路系统的主要功能是输送流体介质，但在流体介质随管路运输的同时，噪声也会随着管路进行传播。通风管路噪声主要由两方面产生，一是管路中机械设备运行时产生的振动和噪声随管路进行传播，二是管道内流动的气体在经过弯头、三通、变径管、阀门和送回风口等截面积变化部位产生涡流、涡阻现象也将引起结构振动产生噪声。通风管路噪声将直接影响与之相关的军事设备的安全性和可靠性，影响战斗人员居住环境的舒适性，危害其身体健康，尤其是低频噪声，携带能量较大、线谱明显、传播距离较远，对海军舰船、歼击机的隐身性和生命力构成直接威胁。
[0003]通风管路的降噪设计最主要是在噪声传播路径上对噪声进行控制。目前，抑制通风管路噪声主要采用以下两种方法：一种是利用吸声原理，在管路内壁贴附吸声材料(如多孔材料、泡沫材料等)或安装吸声结构(如微穿孔板等)。但是传统的利用吸声材料的噪声控制方法对低频噪声抑制效果有限，在工程应用上有一定局限性。另外一种是利用消声原理，在管路上安装消声器，在工程上有着广泛的应用。传统的管路消声器根据消声原理的不同可分为抗性消声器，阻性消声器，阻抗复合式消声器等。传统的管路消声器设计目前还存在着一些不足，例如抗性消声器要对低频噪声进行有效控制则需要较大的空间体积，且消声频带窄，阻抗复合式消声器主要针对中高频噪声进行控制，低频噪声衰减能力较差。因此，目前通风管路噪声控制急需设计一种新型的通风管路降噪装置，以满足工程、军事装备需求。
[0004]近年来，声物理学和凝聚态物理学领域提出和发展的超材料结构为解决通风管路低频噪声问题提供了新思路。随着声学超材料在结构减振降噪方面研究的不断深入，把超材料的设计思想应用于管路噪声控制得到了广泛的关注。
[0005]声学超材料是人工微结构按一定方式排列而成的、具有超常物理特性的人工复合材料或结构。这些超常物理特性包括低频带隙、低频超常吸收、超常材料参数(负质量密度、负弹性模量等)、强色散等等。声学超材料的核心思想是通过亚波长尺度的微结构设计(即结构尺寸远小于声波传播的波长)实现对弹性波的调制，并产生超常物理效应。这些超常物理效应可在通风管道噪声控制中得到应用，有望实现传统材料/结构所不具备的噪声控制特性，对装备通风管路系统噪声控制具有重要的理论意义和应用价值。
技术实现思路
[0006]针对现有技术存在的缺陷和不足，本专利技术的目的是提供一种声学超材料元胞及包含它的超材料通风降噪装置。
[0007]为了实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]声学超材料元胞，包括：
[0009]第一声学元胞，其为环形腔体结构，包括第一声学腔体和声学开口，第一声学腔体为第一声学元胞其内部的环形空腔；
[0010]第二声学元胞，其为与第一声学元胞同轴设置且紧密相连的另一环形腔体结构，包括第二声学腔体、高孔隙吸能介质和穿孔板，第二声学腔体为第二声学元胞其内部的环形空腔，第二声学腔体内填充有高孔隙吸能介质；
[0011]主通风道，其为第一声学元胞和第二声学元胞的中心通道，与第一声学元胞和第二声学元胞同轴设置，所述主通风道通过声学开口与第一声学腔体连通，所述主通风道通过穿孔板上的微穿孔与第二声学腔体连通。
[0012]声波从主通风道与第一声学腔体之间的声学开口进入，并与第一声学腔体形成共振腔；声波从主通风道与第二声学腔体之间的穿孔板进入，并与第二声学腔体内的高孔隙吸能介质形成吸声腔。
[0013]作为本专利技术的优选方案，所述第一声学腔体内设置有N个第一隔板，N个第一隔板将第一声学腔体分隔成N+1个第一声学小腔，各第一声学小腔与主通风道之间均开设有声学开口，N+1个第一声学小腔分别通过对应的声学开口与主通风道连通，N为零或正整数。
[0014]作为本专利技术的优选方案，所述第二声学腔体内设置M个第二隔板，M个第二隔板将第二声学腔体分隔成M+1个第二声学小腔，各第二声学小腔与主通风道之间的侧壁均为穿孔板，穿孔板上开设有微穿孔，M+1个第二声学小腔分别通过对应的微穿孔与主通风道连通，M为零或正整数。
[0015]作为本专利技术的优选方案，每个第一声学小腔中均设置若干个第三隔板，若干第三隔板通过交替间隔设置将各第一声学小腔分隔成卷曲迷宫腔。
[0016]作为本专利技术的优选方案，每个第二声学小腔中设置若干个第四隔板，若干第四隔板通过交替间隔设置将各第二声学小腔分隔成卷曲迷宫腔。
[0017]作为本专利技术的优选方案，所述第一隔板、第二隔板、第三隔板、第四隔板可以是金属材料也可以是非金属材料，典型的有钢、铁、碳纤维复合材料、有机玻璃、亚克力、PVC、芳纶蜂窝纸等。
[0018]作为本专利技术的优选方案，50％以上的第二声学腔体空间内填充有高孔隙吸能介质。即所述第二声学腔体中，可以整个第二声学腔体中全部填充高孔隙吸能介质，也可以部分空间填充高孔隙吸能介质。
[0019]作为本专利技术的优选方案，所述第一声学元胞和第二声学元胞在沿主通风道轴向方向的长度可以相同或不同，主通风道的截面形状不限，优选为正多边形或圆形，其中正多边形如正方形、正六边形等。
[0020]作为本专利技术的优选方案，所述第二声学腔体与主通风道之间设有穿孔板，通过穿孔板上的微穿孔联通第二声学腔体与主通风道，其中穿孔板上的微穿孔的数目和排列方式不限，可以呈阵列排布。穿孔板具有一定厚度，穿孔板上的微穿孔的形状不限，可以是圆形、
矩形、多边形等，但不仅限于这几种形状。
[0021]另一方面，本专利技术提供一种超材料通风降噪消声器，包括入口管、出口管和n个同轴且紧密串接在一起的上述任一种声学超材料元胞，第i个声学超材料元胞的第二声学腔体与第i+1个声学超材料元胞的第一声学腔体紧密连接，i＝1,2...，n，n为大于等于2的正整数，n个声学超材料元胞的主通风道彼此联通；
[0022]第1个声学超材料元胞的第一声学腔体的主通风道与入口管连接且贯通，第n个声学超材料元胞的第二声学腔体的主通风道与出口管连接且贯通。
[0023]进一步地，在上述超材料通风降噪消声器中，n个声学超材料元胞沿主通风道轴向方向的长度相同；
[0024]或者，沿主通风道轴向方向依次排布的第1个声学超材料元胞至第n个声学超材料元胞其沿主通风道轴向方向的长度呈递增、呈递减或者无规律随机变化。
[0025]进一步地，在上述超材料通风降噪消声器中，n个声学超材料元胞中第一声学腔体的声学开口角度大小相同；...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.声学超材料元胞，其特征在于，包括:第一声学元胞，其为环形腔体结构，包括第一声学腔体和声学开口，第一声学腔体为第一声学元胞其内部的环形空腔；第二声学元胞，其为与第一声学元胞同轴设置且紧密相连的另一环形腔体结构，包括第二声学腔体、高孔隙吸能介质和穿孔板，第二声学腔体为第二声学元胞其内部的环形空腔，第二声学腔体内填充有高孔隙吸能介质；主通风道，其为第一声学元胞和第二声学元胞的中心通道，与第一声学元胞和第二声学元胞同轴设置，所述主通风道通过声学开口与第一声学腔体连通，所述主通风道通过穿孔板上的微穿孔与第二声学腔体连通。2.根据权利要求1所述的声学超材料元胞，其特征在于，声波从主通风道与第一声学腔体之间的声学开口进入，并与第一声学腔体形成共振腔；声波从主通风道与第二声学腔体之间的穿孔板进入，并与第二声学腔体内的高孔隙吸能介质形成吸声腔。3.根据权利要求2所述的声学超材料元胞，其特征在于，所述第一声学元胞、第二声学元胞的谐振频率根据控制目标确定，通过协同设计第一声学腔体和第二声学腔体的大小，声学开口角度大小，穿孔板的穿孔率及大小，高孔隙吸能介质的参数，能够增强第一声学元胞、第二声学元胞谐振峰之间的协调耦合，拓宽声学超材料元胞的低频宽带消声性能。4.根据权利要求1、2或3所述的声学超材料元胞，其特征在于，所述第一声学腔体内设置有N个第一隔板，N个第一隔板将第一声学腔体分隔成N+1个第一声学小腔，各第一声学小腔与主通风道之间均开设有声学开口，N+1个第一声学小腔分别通过对应的声学开口与主通风道连通，N为零或正整数。5.根据权利要求4所述的声学超材料元胞，其特征在于，所述第二声学腔体内设置M个第二隔板，M个第二隔板将第二声学腔体分隔成M+1个第二声学小腔，各第二声学小腔与主通风道之间的侧壁均为穿孔板，穿孔板上开设有微穿孔，M+1个第二声学小腔分别通过对应的微穿孔与主通风道连通，M为零或正整数。6.根据权利要求4所述的声学超材料元胞，其特征在于，每个第一声学小腔中均设置若干个第三隔板，若干第三隔板通过交替间隔设置将各第一声学小腔分隔成卷曲迷宫腔。7.根据权利要求5所述的声学超材料元胞，其特征在于，每个第二声学小腔中设置若干个第四隔板，若干第四隔板通过交替间隔设置将各第二声学小腔分隔成卷曲迷宫腔。8.根据权利要求1、2、3、5、6或7所述的声学超材料元胞，其特征在于，50％以上的第二声学腔体空间内填充有高孔隙吸能介质。9.根据权利要求8所述的声学超材料元胞，其特征在于，所述第一声学元胞和第二声学元胞在沿主通风道轴向方向的长度相同或不同，主通风道的截面形状为正多边形或圆形。10.超材料通风降噪消声器，其特征在于，包括入口管、出口管和n个同轴且紧密串接在一起的如权利要求1所述的声学超材料元胞，第i个声学超材料元胞的第二声学腔...
【专利技术属性】
技术研发人员：郁殿龙，张振方，肖勇，胡洋华，温激鸿，胡兵，白宇，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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