一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构及设计方法技术

本发明专利技术涉及噪声控制技术领域，特别是一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构，包括声子晶体板、吸声通道和微穿孔板，所述吸声通道的一侧设置声子晶体板，另一侧设置微穿孔板；所述声子晶体板由多个单胞结构呈矩形阵列排布；所述吸声通道包括空腔、封闭板体和半封闭板体，所述空腔内间隔设置有多块封闭板体，相邻两块封闭板体之间至少设置有两块半封闭板体，相邻两块半封闭板体错开设置；所述微穿孔板的板面上设置有多组微孔结构，每组微孔结构由多个呈矩形阵列排布的微孔组成；至少有一组微孔结构位于相邻两块封闭板体之间。本发明专利技术可以用于解决同时有外部结构振动或声激励、内部有混响声场激励的室内低频噪声问题。内部有混响声场激励的室内低频噪声问题。内部有混响声场激励的室内低频噪声问题。

【技术实现步骤摘要】
一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构及设计方法


[0001]本专利技术涉及噪声控制
，特别是一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构及设计方法。

技术介绍

[0002]结构的低频振动和噪声是十分扰人的问题，虽然不如高频那样尖锐响亮，但是却沉闷浑浊，极易使人心烦意乱、甚至危害健康。因此，研究低频振动和噪声的控制十分重要。然而低频呈长波特征，有很强的穿透性，导致其在传播过程中难以隔绝，且能量衰减很慢。传统的减振降噪材料在低频振动和噪声控制方面收效甚微。
[0003]生活中常见的地铁站台等建筑，高铁、飞机等交通装备，都存在低频振动和噪声问题，且都表现为同时受到来自顶部的结构振动或声激励、来自室内的混响声场激励。例如地铁站台，其顶部常有其他交通工具运行，会有明显的低频结构振动和噪声往下传递，同时站台内有列车通过以及候车人员、工作人员的说话声，会产生室内混响声场激励；再例如高铁，其顶部有空气动力学低频结构振动和气动噪声往车内传递，同时车内还有空调通风、电气设备等其他声源形成的混响声场激励。如何同时隔绝来自外部的结构振动或声激励、吸收内部的混响声场激励，是控制上述室内低频振动和噪声问题的关键。
[0004]中国专利申请号：CN202111324655.0，公开了一种基于声子晶体的复合隔声板，包括微穿孔板和外扣板，微穿孔板与外扣板之间设置有声子晶体面板，微穿孔板与外扣板均与声子晶体面板铆接；外扣板靠近声子晶体面板的一侧固接有阻尼层，阻尼层远离外扣板的一侧固接有吸声层，吸声层与声子晶体面板之间留有间隙。本专利技术将局域共振型声子晶体结构与传统的隔声结构相结合，使复合隔声板具有良好的低频线谱隔声峰值和中高频隔声特性。但是，该专利技术主要用于隔声，即控制噪声从物体的一侧到另一侧的传播量，但是对于外部结构振动以及室内混响声的控制不起作用。
[0005]中国专利申请号：CN201911292001.7，公开了一种基于声子晶体管道的复合型消声筒，该消声筒由依次交替排列的穿孔阻性消声筒和声子晶体消声筒组成，穿孔阻性消声筒设有微穿孔板和吸声材料层，声子晶体消声筒设有呈环形阵列分布在第二环形骨架上的声子晶体单胞单元。该专利技术的消声筒为插入式消声筒，将消声筒插入到船舶空调通风管道内，气流通过穿孔阻性消声筒时，微穿孔板及吸声材料层主要对中高频噪声进行降噪；通过声子晶体消声筒时，受到内部结构的作用，产生局部共振，消耗能量到达降噪的目的，主要作用频率为低频。但是，该专利技术主要用于消声，即提高噪声在传播过程中的衰减量，但是对于外部结构振动以及室内混响声的控制不起作用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构及设计方法，可以用于解决同时有外部结构振动或声激励、内部有混响声
场激励的室内低频噪声问题。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构，包括声子晶体板、吸声通道和微穿孔板，所述吸声通道的一侧设置声子晶体板，另一侧设置微穿孔板；所述声子晶体板由多个单胞结构呈矩形阵列排布；所述吸声通道包括空腔、封闭板体和半封闭板体，所述空腔内间隔设置有多块封闭板体，相邻两块封闭板体之间至少设置有两块半封闭板体，相邻两块半封闭板体错开设置；所述微穿孔板的板面上设置有多组微孔结构，每组微孔结构由多个呈矩形阵列排布的微孔组成；至少有一组微孔结构位于相邻两块封闭板体之间。
[0008]进一步的，所述单胞结构为正方体结构。
[0009]进一步的，所述单胞结构包括硅橡胶层、铅球和环氧树脂层A，所述硅橡胶层包覆于铅球的外侧，所述橡胶层和铅球所形成的整体嵌入环氧树脂层A内。
[0010]进一步的，所述单胞结构包括纺锤形质量块、聚氨酯层和环氧树脂层B，所述聚氨酯层以正方体结构包覆在纺锤形质量块的外侧，所述纺锤形质量块和聚氨酯层所形成的整体嵌入环氧树脂层B内。
[0011]进一步的，所述吸声通道采用聚甲基丙烯酸甲酯材质制成。
[0012]进一步的，所述封闭板体由多个谐振器呈直线排布组成，多个谐振器内分别设置共鸣腔，共鸣腔的深度由上至下逐步递减。
[0013]进一步的，所述半封闭板体的侧面上设置有多个谐振质量块。
[0014]所述的一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构的设计方法，包括以下步骤：
[0015]S1、基于有限元方法，采用商业软件COMSOL Multiphysics，建立声子晶体板的声振特性分析模型，根据外部结构振动和声激励的峰值频率，确定声子晶体板设计的减振降噪目标频率，将声子晶体板的材料和几何参数作为输入参数，将声子晶体板的减振降噪频率和性能作为优化目标，采用多目标优化设计方法开展优化设计，如公式(1)所示：
[0016]Minf(x
i
)
[0017][0018][0019]式中，x
i
为第i个设计变量(即材料和几何参数)，n为设计变量的总数；和为第i个设计变量取值的下限和上限；f(x
i
)为目标函数，Minf(x
i
)表示目标函数的最优解；c
j
(x
i
)为第i个设计变量的约束条件，m为设计变量约束条件的总数；和分别对应约束条件的下限和上限；
[0020]S2、基于有限元方法，采用商业软件COMSOL Multiphysics，建立微穿孔板与吸声通道的复合结构的声振特性分析模型，根据内部混响声场激励峰值频率，确定微穿孔板与吸声通道设计的降噪目标频率，将微穿孔板与吸声通道的复合结构的材料和几何参数作为输入参数，将复合结构的吸声频率和性能作为优化目标，采用多目标优化设计方法开展优化设计，同样使用公式(1)；
[0021]S3、基于有限元
‑
边界元方法，采用商业软件COMSOL Multiphysics，将声子晶体板
作为背板、吸声通道作为腔体、微穿孔板作为面板，建立完整的低频减振吸声一体化复合结构声振特性分析模型，在模型中，同时加载外部结构振动和声激励、内部混响声场激励，并在吸声通道腔体中心位置建立一个响应点，读取该响应点的噪声结果，通过对比分析上述响应点的噪声结果是否满足室内噪声控制要求，主要考虑峰值频率的降噪效果，决定是否进一步优化声子晶体板、吸声通道和微穿孔板，如需优化，则返回S1或者S2步骤进行部件二次优化。
[0022]进一步的，材料参数包括声子晶体板、吸声通道和微穿孔板的密度和模量，几何参数包括声子晶体板、吸声通道和微穿孔板的长度、宽度，声子晶体板中的铅球的半径，以及吸声通道中的谐振器的共鸣腔深度。
[0023]本专利技术具有以下优点：
[0024]1、本专利技术以声子晶体板作为背板、吸声通道作为腔体、微穿孔板作为面板，其中，声子晶体板主要起隔绝外部的低频结构振动或声激励的作用，吸声通道主要起吸收内部的混响声场激励的作用，并且和微穿孔板在低频吸声带宽和性能上的不足形成互补，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构，其特征在于：包括声子晶体板(1)、吸声通道(2)和微穿孔板(3)，所述吸声通道(2)的一侧设置声子晶体板(1)，另一侧设置微穿孔板(3)；所述声子晶体板(1)由多个单胞结构(1a)呈矩形阵列排布；所述吸声通道(2)包括空腔(2a)、封闭板体(2b)和半封闭板体(2c)，所述空腔(2a)内间隔设置有多块封闭板体(2b)，相邻两块封闭板体(2b)之间至少设置有两块半封闭板体(2c)，相邻两块半封闭板体(2c)错开设置；所述微穿孔板(3)的板面上设置有多组微孔结构(3a)，每组微孔结构(3a)由多个呈矩形阵列排布的微孔组成；至少有一组微孔结构(3a)位于相邻两块封闭板体(2b)之间。2.根据权利要求1所述的一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构，其特征在于：所述单胞结构(1a)为正方体结构。3.根据权利要求2所述的一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构，其特征在于：所述单胞结构(1a)包括硅橡胶层(1a1)、铅球(1a2)和环氧树脂层A(1a3)，所述硅橡胶层(1a1)包覆于铅球(1a2)的外侧，所述橡胶层(1a1)和铅球(1a2)所形成的整体嵌入环氧树脂层A(1a3)内。4.根据权利要求2所述的一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构，其特征在于：所述单胞结构(1a)包括纺锤形质量块(1a4)、聚氨酯层(1a5)和环氧树脂层B(1a6)，所述聚氨酯层(1a5)以正方体结构包覆在纺锤形质量块(1a4)的外侧，所述纺锤形质量块(1a4)和聚氨酯层(1a5)所形成的整体嵌入环氧树脂层B(1a6)内。5.根据权利要求1所述的一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构，其特征在于：所述吸声通道(2)采用聚甲基丙烯酸甲酯材质制成。6.根据权利要求1或5所述的一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构，其特征在于：所述封闭板体(2b)由多个谐振器(2b1)呈直线排布组成，多个谐振器(2b1)内分别设置共鸣腔，共鸣腔的深度由上至下逐步递减。7.根据权利要求1或5所述的一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构，其特征在于：所述半封闭板体(2c)的侧面上设置有多个谐振质量块(2c1)。8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种低频减振吸声一体化的声子晶体复合降噪结构的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、基于有限元方法，采用商业软件COMSOL Multiphysics，建立声子晶体板(1)的声振特性分析模型，根据外部结构振...

【专利技术属性】
技术研发人员：张捷，李韵廷，李姜，郭少云，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：