低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面及其设计方法技术

本发明专利技术属于振动与噪声控制技术领域，具体涉及低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面及其设计方法。低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面，由多个吸声元胞并联构成的基本单元经周期性阵列形成，吸声元胞包括空腔、与空腔连接的莲蓬头颈部；莲蓬头颈部由多层圆柱孔和薄腔构成，每层孔的数目及其等效截面积自下而上逐渐递增；不同层的孔与孔之间通过薄腔连接，最下层孔连接空腔上端开口，薄腔与空腔截面参数相同。本发明专利技术将传统赫姆霍兹减振器的单一颈改进为莲蓬头多层孔结构，通过增大上层孔的数目和直径实现更大宽带控制，同时减小下层孔的数目和直径，或增大其长度实现更低频控制。并通过基本单元周期性阵列形成低频宽带气动降噪超表面结构。动降噪超表面结构。动降噪超表面结构。

【技术实现步骤摘要】
低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面及其设计方法


[0001]本专利技术属于振动与噪声控制
，具体涉及低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面及其设计方法。

技术介绍

[0002]高速运动的物体与空气相互作用，在不规则表面发生分流现象，形成复杂的涡流，产生较大的脉动压力进而产生气动噪声。湍流边界层中壁压波动引起的气动声学问题在车辆动力学、飞机机舱噪声及流激振动等许多工程应用中具有重要意义。控制运动物体周围的流场和物体表面的脉动压力是研究气动噪声的基础。低频和宽带控制是振动与噪声控制中的重要课题，赫姆霍兹减振器作为吸声降噪结构的典型代表，研究者们展开了对其声学特性的广泛研究，包括其优良的低频控制能力，以及通过多个失谐单元或者与微穿孔板结合实现宽带控制等。然而结构的共振峰频率和带宽均与声质量成反比，赫姆霍兹减振器的低频控制和多孔结构的宽带控制始终是相矛盾的，采用多孔设计使得声质量减小，带宽变宽的同时必然引起共振峰向更高频移动，而为实现更低频控制，则只能增大结构尺寸。为消除同一结构实现宽带控制与低频控制之间的这种矛盾，设计一种可同时满足低频和宽带控制的新型超薄赫姆霍兹减振器结构显得尤为重要。
[0003]具有优异低频性能的声学超材料近年来发展迅速，与刚性壁面相反，通常设计界面处声阻抗与背景介质阻抗匹配以最大限度地吸收声能。然而，当存在平均流动、自持振荡和高速压力波动等实际应用中，入射声波会在结构界面剪切层处形成不稳定的涡流。此时，界面处的声阻抗不仅取决于壁面材料的特性，更多地受到界面平均流动特性和流动扰动参数的影响。以往研究表明，赫姆霍兹减振器的声阻抗和基本谐振频率随流量的增加而成比增大，此时结构的壁声阻抗无法再满足与介质阻抗相匹配的完美吸声条件同时也不利于低频控制。根据边界阻抗定义可知，声阻抗接近于零的边界处声压也接近于零，此时流场中的压力扰动对声压脉动的激发可从根本上得到抑制。有效控制流激气动噪声则需要抑制由于流量增加而引起的界面处阻抗值及其峰值频率的增加，从而实现速度更高时更低频声压的有效抑制。而流量增加时界面声阻抗显著增大的直接原因是界面处平均声速的减小，而峰值频率的增加则是由于流量增加削弱了结构与外流场相互作用使得声质量减小造成的，因此，如何改善结构与外流场之间的相互作用，减小流量增加对结构界面处流体流动速度以及声质量的影响是控制流激气动噪声需要解决的关键问题。大量数据表明，通过改进赫姆霍兹减振器的形状、结构形式以及结构参数均可抑制流动的不稳定性并降低压力波动。

技术实现思路

[0004]基于现有技术中低频宽带流激气动噪声的控制，以及赫姆霍兹减振器的低频与宽带控制相矛盾的问题，本专利技术提出一种超薄低频带宽莲蓬头颈赫姆霍兹型气动降噪超表面结构及其设计方法。
[0005]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪
超表面，由多个吸声元胞并联构成的基本单元经过周期性阵列形成，所述吸声元胞包括空腔、与所述空腔连接的莲蓬头颈部；所述的莲蓬头颈部由多层圆柱孔和薄腔构成，每层孔的数目及其等效截面积自下而上逐渐递增；不同层的孔与孔之间通过薄腔连接，最下层的孔连接空腔上端开口。
[0006]优选地，所述圆柱孔的层数不少于两层，每一层圆柱孔的直径不小于0.5mm，且不大于空腔最小边长。
[0007]优选地，所述空腔和薄腔的截面保持一致，截面的形状选自正方形、矩形、圆形或三角形。
[0008]优选地，在一个基本单元中，不同吸声元胞的同一层圆柱孔的数目可相同或者不相同。
[0009]优选地，在一个基本单元中，不同吸声元胞的最上一层圆柱孔的数目可相同或者不相同，且其等效截面积尽可能最大。
[0010]本专利技术还提供了所述低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面的设计方法，包括：
[0011](1)对气动噪声源能量分布进行仿真预测，确定噪声控制的频谱特性范围和噪声能量幅值；
[0012](2)通过理论计算并仿真分析无流动激扰时单个吸声元胞的宽带特性并与HR比较，分析影响结构带宽特性的因素，吸声元胞的结构参数包括：每一层圆柱孔的数目、孔的直径、孔的长度、空腔的长和宽、空腔和薄腔的深度，根据噪声源的分布范围和能量幅值结合结构的带宽特性和低频特性确定实现宽带控制所需的基本单元的吸声元胞数目和每个吸声元胞控制的峰值频率；
[0013](3)通过流场和声场耦合仿真分析结构参数和流量对单个吸声元胞的声学特性的影响，设计并确定吸声元胞的结构参数，使其满足流量增加时结构声阻抗及其峰值频率的增幅尽可能小，以实现速度更高时更低频气动噪声的有效控制。
[0014](4)将所需数目的吸声元胞并联耦合，构成一个气动降噪的基本单元，再将该基本单元经过周期性阵列得到多元胞耦合的低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面结构。
[0015]本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0016]1.与窄带宽特性的传统赫姆霍兹减振器相比，莲蓬头颈的多层圆柱孔结构使得声质量减小，从而带宽加宽；而与多孔结构相比，又可通过减小莲蓬头颈的下层孔的等效截面积或增大孔长度，实现更低频控制的同时减小结构的厚度，因此该结构兼具了多孔结构和赫姆霍兹减振器的优良特性，解决了同一结构上低频和宽带控制相矛盾的问题，实现了低频和宽带的同步控制；
[0017]2.在入射流作用下，由于莲蓬头颈多层圆柱孔结构使得其与外部流场的相互作用增强，莲蓬头颈内部流体流动速度增加，流量增加对结构阻抗峰增幅的影响减小。此外，莲蓬头颈内形成了多个更强的独立涡流区域，莲蓬头颈的有效长度大于其几何长度，声质量增加引起阻抗峰向更低频移动。因此，相同流速下，莲蓬头颈的多层圆柱孔结构较传统赫姆霍兹减振器有利于实现更低频气动噪声的有效抑制。
[0018]3.由数目更少、厚度更薄的莲蓬头颈赫姆霍兹减振器多元胞耦合构成的气动降噪超表面结构，可实现低频宽带气动噪声的连续有效控制。
附图说明
[0019]图1为本专利技术实例中吸声元胞的结构示意图；
[0020]图2为本专利技术实例中吸声元胞的剖面结构示意图；
[0021]图3为本专利技术实例中超表面基本单元的结构示意图；
[0022]图4为本专利技术实例中超表面基本单元的分解示意图；
[0023]图5为本专利技术实例中超表面基本单元的内部结构示意图；
[0024]图6(a)为无流动激扰时本专利技术实例中吸声元胞与HR声学特性比较；
[0025]图6(b)为不同入射流速度时本专利技术实例中吸声元胞与HR声学特性比较；
[0026]图7为本专利技术实例中所述的超表面与光滑界面的仿真和测试气动噪声级比较；
[0027]图中：1.第二层孔；2.薄腔；3.第一层孔；4.空腔；5～10分别为第1～6号元胞；11.基本单元。
具体实施方式
[0028]为了便于理解本专利技术，下面结合附图和具体实施例，对本专利技术进行更详细的说明。附图中给出了本专利技术的较佳的实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面，由多个吸声元胞并联构成的基本单元经过周期性阵列形成，其特征在于：所述吸声元胞包括空腔、与所述空腔连接的莲蓬头颈部；所述的莲蓬头颈部由多层圆柱孔构成，每层孔的数目及其等效截面积自下而上逐渐递增；不同层的孔与孔之间通过薄腔连接，最下层的孔连接空腔上端开口。2.根据权利要求1所述的低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面，其特征在于：所述圆柱孔的层数不少于两层，每一层圆柱孔的直径不小于0.5 mm，且不大于空腔的最小边长。3.根据权利要求1所述的低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面，其特征在于：所述空腔和薄腔的截面保持一致，截面的形状选自正方形、矩形、圆形或三角形。4.根据权利要求1所述的低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面，其特征在于：在一个基本单元中，不同吸声元胞的同一层圆柱孔的数目可相同或者不相同。5.根据权利要求4所述的低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面，其特征在于：在一个基本单元中，不同吸声元胞的最上一层圆柱孔的数目可相同或者不相同，且其等效截面积尽可能...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴九汇，李敏，袁小阳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：