一种基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构及设计方法技术

本发明专利技术涉及吸声材料和结构设计领域，具体涉及一种基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构及设计方法，声学超结构包括吸声结构体和覆盖其上的顶板：顶板上开有多个贯穿孔，顶板上表面覆盖有第一多孔吸声材料层；吸声结构体包括至少2个回形谐振腔和底部；所有回形谐振腔以等效长度梯度的方式分布在底部上，所有的回形谐振腔上端位于同一水平面；顶板上的贯穿孔与回形谐振腔相连通；底部的下表面水平；吸声结构体内填充有多个第二多孔吸声材料层。本发明专利技术通过耦合不同峰值频率的单元结构并结合中高频宽带吸声的多孔材料，实现了覆盖低频和中高频的全频带高效吸声。中高频的全频带高效吸声。中高频的全频带高效吸声。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构及设计方法


[0001]本专利技术属于吸声材料和结构设计领域，具体涉及一种基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构及设计方法。

技术介绍

[0002]存在于日常生活和工作环境中的噪声严重影响人的身心健康和设备的可靠运行，其中，工业噪声往往伴随有大量的宽频噪声产生。多孔吸声材料(如玻璃棉、岩棉、泡沫塑料、毛毡等)因为具有大量的内外连通的微小孔隙和孔洞，从而具有良好的吸声性能，当声波入射到多孔材料上，声波能顺着孔隙进入材料内部，引起空隙中空气分子的振动，由于空气的粘滞阻力、空气分子与孔隙壁的摩擦，将声能转化为摩擦热能而消耗掉了，因而具有吸声效果。然而，多孔吸声材料的中高频吸声性能显著而低频耗散较弱，无法满足宽频吸声降噪的要求，限制了其在工业噪声控制领域的实际应用。
[0003]近几年，具有亚波长特性的声学超结构迅速发展起来，声学超结构能够以小尺寸的结构控制大波长低频率的弹性波，打破质量密度定律，实现低频声波控制功能。因此，具有超常物理特性的声学超结构为设计更紧凑的低频吸声结构提供了新的可能，可以通过人工设计实现有效低频吸声。但是，由于声学超结构的共振特性，其吸声频带较窄，仅能针对特定频率进行吸声，无法达到宽频吸声效果。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构及设计方法，以解决现有的声学超结构普遍存在的仅能针对特定频率吸声，吸声频率较窄的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一方面，本专利技术提供一种基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构，包括吸声结构体和覆盖其上的顶板，其中：
[0007]顶板上开有多个贯穿孔，顶板上表面覆盖有第一多孔吸声材料层；
[0008]吸声结构体包括至少2个回形谐振腔和底部；所有回形谐振腔以等效长度梯度的方式分布在底部上，所有的回形谐振腔上端位于同一水平面；顶板上的贯穿孔与回形谐振腔相连通；底部的下表面水平；吸声结构体内填充有多个第二多孔吸声材料层。
[0009]进一步的，所述回形谐振腔的个数为2
‑
23。
[0010]进一步的，所述吸声结构体中所有回形谐振腔的高度相同，或者它们的高度呈倒V形梯度分布，或者呈随机分布。
[0011]进一步的，相邻的回形谐振腔的间距大于等于0.5mm。
[0012]进一步的，在吸声结构体中至少一个回形谐振腔的侧壁上开设通孔。
[0013]进一步的，吸声结构体中布置有至少两个隔板。
[0014]进一步的，在所述通孔所在的回形谐振腔与其外围的回形谐振腔之间开有两个垂
直于回形谐振腔侧壁的隔板，两个隔板固定于该通孔所在回形谐振腔的侧壁两侧，或者固定于不同的两个侧壁处。
[0015]进一步的，所述吸声结构体内所有第二多孔吸声材料层的上端高度呈倒V形梯度分布。
[0016]进一步的，所述顶板上开有193个贯穿孔；吸声结构体中有15个回形谐振腔，在吸声结构体中从里到外的第8个和第10个回形谐振腔4的侧壁上分别开设有矩形通孔，每个通孔所在的回形谐振腔与其外围的回形谐振腔之间开有两个垂直于回形谐振腔侧壁的隔板。
[0017]另一方面，本专利技术提供一种上述本专利技术的基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构的设计方法，包括以下步骤：
[0018]步骤1，根据低频目标吸声段初步确定梯度耦合声学超结构的结构参数，包括顶板的厚度、贯穿孔的孔径、间距、回形谐振腔的等效长度、高度和数量；
[0019]步骤2，根据中高频目标吸声段初步确定第一多孔吸声材料层和第二多孔吸声材料层的类型和厚度；
[0020]步骤3，根据第一多孔吸声材料层和第二多孔吸声材料层和梯度耦合声学超结构的结构参数建立有限元模型进行吸声模拟，得到吸声曲线；
[0021]步骤4，依据吸声曲线修正每个回形谐振腔中第二多孔吸声材料的厚度和第一多孔吸声材料层的厚度以及梯度耦合声学超结构的结构参数，包括顶板的厚度、贯穿孔的孔径、间距、回形谐振腔的等效长度、高度和数量，得到最终的基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构。
[0022]和现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0023]本专利技术通过耦合不同峰值频率的单元结构并结合中高频宽带吸声的多孔材料，实现了覆盖低频和中高频的全频带高效吸声。本专利技术中低频段的吸声要求主要由梯度耦合声学超结构来满足，中高频段的吸声要求则由梯度耦合声学超结构和多孔吸声材料共同实现。本专利技术吸声性能与结构参数有关，能够根据具体的吸声要求确定梯度耦合声学超结构和多孔吸声材料的几何尺寸，设计准确可靠，能够达到宽频高效吸声效果。本专利技术的设计方法弥补了现有声学超结构的不足，在很多工程领域具有重要的实际应用价值。
附图说明
[0024]图1为本专利技术实施例提供的梯度耦合声学超结构的结构示意图；
[0025]图2为本专利技术实施例提供的基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构的截面示意图；
[0026]图3为本专利技术实施例提供的梯度耦合声学超结构的流体域示意图；
[0027]图4为本专利技术实施例提供的基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构的流体域截面示意图；
[0028]图5为本专利技术实施例的吸声曲线图；
[0029]图中，1
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顶板；2
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贯穿孔；3
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吸声结构体；4
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回形谐振腔；5
‑
第一多孔吸声材料层；6
‑
壁面孔；7
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隔板；8
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第二多孔吸声材料层；9
‑
底部。
具体实施方式
[0030]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细的说明。显然，所描述的实施案例仅仅是本专利技术的一部分实施案例，而非全部实施案例。基于本专利技术中的实施案例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本专利技术保护的范围。
[0031]如图1
‑
图4所示，本专利技术基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构，包括吸声结构体3和覆盖其上的顶板1，其中：
[0032]顶板1上开有多个贯穿孔2，贯穿孔2的数量根据实际的吸声要求确定，随着数量的增多，共振频率向高频移动，可根据实际的吸声要求(如吸声频率范围和吸声效果)确定贯穿孔2在顶板上的位置。顶板1上表面覆盖有第一多孔吸声材料层5。
[0033]吸声结构体3包括至少两个回形谐振腔4和底部9，回形谐振腔4的个数越多，吸声峰值越多，但其吸声性能会下降，考虑到后续加工制作、实验测试和工程应用需要，回形谐振腔4个数为2
‑
23。所有回形谐振腔4以等效长度梯度的方式分布在底部9上(等效长度指的是在回形谐振腔4的横截面上声波传播路径的长度)，所有的回形谐振腔4上端位于同一水平面。顶板1上的贯穿孔2与回形谐振腔4相连通，声波能够通过顶板1上的贯穿孔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构，其特征在于，包括吸声结构体3和覆盖其上的顶板(1)，其中：顶板(1)上开有多个贯穿孔(2)，顶板(1)上表面覆盖有第一多孔吸声材料层(5)；吸声结构体(3)包括至少2个回形谐振腔(4)和底部(9)；所有回形谐振腔(4)以等效长度梯度的方式分布在底部(9)上，所有的回形谐振腔(4)上端位于同一水平面；顶板(1)上的贯穿孔(2)与回形谐振腔(4)相连通；所述底部(9)的下表面水平；吸声结构体(3)内填充有多个第二多孔吸声材料层(8)。2.如权利要求1所述的基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构，其特征在于，所述回形谐振腔(4)的个数为2
‑
23。3.如权利要求1所述的基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构，其特征在于，所述吸声结构体(3)中所有回形谐振腔(4)的高度相同，或者它们的高度呈倒V形梯度分布，或者呈随机分布。4.如权利要求1所述的基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构，其特征在于，相邻的回形谐振腔(4)的间距大于等于0.5mm。5.如权利要求1所述的基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构，其特征在于，在吸声结构体(3)中至少一个回形谐振腔(4)的侧壁上开设通孔(6)。6.如权利要求1所述的基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构，其特征在于，吸声结构体(3)中布置有至少两个隔板(7)。7.如权利要求5所述的基于多孔吸声材料的梯度耦合声学超结构，其特征在于，在所述通孔(6)所在的回形谐振腔(4)与其外围的回形谐振腔(4)之间开有两个垂直于回形谐振腔(4)侧壁的隔板(7)，两个隔板(7)固定于该通孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴华根，粱梦桃，付泽明，郭振东，刘文健，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：