一种组合式声学黑洞吸声体结构及设计方法

摘要

本发明涉及一种组合式声学黑洞吸声体结构及设计方法。包括十字形隔板、圆柱体空腔、底板、4组1/4环形薄板阵列，4组1/4环形薄板阵列的板数比为30:25:20:17、板厚度与间距相等，十字形隔板将圆柱体空腔分隔为4个独立且体积相等的1/4圆柱体空腔，4组1/4环形薄板阵列分别位于4个1/4圆柱体空腔内，底板位于内径最小的1/4环形薄板无环形隔板的一端并将该端密封。本发明通过构建单个1/4声学黑洞吸声体的传递矩阵模型，计算组合式声学黑洞吸声体的吸声系数，通过对单个1/4声学黑洞吸声体的结构长度和1/4环形薄板数目进行优化，从而实现结构对中高频噪声的稳定吸收。本发明结构简单，成本较低，并且能够实现稳定的宽频吸声。

说明书

技术领域

本发明属于利用不同尺寸声学黑洞吸声体优化组合设计的一种宽频吸声结构，具体涉及一种组合式声学黑洞吸声体结构及设计方法。

背景技术

随着人们对噪声污染的重视，宽频降噪成为了噪声控制的重点问题之一，目前，噪声控制可以分为主动控制和被动控制，主动控制具有吸声频带窄的缺点，被动控制若要实现宽频降噪，则需要较大的结构体积与质量。而近年来提出的声学黑洞吸声体结构具有良好的宽频吸声的特点，通过调整声学黑洞吸声体的尺寸参数可以改变声学黑洞吸声体结构的吸声范围，但声学黑洞吸声体在中频范围内其吸声系数随频率的改变会有较大的波动，为改善其吸声效果众多学者对其进行了广泛的研究，如在申请号为202110976044.8的发明专利申请中提出了在声学黑洞吸声体结构内部布置微穿孔板，实现了高效低频超宽带吸声。此外将微孔板嵌入多个谐振腔的改进声学黑洞吸声体结构也能够实现中高频稳定吸声([1]Liang X,Liang H,Chu J,et al.Amodified sonic black hole structure forimproving and broadening sound absorption,Applied Acoustics,2023,210:109440.)。

注意到目前为改善声学黑洞吸声体的吸声效果主要有两种方法，一种是优化声学黑洞吸声体的结构，一种是将吸声材料或吸声结构与声学黑洞吸声体进行结合。但两种方式都容易增大结构的体积与质量。本发明对具有不同吸声频带的声学黑洞吸声体进行组合，提供了一种结构简单，在中高频吸声效果稳定的组合式声学黑洞吸声体结构，用于噪声的宽频控制。

发明内容

本发明针对不同结构尺寸的声学黑洞吸声体具有不同的吸声频带提出一种组合式声学黑洞吸声体结构。该结构不仅结构简单，还在中高频具有稳定的宽频吸声效果。

本发明通过如下技术方案实现。

一种组合式声学黑洞吸声体结构，包括十字形隔板、圆柱体空腔、底板、4组1/4环形薄板阵列，4组1/4环形薄板阵列的板数比为30:25:20:17、板厚度与间距相等，所述十字形隔板将圆柱体空腔分隔为4个独立且体积相等的1/4圆柱体空腔，4组1/4环形薄板阵列分别位于4个1/4圆柱体空腔内，所述底板位于内径最小的1/4环形薄板无环形薄板的一端并将该端密封。通过构建单个1/4声学黑洞吸声体的传递矩阵模型，计算组合式声学黑洞吸声体的吸声系数，通过对单个1/4声学黑洞吸声体的结构长度和1/4环形薄板数目进行优化，从而实现结构对中高频噪声的稳定吸收。

进一步，所述十字形隔板厚度不大于2mm，所述十字形隔板的中心线与圆柱形空腔的中心线重合，所述十字形隔板固定在圆柱体空腔内部，将圆柱形空腔密封隔开为4组独立的1/4圆柱形空腔，所述十字形隔板的长度不小于圆柱体空腔的长度。

进一步，所述圆柱体空腔的长度不小于1/4环形薄板阵列的长度。

进一步，所述底板包括4个相同大小的外径与圆柱形空腔内径相同的1/4圆板，厚度与环形薄板厚度相同，所述底板位于内径最小的1/4环形薄板无环形薄板的一端，固定在十字形隔板和圆柱形空腔内并密封该端，所述底板与内径最小的1/4环形薄板的距离和两相邻环形薄板的间距相等。

进一步，所述1/4环形薄板阵列包括若干个内径变化呈一次函数变化的1/4环形薄板，所述一次函数为

进一步，所述十字形隔板、圆柱体空腔、底板与4组1/4环形薄板阵列通过使用强力胶水、焊接进行固定，或通过3D打印一体成型。

一种组合式声学黑洞吸声体结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，由传递函数法得到在声波垂直入射时，单个1/4声学黑洞吸声体的吸声系数：

有效声阻抗Z满足

传递矩阵T满足

空腔导纳Y

Y

在以上各式中，Z

Z

ρ

d

通过对4组1/4声学黑洞吸声体进行并联耦合设计，组合后其吸声系数为

式中，有效声阻抗Z

式中，Z

第二步，基于上述阻抗值随1/4声学黑洞吸声体结构长度的变化，通过并联耦合设计，对1/4声学黑洞吸声体结构长度进行设计，优化组合式声学黑洞吸声体结构的吸声系数。

与现有吸声结构相比，本发明的优点是：本发明结构简单，不仅在中高频具有宽频吸声效果，而且在中高频吸声系数大于0.6，不同频率下的吸声系数无大幅度变化，吸声效果稳定。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明的十字形隔板；

图3为本发明的圆柱体空腔；

图4为本发明的底板；

图5为本发明的薄板数目为30个的1/4环形薄板阵列；

图6为本发明的薄板数目为25个的1/4环形薄板阵列；

图7为本发明的薄板数目为20个的1/4环形薄板阵列；

图8为本发明的薄板数目为17个的1/4环形薄板阵列；

图9为本发明的组合式声学黑洞吸声体结构的实施例的吸声系数与理论计算的吸声系数随入射噪声频率的变化曲线；

图中：1、薄板，2、圆柱体空腔，3、底板，4、1/4环形薄板阵列。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1至图8所示，一种组合式声学黑洞吸声体结构，包括十字形隔板1、圆柱体空腔2、底板3、4组1/4环形薄板阵列4，4组1/4环形薄板阵列的板数比为30:25:20:17、板厚度与间距相等，所述十字形隔板1将圆柱体空腔2分隔为4个独立且体积相等的1/4圆柱体空腔，4组1/4环形薄板阵列分别位于4个1/4圆柱体空腔内，所述底板3位于内径最小的1/4环形薄板无环形隔板的一端并将该端密封。通过构建单个1/4声学黑洞吸声体的传递矩阵模型，计算组合式声学黑洞吸声体的吸声系数，通过对单个1/4声学黑洞吸声体的结构长度和1/4环形薄板4数目进行优化，从而实现结构对中高频噪声的稳定吸收。

进一步，所述十字形隔板1厚度不大于2mm，所述十字形隔板1的中心线与圆柱形空腔2的中心线重合，所述十字形隔板1固定在圆柱体空腔2内部，将圆柱形空腔2密封隔开为4组独立的1/4圆柱形空腔，所述十字形隔板1的长度不小于圆柱体空腔2的长度。

进一步，所述圆柱体空腔2的长度不小于1/4环形薄板阵列的长度。

进一步，所述底板3包括4个相同大小的外径与圆柱形空腔内径相同的1/4圆板，厚度与环形薄板厚度相同，所述底板位于内径最小的1/4环形薄板4无环形薄板的一端，固定在十字形隔板1和圆柱形空腔2内并密封该端，所述底板3与内径最小的1/4环形薄板4的距离和两相邻环形薄板的间距相等。

进一步，所述1/4环形薄板阵列包括若干个内径变化呈一次函数变化的1/4环形薄板4，所述一次函数为

进一步，所述十字形隔板1、圆柱体空腔2、底板3与4组1/4环形薄板阵列通过使用强力胶水、焊接进行固定，或通过3D打印一体成型。

一种组合式声学黑洞吸声体结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，由传递函数法得到在声波垂直入射时，单个1/4声学黑洞吸声体的吸声系数：

有效声阻抗Z满足

传递矩阵T满足

空腔导纳Y

在以上各式中，Z

Z

ρ

d

通过对4组1/4声学黑洞吸声体进行并联耦合设计，组合后其吸声系数为

式中，有效声阻抗Z

式中，Z

第二步，基于上述阻抗值随1/4声学黑洞吸声体结构长度的变化，通过并联耦合设计，对1/4声学黑洞吸声体结构长度进行设计，优化组合式声学黑洞吸声体结构的吸声系数。

本实施例中，通过3D打印得到十字形隔板厚度为2mm，总长度为91mm，圆柱体空腔外径为49.5mm，内径为47.5mm，总长度为91mm，底板厚度为1mm，半径为47.5mm，4组环形薄板数目分别为30个、25个、20个和17个，厚度为1mm，外径为47.5mm，相邻板间距为3mm，1/4环形薄板阵列中最大薄板内径为47.5mm，最小内径为4.5mm的组合式声学黑洞吸声体的实验模型。通过阻抗管法对其进行吸声系数的测量，同时通过传递函数法对所设计的组合式声学黑洞吸声体的吸声系数进行计算，实验测量结果与计算结果如图9所示。从对比结果可以发现，实验测量结果与理论计算结果吻合度较高，且频率大于500Hz时，其吸声系数恒大于0.6，中高频时，不同频率下的吸声系数无大幅度变化，吸声效果稳定。这表明本发明所述的组合式声学黑洞吸声体结构具有很好的中高频吸声性能。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。