低频超宽带声学黑洞声学材料结构的制作方法

1.本发明涉及低频宽带噪声控制的声学材料技术，更具体地说，涉及一种低频超宽带声学黑洞声学材料结构。


背景技术：

2.当前的减振降噪技术存在诸多局限，其中对于500hz以下且带宽超过500hz的低频宽带噪声的控制一直都是噪声控制领域中的难点问题。噪声控制可分为主动和被动噪声控制。对于主动控制方法虽可有效的用于低频噪声控制，但是主动控制系统复杂、稳定性差、成本高、较难应用于实际噪声控制且吸声频带较窄。对于通常采用的被动控制方法，多数吸声材料宽频降噪特性优异，但在用于低频噪声的控制时都会面临体积过大，在空间局限的情况下难以应用的问题。在降低低频噪声的同时保持紧凑的结构通常是相互矛盾难以同时实现。因而研究和发展结构较为紧凑的可用于低频宽带噪声控制的亚波长吸声结构一直是噪声控制领域的研究热点和难点。
3.对于亚波长吸声结构的设计国内外有诸多学者通过使用空间弯曲折叠的迷宫结构间接增加声波传播的距离来减小结构的尺寸。还有很多学者通过利用声波传播速度降低的原理从而间接减小吸声结构的厚度来实现亚波长吸声结构的设计。但是大部分研究都是与赫尔姆兹消音器或者四分之一波长管相结合，存在消声频带较窄的问题。
4.声学黑洞是将天文物理学中的黑洞现象引入到波动、声学振动领域的研究中而提出的新的概念。声学黑洞是一种完美的吸波器，是通过结构的改变而实现类似天文物理学中的黑洞现象。当入射波进入声学黑洞结构中以后，波的传播速度会随着传播距离的增大而逐渐较小相应的波长也会逐渐变短。理论上讲，在波传播到黑洞结构末端之前波速降低为零，因此入射波无法传播到结构末端进而没有波能够从声学黑洞结构中反射出去，入射波被该结构完全吸收。声学黑洞完美的声波吸收能力以及波速降低功能可为亚波长低频宽带吸声结构的设计提供新的解决方案。然而当前国内外还未有将声学黑洞原理应用到亚波长低频宽带吸声结构的设计中。
5.对于当前声波吸收声学黑洞的实际实现形式来说，黑洞结构内部圆环个数的变化会改变声波传播的边界条件，进而影响其声波的操控能力。确切的说，管道中圆环个数的减少会大大削弱其声波吸收能力。声波吸收声学黑洞实际实现起来能够加工的圆环个数非常有限，理论上可实现的无声波反射的理想声学黑洞效应，实际声波吸收声学黑洞结构无法实现，实际声学黑洞结构的声波吸收能力与理想声学黑洞结构相比要减弱很多。实际结构需要添加其它元素,比如吸声材料,补强其声波吸收能力之后才能降低声波的反射才能有效的用于实际的减振降噪中。
6.微穿孔板作为下一代能够广泛应用的新型吸声材料，宽频吸声特性优异且具有耐高温、抗腐蚀、不容易损坏等诸多优点。然而微穿孔板在用于低频噪声控制时也会面临体积过大的问题。然而目前还未有研究尝试将微穿孔板与声波吸收声学黑洞结合起来研究低频宽带噪声的控制。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题在于，提供一种结构紧凑、简单，实施方便，噪声控制效率高的低频超宽带声学黑洞声学材料结构。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种低频超宽带声学黑洞声学材料结构，包括声学黑洞结构和微穿孔板，所述微穿孔板设置在所述声学黑洞结构的内部，所述声学黑洞结构包括一端密闭另一端打开的圆柱形腔体，所述圆柱形腔体内部平行设置有多个圆环；
9.所述圆环的外径与所述圆柱形腔体的内径相同，所述圆环的内径在轴向方向上按照以下公式逐渐变化：
[0010][0011]
其中，x表示任意一个圆环距离圆柱形腔体封闭端面的距离，r表示圆柱形腔体的内径，l表示圆柱形腔体的高，r表示圆环的内径；
[0012]
多个圆环套设于所述微穿孔板外侧，所述圆环的内壁紧贴微穿孔板的外壁。
[0013]
上述方案中，所述圆环分别等间距的固定设置在所述圆柱形腔体的内壁。
[0014]
上述方案中，所述圆环厚度相同。
[0015]
上述方案中，所述微穿孔板的穿孔率通常为1％
‑
5％。
[0016]
上述方案中，所述微穿孔板经过卷制后设置在所述声学黑洞结构内。
[0017]
实施本发明的低频超宽带声学黑洞声学材料结构，具有以下有益效果：
[0018]
1、本发明从165hz开始即可实现吸声系数大于0.5的声波吸收能力，证明发明的试件对低频声波可进行有效控制，满足低频吸声的要求。
[0019]
2、本发明从230hz开始即可实现吸声系数接近于1的全吸收，并在之后很广的频率范围内(230
‑
1600hz)一直维持较高的吸声系数，大部分频率范围内吸声系数都接近于1，证明发明的试件有优异的宽频吸声特性。
[0020]
3、本发明可以近似看成由多个不同背腔深度的微穿孔板吸声装置在轴向方向并列而成。这些微穿孔板吸声装置背腔深度在轴向方向上连续变化，造成其吸声系数的峰值频率各不相同。这些微穿孔板吸声装置吸声特性最终通过叠加效应形成本发明的超宽吸声带隙。本发明同时通过利用声学黑洞波速降低的功能减小了结构尺寸，可实现在吸声系数大于0.5的带隙范围内吸收波长比其结构尺寸最少大10倍的低频声波。
[0021]
4、本发明低频超宽带声学黑洞声学材料结构具有优异的低频超宽带吸声性，结构紧凑、简单，实施方便，噪声控制效率高，在低频宽带噪声控制中具有广泛的应用前景。
附图说明
[0022]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0023]
图1是本发明低频超宽带声学黑洞声学材料结构的结构示意图；
[0024]
图2是本发明的声波吸收声学黑洞结构的结构示意图；
[0025]
图3是本发明微穿孔板的结构示意图；
[0026]
图4是本发明低频超宽带声学黑洞声学材料结构的吸声系数随入射声波频率的变化曲线。
具体实施方式
[0027]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0028]
如图1
‑
4所示，本发明低频超宽带声学黑洞声学材料结构包括声学黑洞结构和微穿孔板3，微穿孔板3设置在声学黑洞结构的内部，声学黑洞结构包括一端密闭另一端打开的圆柱形腔体1，圆柱形腔体1内部设置有多个圆环2；每个圆环的厚度相同。圆环2的外径与圆柱形腔体1的内径相同，圆环2分别等间距的固定设置在圆柱形腔体1的内壁。微穿孔板3为喇叭形，多个圆环2套设于微穿孔板3外侧，圆环2的内壁紧贴微穿孔板3的外壁。
[0029]
圆环2的内径在轴向方向按照逐渐增加，其满足以下公式：
[0030][0031]
其中，x表示任意一个圆环距离圆柱形腔体左端面的距离，r表示圆柱形腔体1的内径，l表示圆柱形腔体1的高，r表示圆环2的内径。
[0032]
微穿孔板3从左端的第一个圆环一直铺设到右端最后一个圆环。微穿孔板3先经过卷制后再粘接在声学黑洞结构内。
[0033]
本实施例中，所有的圆环厚度相等、外径相等。低频超宽带声学黑洞声学材料结构的声学特性与材料无关，该结构能够根据需要采用合适的材料制成，如金属、塑料或木制板材等。
[0034]
本实施例中声学黑洞结构使用abs塑料通过3d打印的方式一体加工而成。圆柱形腔体1的长度l为180mm，内径2r为95mm，壁面厚度为2mm。圆环2的数量为8个，圆环的厚度为2mm。第一个圆环距离圆柱形腔体1左端面的距离为5mm，剩余7个圆环2等间距设置在圆柱形腔体1的内表面，圆环2之间的距离为19mm。8个圆环的内径在轴向方向按照指数函数形式逐渐变化。微穿孔板3由铝板制成微孔的直径和板厚都为0.2mm，穿孔率为1％。微穿孔板3和声学黑洞之间经粘接形成整体结构。
[0035]
图4所示为利用有限元法模拟阻抗管吸声系数测量所得出的声波垂直入射时，声学材料结构的吸声系数曲线与采用b&k标准驻波管测试声波垂直入射时试件吸声系数曲线的对比结果。从仿真和试验结果都可以得出入射声波频率从165hz开始，结构的吸声系数均大于0.5，能够证明本发明的试件对低频声波可进行有效控制，满足低频吸声的要求。入射声波频率在230hz开始，声学材料结构即可实现吸声系数接近于1的全吸收，并在之后很广的频率范围内一直维持较高的吸声系数，大部分频率范围内吸声系数都接近于1，证明本发明的试件有优异的宽频吸声特性。本发明声学材料结构可以形成超宽吸声带隙，通过利用声学黑洞波速降低的功能减小了结构尺寸，在本发明中可实现在吸声系数大于0.5的带隙范围内吸收波长比其结构尺寸大10倍的低频声波。
[0036]
总之，在结构厚度仅为180mm的情况下，低频超宽带声学黑洞声学材料结构具有优异的低频超宽带吸声性。其结构紧凑、简单，实施方便，噪声控制效率高，在低频宽带噪声控制中具有广泛的应用前景。
[0037]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员
在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。