一种基于Hilbert分形曲线构造的超薄宽带吸声体

一种基于hilbert分形曲线构造的超薄宽带吸声体
技术领域
1.本发明属于消声器件技术领域，具体涉及一种基于hilbert分形曲线构造的超薄宽带吸声体，特别适用于对吸声结构厚度有一定限制、对吸声频带内吸声性能有较高要求的工况。


背景技术：

2.随着生活水平的不断提高和科学技术的持续进步，人们对噪声处理的要求越来越高，而在环境中广泛存在的中低频噪声受到格外重视。
3.传统的吸声结构如多孔材料，其吸声机理为：声波振动引起多孔材料间隙内空气运动，空气介质之间相互摩擦使相当一部分声能量转化为热能而耗散，当声波通过多孔介质时，间隙中的空气介质交替出现膨胀和压缩，进而产生温度梯度，致使一部分声能量转化为热能而衰减。为了保证多孔材料的吸声效果，其厚度需保持在声波波长的1/4以上，因此，要实现中低频吸声需要多孔材料达到一定的结构厚度，而在工程实际中有时难以提供足够的厚度空间来布置多孔材料，且有些材质的多孔材料易老化、粉化失效，还可能产生有毒气体，致使其在实际应用中受到限制。
4.传统的吸声结构如穿孔板复合结构，它是由穿孔薄板及其背部壁板组成的一种壁板共振器，其吸声机理为：穿孔板的孔及其背部壁板中的空气层形成壁板共振器，当入射声波频率和穿孔板结构的固有频率接近时，结构内空气发生剧烈振动，致使声能大量损耗，由于摩擦阻尼的存在，穿孔附近的空气往复振动进一步加剧了声能的消耗。反之，当入射声波的频率与穿孔板结构的共振频率相差较大时，结构内空气产生的振动现象较小，此时结构的吸声效果较弱，而穿孔板结构的共振频率与其壁板深度密切相关，壁板越深，其共振频率越低。
5.总的来说，现有的声学结构通常容易在中高频段达到较好吸声效果，而要实现中低频段的吸声则需要增加吸声结构厚度，吸声频段越低，要求吸声结构越厚且实现较好的吸声效果也愈加困难。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明提供一种制备容易、结构厚度小、空间利用率高、吸声频带较宽尤其在中低频段有良好吸声效果的吸声结构。
7.技术方案：本发明所述的一种基于hilbert分形曲线构造的超薄宽带吸声体，包括4至10个元胞；所述元胞依照hilbert分形曲线在平面空间内延展，组成具有连续吸声频带的超薄吸声体；所述元胞由微穿孔板、顶板、壁板和底板组成。
8.进一步地，所述微穿孔板的长度为10mm～25mm，微穿孔板的宽度为5mm～10mm。
9.进一步地，所述微穿孔板的穿孔直径为0.5mm～1.0mm,穿孔率为0.08～0.15，厚度为0.8mm～1.5mm。
10.进一步地，所述微穿孔板上的微穿孔在面板上均匀布置。
11.进一步地，所述微穿孔板为l形或矩形薄板，长度为10mm～25mm，宽度为5mm～10mm。
12.进一步地，所述顶板、壁板和底板根据元胞在平面内的延展形式对应布置，顶板的厚度为1mm～1.5mm，底板的厚度为1mm～2mm。
13.进一步地，所述微穿孔板和顶板采用玻璃纤维、环氧树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料或钛合金制成。
14.进一步地，所述壁板和底板采用芳纶纤维、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料或钛合金制成。
15.有益效果：与现有技术相比，本发明基于hilbert分形曲线提供了一种超薄型宽带吸声体，本发明吸声体在吸声频带内共振吸声峰较为强劲，吸声效果极佳，其连续吸声频带内的吸声系数可以保持在0.9以上；利用hilbert分形曲线优异的空间填充能力，在吸声结构具有强劲共振吸声峰的同时使其结构厚度保持在20mm左右，可以应用在对吸声结构厚度有一定限制的工况中；本发明吸声体制备较为容易，可在工程实际中根据需要周期性大面积布置；本发明吸声体采用的芳纶纤维、玻璃纤维、环氧树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、钛合金等材料，具有超高强度、高模量、耐高温和重量轻等优良性能,且结构中的元胞依照hilbert分形曲线在平面空间内进行布置，使得本发明吸声体具备一定承载能力同时满足轻量化的设计要求。
附图说明
16.图1为超薄宽带吸声体结构示意图；
17.图2为超薄宽带吸声体俯视图；
18.图3为元胞结构示意图；
19.图4为元胞结构分解示意图；
20.图5为矩形平面以hilbert分形曲线为轨迹扫成空气域示意图；
21.图6为空气域示意图；
22.图7为3阶hilbert分形曲线图；
23.图8为超薄宽带吸声体在700～1400hz范围内的吸声系数；
24.其中：1-微穿孔板；2-顶板；3-壁板；4-底板；5-元胞1；6-元胞2；7-元胞3；8-元胞4；9-元胞5；10-元胞6。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
26.如图1-4所示，本发明提供了一种基于hilbert分形曲线构造的超薄宽带吸声结构，吸声结构中的元胞们依照hilbert分形曲线在空间内进行布置，组成具有连续吸声频带的超薄吸声体；元胞由微穿孔板(1)、顶板(2)、壁板(3)和底板(4)组成。
27.具体的元胞的个数和尺寸需要根据所需要的宽带吸声频率来确定，如果希望宽带吸声频率更低一点，则元胞们的尺寸需要更大一点，对应的需要减少元胞个数；如果希望宽带吸声频率更高一点，则元胞们尺寸需要更小一点，对应的需要增加元胞个数。
28.如图5-7所示，对元胞的结构特征进行详细说明，对于给定的矩形平面，以hilbert
分形曲线为轨迹，扫成一个空气域，空气域的各个侧面布置壁板(3)，空气域的底部布置底板(4)，空气域的顶部前面一段布置微穿孔板(1)，空气域的顶部剩余区域布置顶板(2)，各个板之间保证气密性，进而组成吸声体的元胞。图5中用虚线表示矩形平面，其长度为10mm～25mm，其宽度为5mm～10mm；对于具体一个元胞，元胞占用的hilbert分形曲线轨迹为hilbert分形曲线的一部分，其长度为60mm～120mm，元胞们所占用的轨迹的总长为3阶hilbert分形曲线的总长度，分形曲线总长度为342mm～638mm。
29.微穿孔板(1)上的微穿孔需要根据其个数在面板上均匀布置。微穿孔板(1)的微孔直径为0.5mm～1.0mm，微穿孔板(1)的厚度保持在0.8mm～1.5mm范围内；穿孔率取0.08～0.15，此穿孔率范围可以保证吸声体具有较高吸声系数。微穿孔板(1)是l形或矩形，长度为10mm～25mm，宽度为5mm～10mm。
30.顶板(2)、壁板(3)和底板(4)根据元胞在平面内的延展形式对应布置，壁板(3)的壁厚为1mm～2mm，顶板的厚度取1mm～1.5mm，底板的厚度保持在1mm～2mm范围内。
31.元胞中的微穿孔板(1)和顶板(2)由玻璃纤维、环氧树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料或钛合金制成。壁板(3)和底板(4)由芳纶纤维、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料或钛合金制成。本实施方式中的吸声结构包括6个元胞，分别为元胞1(5)、元胞2(6)、元胞3(7)、元胞4(8)、元胞5(9)、元胞6(10)，6个元胞依照hilbert分形曲线在平面空间内延展，构造成超薄宽带吸声结构。每个元胞包含微穿孔板(1)、壁板(3)、顶板(2)和底板(4)。这些吸声元胞在平面空间内基于hilbert分形曲线布置，进而共同组成超薄宽带吸声吸声结构。
32.实施例：
33.微穿孔板以及顶板的材料为环氧树脂：其特征是密度为2190kg/m3，弹性模量为21gpa，泊松比为0.16。壁板和底板材料为芳纶纤维：其特征是密度为48kg/m3，弹性模量为3.1gpa，泊松比为0.2。空气：其特征是密度为1.25kg/m3，声速为343m/s，空气压力为101325pa，动力黏度为1.8
×
10-5
pa
·
s，热传导率为0.0258w/(m
·
k)，定容比热容为718j/(kg
·
k)，比热容比为1.4。
34.超薄宽带吸声体长64mm，宽64mm，高22.2mm，分形曲线轨迹总长511mm。
35.元胞1：矩形平面长20mm，宽6mm，元胞占据的分形曲线轨迹长103mm，微穿孔板占据的分形曲线轨迹长20mm，穿孔直径为0.7mm,穿孔率为0.1924，壁板厚1mm，顶板厚1.2mm，底板厚1mm。
36.元胞2：矩形平面长20mm，宽6mm，元胞占据的分形曲线轨迹长94mm，微穿孔板占据的分形曲线轨迹长20mm，穿孔直径为0.7mm,穿孔率为0.1924，壁板厚1mm，顶板厚1.2mm，底板厚1mm。
37.元胞3：矩形平面长20mm，宽6mm，元胞占据的分形曲线轨迹长86mm，微穿孔板占据的分形曲线轨迹长20mm，穿孔直径为0.7mm,穿孔率为0.1924，壁板厚1mm，顶板厚1.2mm，底板厚1mm。
38.元胞4：矩形平面长20mm，宽6mm，元胞占据的分形曲线轨迹长80mm，微穿孔板占据的分形曲线轨迹长20mm，穿孔直径为0.7mm,穿孔率为0.1924，壁板厚1mm，顶板厚1.2mm，底板厚1mm。
39.元胞5：矩形平面长20mm，宽6mm，元胞占据的分形曲线轨迹长70mm，微穿孔板占据的分形曲线轨迹长20mm，穿孔直径为0.7mm,穿孔率为0.1924，壁板厚1mm，顶板厚1.2mm，底
板厚1mm。
40.元胞6：矩形平面长20mm，宽6mm，元胞占据的分形曲线轨迹长70mm，微穿孔板占据的分形曲线轨迹长16mm，穿孔直径为0.7mm,穿孔率为0.1924，壁板厚1mm，顶板厚1.2mm，底板厚1mm。
41.采用上述材料和结构尺寸对本发明吸声体进行数值模拟，图8为基于hilbert分形曲线构造的超薄宽带吸声结构的吸声系数。由图8可见：本发明超薄宽带吸声体在830～1255hz范围内吸声系数达到0.5以上。本发明超薄宽带吸声体在870～1186hz范围内吸声系数在0.92以上。
42.本发明提出的一种基于hilbert分形曲线构造的超薄宽带吸声体的上述结构特点，它在工厂、汽车工业和航空航天等领域的降噪问题中具有广泛的应用价值，如应用于航空发动机进气道及尾喷管的吸声降噪问题。
43.需要说明的是，对于本领域的普通技术人员来说，凡是按照本发明技术思想做出的若干变形和改进，均属于本发明权利要求书的保护范围之内。