声学超结构元胞、声学超结构梯度孔径元胞和吸声结构

1.本发明属于机械噪声控制技术领域，特别是一种声学超结构元胞、声学超结构梯度孔径元胞和吸声结构。


背景技术：

2.在工业领域中，由机械设备产生的噪声不仅增加设备功耗，加快设备老化，而且还对环境造成声污染，严重影响人们的日常生产生活。因此需要对噪声加以控制。对噪声的控制主要从噪声源、噪声传播途径和噪声接收者三个方面进行研究。其中，在传播途径中控制噪声是目前最有力的手段。而且能够有效阻碍噪声传播的吸声结构一直是近些年噪声控制的研究热点。根据质量密度定律和刚度定律，低频噪声需要很大的结构厚度才能达到吸声目的，这在实际工程应用中难以实现。然而声学超结构的出现很好地解决了这一难题。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是解决噪声污染问题的理想方案。但是声学超结构的较宽频段吸声和较薄结构厚度相互制约是限制其发展的关键因素。
3.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

4.针对现有声学超结构的吸声频段较窄和结构厚度过大的不足，本发明提出一种声学超结构元胞、声学超结构梯度孔径元胞和吸声结构，不仅可以实现连续宽带吸声，而且能在不改变吸声效果的前提下减小结构厚度。
5.本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种声学超结构元胞包括：
6.微穿孔板，其具有上表面和下表面，所述微穿孔板具有贯穿所述上表面和下表面的第一孔；
7.多边形迷宫腔体，其固定于所述下表面，所述多边形迷宫腔体为中空腔体，所述中空腔体包括相对于所述下表面的多边形的底部以及包括自所述底部垂直延伸到所述下表面的侧壁；
8.多个隔板，其设于所述中空腔体以分为若干个腔室，所述隔板设有第二孔，声波从所述第一孔进入中空腔体并与中空腔体的第一层腔室形成共振腔，所述声波和所述第二孔及其后的中空腔体形成吸声腔。
9.所述的声学超结构元胞中，所述迷宫腔体中声波的传播方式为伞状张合传播、层叠弯曲传播或者螺旋盘绕传播。
10.所述的声学超结构元胞中，所述多边形迷宫腔体的截面的形状为三角形、四边形、六边形和八边形中可以密铺成平面的一种或多种组合。
11.所述的声学超结构元胞中，所述第一孔相对位于所述多边形迷宫腔体的截面的左侧、中心或者右侧。
12.所述的声学超结构元胞中，所述多边形迷宫腔体中按照等间隔或变间隔布置若干个隔板，若干个隔板通过交替间隔设置将中空腔体分隔成空间卷曲迷宫腔。
13.所述的声学超结构元胞中，所述多边形迷宫腔体中的隔板形状为六边形、七边形、圆形、螺旋形及其组合。
14.所述的声学超结构元胞中，所述隔板上开设的第二孔孔径或者迷宫腔体中插入隔板后余留的第二孔大小与对应微穿孔板上开设的第一孔孔径相匹配。
15.一种声学超结构梯度孔径元胞包括n个同排相邻排列的所述的声学超结构元胞，第i个声学超结构元胞的多边形迷宫腔体与第i 1个声学超结构元胞的多边形迷宫腔体紧密相连，i＝1，2，...，n-1，n为大于等于2的正整数。
16.所述的声学超结构梯度孔径元胞中，n个声学超结构元胞共用同一块微穿孔板，且第一孔的孔径依次增大或依次减小。
17.所述的声学超结构梯度孔径元胞中，n个声学超结构元胞的多边形空腔截面边长相同，或者，依次排列的第1个声学超结构元胞至第n个声学超结构元胞的多边形空腔截面边长呈递增、递减或者无规律随机变化。
18.所述的声学超结构梯度孔径元胞中，n个声学超结构元胞的迷宫腔体深度相同；或者，依次排列的第1个声学超结构元胞至第n个声学超结构元胞的迷宫腔体深度呈递增、递减或者无规律随机变化。
19.所述的声学超结构梯度孔径元胞中，n个声学超结构元胞的迷宫腔体彼此不连通。
20.一种吸声结构包括m个密铺在一起的所述的声学超结构梯度孔径元胞，第j个声学超结构元胞的多边形迷宫腔体与第j 1个声学超结构元胞的迷宫腔体紧密相连，j＝1，2，...，m-1，m为大于等于2的正整数。
21.所述的吸声结构中，第一孔共用同一块微穿孔板，且第一孔孔径依次增大或减小。
22.所述的吸声结构中，m个声学超结构梯度孔径元胞的多边形空腔截面边长相同；
23.或者，依次密铺的第1个声学超结构梯度孔径元胞至第m个声学超结构梯度孔径元胞的多边形空腔截面边长呈递增、递减或者无规律随机变化。
24.所述的吸声结构中，m个声学超结构梯度孔径元胞的迷宫腔体深度相同；或者，依次密铺的第1个声学超结构梯度孔径元胞至第m个声学超结构梯度孔径元胞的迷宫腔体深度呈递增、递减或者无规律随机变化。
25.所述的吸声结构中，m个声学超结构梯度孔径元胞的迷宫腔体彼此不连通。
26.和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供的声学超结构元胞具有低频轻薄的优异吸声性能。将多个声学超结构元胞无间隔同排紧密排列可以构成声学超结构梯度孔径元胞。将多个声学超结构梯度孔径元胞密铺在一起构成宽频带轻薄吸声结构。吸声结构不仅可以通过依次增大或减小微穿孔板上第一孔的孔径，使不同吸声峰值依次排列耦合，从而改善低频吸声带宽狭窄的缺点，实现连续宽带吸声，而且还能进一步利用密铺结构的带隙特性实现吸声频带的进一步拓宽。吸声结构的蜂窝迷宫腔体采用伞状张合或者层叠弯曲或者螺旋盘绕等声波传播方式来延长声波在空腔中的传播路径，从而在不改变吸声效果的前提下减小结构厚度。吸声结构可在不改变元胞外部结构和充分利用吸声空间的情况下，通过调整元胞内部结构参数和元胞排列方式等实现不同频段的吸声目的，克服了传统吸声结构吸声频带窄，结构厚度大，工程应用性差等诸多不足。
附图说明
27.通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
28.在附图中：
29.图1(a)为声学超结构元胞的结构示意图；图1(b)为声学超结构元胞中蜂窝迷宫腔体的结构示意图；
30.图2(a)为声学超结构元胞的结构示意图；图2(b)为声学超结构元胞中蜂窝迷宫腔体的结构示意图；
31.图3(a)为声学超结构元胞的结构示意图；图3(b)为声学超结构元胞中蜂窝迷宫腔体的结构示意图；
32.图4(a)至图4(d)为不同空腔截面形状示意图，其中图4(a)为三角形蜂窝状，图4(b)为四边形蜂窝状，图4(c)为六边形蜂窝状，图4(d)为八边形和正方形的组合蜂窝状；
33.图5(a)至图5(e)为不同隔板形状示意图，其中图5(a)和图5(b)为伞状张合传播声波的宽频带轻薄吸声结构所用隔板，图5(c)为层叠弯曲传播声波的宽频带轻薄吸声结构所用隔板，图5(d)和图5(e)为螺旋盘绕传播声波的宽频带轻薄吸声结构所用隔板；
34.图6(a)为声学超结构元胞中等间隔设置隔板时的剖视图；图6(b)为声学超结构元胞中变间隔设置隔板时的剖视图；
35.图7为声学超结构梯度孔径元胞的结构示意图；
36.图8为声学超结构梯度孔径元胞的剖视图；
37.图9为声学超结构梯度孔径元胞的剖视图；
38.图10为声学超结构梯度孔径元胞的剖视图；
39.图11为宽频带轻薄的吸声结构的结构示意图；
40.图12为宽频带轻薄的吸声结构的结构示意图；
41.图13为宽频带轻薄的吸声结构的结构示意图；
42.图中：1微穿孔板；2迷宫腔体；3微穿孔板上的第一孔；4隔板；5隔板处的第二孔。
43.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
44.下面将参照附图1(a)至图13更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
45.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解
释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
46.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
47.如图1(a)至图13所示，为了更好地理解本发明，通过实施例具体阐述。
48.实施例1：伞状张合传播声波的宽频带轻薄吸声结构
49.如图1(a)至图1(b)所示，本实施例提供一种声学超结构元胞，声学超结构元胞包括：微穿孔板1与布置有若干隔板4的多边形迷宫腔体2，多边形迷宫腔体2的顶部与微穿孔板1的下表面固定连接，多边形蜂窝迷宫腔体的底部为实体，若干隔板4将蜂窝迷宫腔体分为若干个小腔室。
50.声波从微穿孔板1上的第一孔3进入结构内部，并与第一孔3和多边形迷宫腔体2的第一层腔室形成共振腔，与第二孔5及其后的多边形迷宫腔体2形成吸声腔。在图1(a)至图1(b)所示实施例中，进入多边形迷宫腔体2的第一层小腔室的声波扩散到第一层隔板4外侧的两个小孔处并由此传播到第二层小腔室的两侧，之后汇聚到第二层隔板4内侧的小孔处并由此传播到第三层小腔室中，之后扩散到第三层隔板4外侧的两个小孔处并由此传播到第四层小腔室的两侧，如此循环传播至最后一层小腔室。
51.本发明中微穿孔板1上的第一孔3相对位于多边形迷宫腔体2截面的左侧或者中心或者右侧。在图1(a)至图1(b)所示实施例中，微穿孔板1上的第一孔3相对位于多边形迷宫腔体2截面的中心。
52.本发明中多边形迷宫腔体2的截面形状可以为三角形或者四边形或者六边形或者八边形等可以密铺成平面的一种或多种组合，以充分利用吸声空间，如图4(a)至图4(d)所示。在图1(a)至图1(b)所示实施例中，多边形迷宫腔体2的截面形状为六边形蜂窝状，如图4(c)所示。
53.本发明多边形迷宫腔体2中的隔板4的形状可以为六边形或者七边形与圆形或者螺旋形的组合，如图5(a)至图5(e)所示。多边形迷宫腔体2按照等间隔或变间隔布置若干个隔板4，若干个隔板4通过交替间隔设置将多边形迷宫腔体2分隔成空间卷曲迷宫腔，如图6(a)至图6(b)所示。在图1(a)至图1(b)所示实施例中，隔板4的形状为六边形与圆形的组合，如图5(a)和图5(b)所示，9个隔板4变间隔布置在多边形迷宫腔体2中并将多边形迷宫腔体2分隔成10个小腔室。
54.本发明中隔板4上开设的第二孔5的孔径或者多边形迷宫腔体2中插入隔板4后余留的第二孔5的大小与对应微穿孔板1上开设的第一孔3的孔径相匹配。第一孔的孔径范围在0.2～1mm之间，第二孔的孔径范围在0.2～2mm之间。孔径小于等于1mm算微穿孔。共振腔和孔径有关，两者相互作用共同影响吸声频率和峰值，进而影响吸声带宽。微穿孔板上的小孔和下面的多边形迷宫腔体的第一层形成共振腔，通过改变孔径可以实现连续宽带吸声。隔板处的小孔与其后的空腔形成吸声腔，当声波频率与小孔处的固有频率接近时，小孔处的流体可以实现共振吸声。本发明中声波在蜂窝多边形迷宫腔体2中的传播方式可以为伞状张合传播或者层叠弯曲传播或者螺旋盘绕传播。在图1(a)至图1(b)所示实施例中，声波在蜂窝多边形迷宫腔体2中的传播方式为伞状张合传播。
55.参照图7和图8，本发明提供一种声学超结构梯度孔径元胞，包括n个同排紧密排列的上述声学超结构元胞，第i个声学超结构元胞的多边形迷宫腔体2与第i 1个声学超结构元胞的多边形迷宫腔体2紧密相连，i＝1，2，...，n-1，n为大于等于2的正整数，n个声学超结构元胞的多边形迷宫腔体2彼此不连通，微穿孔板1上的n个第一孔3共用同一块微穿孔板1，且第一孔3的孔径依次增大或减小。在图7和图8中，n为10。
56.在本发明的声学超结构梯度孔径元胞中，n个声学超结构元胞的多边形迷宫腔体2的截面边长和深度可以相同也可以不同，例如呈递增、递减或者无规律随机变化。在本实施例中，n个声学超结构元胞的多边形迷宫腔体2的截面边长和深度均相同。
57.参照图11，本发明提供一种宽频带轻薄吸声结构，包括m个密铺在一起的上述声学超结构梯度孔径元胞，第j个声学超结构元胞的蜂窝腔体与第j 1个声学超结构元胞的蜂窝腔体紧密相连，j＝1，2，...，m-1，m为大于等于2的正整数，m个声学超结构梯度孔径元胞的多边形迷宫腔体2彼此不连通，共用同一块微穿孔板1的所有第一孔3的孔径依次增大或减小。
58.在本发明的宽频带轻薄吸声结构中，m个声学超结构梯度孔径元胞的多边形迷宫腔体2的截面边长和深度可以相同也可以不同，例如呈递增、递减或者无规律随机变化。在本实施例中，m个声学超结构梯度孔径元胞的多边形迷宫腔体2的截面边长和深度均相同。
59.本发明中声波在微穿孔板1上的第一孔3和多边形迷宫腔体2的第一层腔室内形成声学共振效应，产生吸声峰，通过在多边形迷宫腔体2中伞状张合传播声波提高折射率，并通过流体内部的粘滞阻力或流体与固体相互作用产生的摩擦阻力做功将声能转化为热能耗散，从而进一步吸收声能，形成声学吸收效应。通过依次增大或减小微穿孔板1上第一孔3的孔径，使不同吸声峰值依次排列耦合，可以实现连续宽带吸声，而且还能进一步利用密铺结构的带隙特性实现吸声频带的进一步拓宽。
60.实施例2：层叠弯曲传播声波的宽频带轻薄吸声结构
61.此实施例与实施例1基本相同，区别是，(1)声学超结构元胞的结构示意图如图2(a)所示，声学超结构元胞中蜂窝迷宫腔体的结构示意图如图2(b)所示，微穿孔板1上的第一孔3相对位于多边形迷宫腔体2截面的右侧；(2)来自微穿孔板1上的第一孔3的声波进入蜂窝多边形迷宫腔体2的第一层小腔室的最右侧空间传播，之后向左传播至最左侧空间并从隔板4处的小孔进入第二层小腔室的最左侧空间传播，之后向右传播至最右侧空间并从隔板4处的小孔进入第三层小腔室的最右侧空间传播，如此由上至下层叠弯曲循环传播至最后一层小腔室；(3)声学超结构梯度孔径元胞的剖视图如图9所示，宽频带轻薄吸声结构的结构示意图如图12所示，多边形迷宫腔体2中等间隔布置9个七边形隔板4，隔板4的形状如图5(c)所示。
62.实施例3：螺旋盘绕传播声波的宽频带轻薄吸声结构
63.此实施例与实施例1基本相同，不同的是，(1)声学超结构元胞的结构示意图如图3(a)所示，声学超结构元胞中蜂窝迷宫腔体的结构示意图如图3(b)所示，多边形迷宫腔体2中的隔板4的形状为六边形、圆形和螺旋形的组合，如图5(d)和图5(e)所示；(2)来自微穿孔板1上的第一孔3的声波进入蜂窝多边形迷宫腔体2的第一层小腔室的最内侧空间传播，之后依次由内向外螺旋盘绕传播至最外侧空间并从隔板4上的小孔进入第二层小腔室的最外侧空间传播，之后依次由外向内螺旋盘绕传播至最内侧空间，并从隔板4上的小孔进入下一
层小腔室的最内侧空间传播，如此循环传播至最后一层小腔室；(3)声学超结构梯度孔径元胞的剖视图如图10所示，宽频带轻薄吸声结构的结构示意图如图13所示，多边形迷宫腔体2中变间隔布置9个隔板4。
64.本发明吸声结构不仅可以实现连续宽带吸声，而且能在不改变吸声效果的前提下减小结构厚度，克服了传统吸声结构吸声频带窄，结构厚度大，工程应用性差等诸多不足。
65.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。例如本发明实施例中迷宫腔体的截面形状为六边形，很显然可以替换成方形、菱形、三角形、五边形、八边形等可以密铺成平面的一种或多种组合。
66.尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。