低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面及其设计方法

1.本发明属于振动与噪声控制技术领域，具体涉及低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面及其设计方法。


背景技术：

2.高速运动的物体与空气相互作用，在不规则表面发生分流现象，形成复杂的涡流，产生较大的脉动压力进而产生气动噪声。湍流边界层中壁压波动引起的气动声学问题在车辆动力学、飞机机舱噪声及流激振动等许多工程应用中具有重要意义。控制运动物体周围的流场和物体表面的脉动压力是研究气动噪声的基础。低频和宽带控制是振动与噪声控制中的重要课题，赫姆霍兹减振器作为吸声降噪结构的典型代表，研究者们展开了对其声学特性的广泛研究，包括其优良的低频控制能力，以及通过多个失谐单元或者与微穿孔板结合实现宽带控制等。然而结构的共振峰频率和带宽均与声质量成反比，赫姆霍兹减振器的低频控制和多孔结构的宽带控制始终是相矛盾的，采用多孔设计使得声质量减小，带宽变宽的同时必然引起共振峰向更高频移动，而为实现更低频控制，则只能增大结构尺寸。为消除同一结构实现宽带控制与低频控制之间的这种矛盾，设计一种可同时满足低频和宽带控制的新型超薄赫姆霍兹减振器结构显得尤为重要。
3.具有优异低频性能的声学超材料近年来发展迅速，与刚性壁面相反，通常设计界面处声阻抗与背景介质阻抗匹配以最大限度地吸收声能。然而，当存在平均流动、自持振荡和高速压力波动等实际应用中，入射声波会在结构界面剪切层处形成不稳定的涡流。此时，界面处的声阻抗不仅取决于壁面材料的特性，更多地受到界面平均流动特性和流动扰动参数的影响。以往研究表明，赫姆霍兹减振器的声阻抗和基本谐振频率随流量的增加而成比增大，此时结构的壁声阻抗无法再满足与介质阻抗相匹配的完美吸声条件同时也不利于低频控制。根据边界阻抗定义可知，声阻抗接近于零的边界处声压也接近于零，此时流场中的压力扰动对声压脉动的激发可从根本上得到抑制。有效控制流激气动噪声则需要抑制由于流量增加而引起的界面处阻抗值及其峰值频率的增加，从而实现速度更高时更低频声压的有效抑制。而流量增加时界面声阻抗显著增大的直接原因是界面处平均声速的减小，而峰值频率的增加则是由于流量增加削弱了结构与外流场相互作用使得声质量减小造成的，因此，如何改善结构与外流场之间的相互作用，减小流量增加对结构界面处流体流动速度以及声质量的影响是控制流激气动噪声需要解决的关键问题。大量数据表明，通过改进赫姆霍兹减振器的形状、结构形式以及结构参数均可抑制流动的不稳定性并降低压力波动。


技术实现要素：

4.基于现有技术中低频宽带流激气动噪声的控制，以及赫姆霍兹减振器的低频与宽带控制相矛盾的问题，本发明提出一种超薄低频带宽莲蓬头颈赫姆霍兹型气动降噪超表面结构及其设计方法。
5.本发明解决其技术问题采用的技术方案是：低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪
超表面，由多个吸声元胞并联构成的基本单元经过周期性阵列形成，所述吸声元胞包括空腔、与所述空腔连接的莲蓬头颈部；所述的莲蓬头颈部由多层圆柱孔和薄腔构成，每层孔的数目及其等效截面积自下而上逐渐递增；不同层的孔与孔之间通过薄腔连接，最下层的孔连接空腔上端开口。
6.优选地，所述圆柱孔的层数不少于两层，每一层圆柱孔的直径不小于0.5mm，且不大于空腔最小边长。
7.优选地，所述空腔和薄腔的截面保持一致，截面的形状选自正方形、矩形、圆形或三角形。
8.优选地，在一个基本单元中，不同吸声元胞的同一层圆柱孔的数目可相同或者不相同。
9.优选地，在一个基本单元中，不同吸声元胞的最上一层圆柱孔的数目可相同或者不相同，且其等效截面积尽可能最大。
10.本发明还提供了所述低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面的设计方法，包括：
11.(1)对气动噪声源能量分布进行仿真预测，确定噪声控制的频谱特性范围和噪声能量幅值；
12.(2)通过理论计算并仿真分析无流动激扰时单个吸声元胞的宽带特性并与hr比较，分析影响结构带宽特性的因素，吸声元胞的结构参数包括：每一层圆柱孔的数目、孔的直径、孔的长度、空腔的长和宽、空腔和薄腔的深度，根据噪声源的分布范围和能量幅值结合结构的带宽特性和低频特性确定实现宽带控制所需的基本单元的吸声元胞数目和每个吸声元胞控制的峰值频率；
13.(3)通过流场和声场耦合仿真分析结构参数和流量对单个吸声元胞的声学特性的影响，设计并确定吸声元胞的结构参数，使其满足流量增加时结构声阻抗及其峰值频率的增幅尽可能小，以实现速度更高时更低频气动噪声的有效控制。
14.(4)将所需数目的吸声元胞并联耦合，构成一个气动降噪的基本单元，再将该基本单元经过周期性阵列得到多元胞耦合的低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面结构。
15.本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
16.1.与窄带宽特性的传统赫姆霍兹减振器相比，莲蓬头颈的多层圆柱孔结构使得声质量减小，从而带宽加宽；而与多孔结构相比，又可通过减小莲蓬头颈的下层孔的等效截面积或增大孔长度，实现更低频控制的同时减小结构的厚度，因此该结构兼具了多孔结构和赫姆霍兹减振器的优良特性，解决了同一结构上低频和宽带控制相矛盾的问题，实现了低频和宽带的同步控制；
17.2.在入射流作用下，由于莲蓬头颈多层圆柱孔结构使得其与外部流场的相互作用增强，莲蓬头颈内部流体流动速度增加，流量增加对结构阻抗峰增幅的影响减小。此外，莲蓬头颈内形成了多个更强的独立涡流区域，莲蓬头颈的有效长度大于其几何长度，声质量增加引起阻抗峰向更低频移动。因此，相同流速下，莲蓬头颈的多层圆柱孔结构较传统赫姆霍兹减振器有利于实现更低频气动噪声的有效抑制。
18.3.由数目更少、厚度更薄的莲蓬头颈赫姆霍兹减振器多元胞耦合构成的气动降噪超表面结构，可实现低频宽带气动噪声的连续有效控制。
附图说明
19.图1为本发明实例中吸声元胞的结构示意图；
20.图2为本发明实例中吸声元胞的剖面结构示意图；
21.图3为本发明实例中超表面基本单元的结构示意图；
22.图4为本发明实例中超表面基本单元的分解示意图；
23.图5为本发明实例中超表面基本单元的内部结构示意图；
24.图6(a)为无流动激扰时本发明实例中吸声元胞与hr声学特性比较；
25.图6(b)为不同入射流速度时本发明实例中吸声元胞与hr声学特性比较；
26.图7为本发明实例中所述的超表面与光滑界面的仿真和测试气动噪声级比较；
27.图中：1.第二层孔；2.薄腔；3.第一层孔；4.空腔；5～10分别为第1～6号元胞；11.基本单元。
具体实施方式
28.为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。
29.实施例1本实施例提供一种低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面，由多个吸声元胞并联构成的基本单元经过周期性阵列形成。每一个吸声元胞由空腔和空腔上连接的莲蓬头颈部组成，其中莲蓬头颈部为多层圆柱孔结构。
30.如图1和图2所示，以两层的圆柱孔结构为例，对吸声元胞的结构进行详细介绍。空腔4的开口端连接第一层孔3，第一层孔3的上端开口端连接薄腔2，薄腔2的上方连接第二层孔1。第一层孔3和第二层孔1均为两端开口的圆柱孔。
31.空腔4和薄腔2的截面均为矩形截面，且二者的截面参数相同。
32.第一层孔3的数量少于第二层孔1的数量，并且第一层孔3的等效截面积小于第二层孔1的等效截面积。
33.每一层圆柱孔的直径不小于0.5mm，且不大于空腔的最小边长。同一层中圆柱孔的直径可以相同，也可以不同。最上一层孔的等效截面积尽可能最大。为简化设计，本实例中第二层孔1的孔数目相同。
34.本实施例中，如图3、4、5所示，一个基本单元11由六个并联的吸声元胞组成，分别是第1号吸声元胞5、第2号吸声元胞6、第3号吸声元胞7、第4号吸声元胞8、第5号吸声元胞9和第6号吸声元胞10。并联的各元胞之间的间距一致。
35.将该基本单11元沿x轴和y轴方向进行周期性阵列就可得到低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面结构。x轴方向上的周期数为空腔的长与各元胞间距之和；y轴方向上的周期数为空腔的宽与各元胞间距之和。
36.实施例2本实施例提供一种低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面的设计方法，以实施例1中的气动降噪超表面为例，详细设计步骤如下：
37.(1)气动噪声源的仿真预测
38.基于流体动力学和声学建立气动噪声仿真计算模型预测噪声源的分布以控制气
动噪声。气动噪声仿真计算模型的建立包括两个方面：第一，选取合理的方法建立准确的流体动力学模型，分析结构内部和周围的流场特性，并计算得到各个流场变量，包括流场压力、速度和动力粘度等。第二，为了分析主流流动对声场特性的影响，将流体动力学计算得到的流场变量输入到声学模型，并采用线性n-s方程求解声学问题。在此基础上，通过流场和声场耦合仿真对一定速度下气动噪声源能量分布进行预测，确定噪声控制的频谱特性范围和噪声能量幅值。
39.(2)通过理论计算并仿真分析无流动激扰时单个吸声元胞的宽带特性并与hr比较，分析影响结构带宽特性的因素，吸声元胞的结构参数包括：每一层圆柱孔的数目、孔的直径、孔的长度、空腔的长和宽、空腔和薄腔的深度，根据噪声源的分布范围和能量幅值结合结构的带宽特性确定实现宽带控制所需的基本单元的吸声元胞数目和每个吸声元胞控制的峰值频率。并将各个不同元胞按照一定间距并联耦合形成气动降噪基本单元。理论上，基本单元中并联的各元胞之间的间距越小，效果越好，但受限于3d打印设备的加工精度，且不同厂家的3d打印设备的加工精度也不同，因此，综合考虑3d打印设备的激光直径、激光余光的影响以及后处理的加工精度来确定各元胞之间的间距。
40.首先，采用阻抗传递矩阵法和平面波展开法理论推导莲蓬头颈部结构的面声阻抗zi的计算公式：
41.zi＝z
ci
z
ni
z
cii
z
nii
[0042][0043][0044][0045][0046]
并将其等效为弹簧质量系统，则声阻ri和声质量mi分别表示为：
[0047][0048][0049]
且带宽、声阻和声质量之间的关系可表示为δfi＝ri/2πmi，其中z
ci
、z
ni
、z
cii
和z
nii
分别为空腔、第一层孔、薄腔和第二层孔的声阻抗，r
nii
、r
ni
、r
ci
和r
cii
分别为第二层孔、第一层孔、空腔和薄腔的声阻，m
nii
、m
ni
、m
ci
和m
cii
分别为第二层孔、第一层孔、空腔和薄腔的声质量，ρ
ω
和c
ω
分别为空气介质密度和声速，μ为动力粘度系数，χ
ii
和χi为穿孔常数，z
ci
和z
cii
分
别为空腔和薄腔的面平均声阻抗，v
ci
和v
cii
分别为空腔和薄腔的体积，s
ci
和s
cii
分别为空腔和薄腔的截面积，和分别为第一层和第二层孔的吸收面积比，定义为第一层和第二层孔的面积与入射面积的比值。
[0050]
图6(a)所示为理论计算莲蓬头多层孔颈结构的宽带控制机理并与hr比较分析。同时，通过建立气动噪声仿真模型对该结构的声学特性仿真并与理论计算结果比较。结果显示，阻抗为0.5时的hr带宽为106hz，而莲蓬头多层孔颈结构的带宽为166hz，这主要是由于莲蓬头多层孔颈结构的声质量减小，从而更有利于宽带控制。其次，分析不同流量的入射流作用对该结构声学特性的影响，图6(a)和(b)显示随着速度由0m/s增加到50m/s，传统赫姆霍兹减振器(hr)的声阻抗幅值由0.111增大到2，增幅为1.889，峰值频率由890hz移动到910hz，频移增幅为20hz，这主要是由于流量增加使得hr与外部流场之间的相互作用减弱，分别引起界面法向流体流动速度减小及声质量减小造成的。而莲蓬头多层孔颈结构的阻抗峰值由0.143增大到0.663，增幅为0.52，峰值频率由1110hz下降到1100hz，频移降幅为10hz，经流场特性分析发现莲蓬头多层圆柱孔颈结构与外部流场之间增强的相互作用提高了界面法向平均流速，且该结构内部形成多个更强的独立涡区增大了声质量，因此流量越大时该结构越有利于实现更低频声压的有效抑制。然后，深入分析结构参数对该莲蓬头多层圆柱孔颈结构的低频特性和阻抗特性的影响。其中，孔数目和孔直径越大，结构的阻抗幅值越小，而声质量减小使得低频性能也变差。空腔边长越长，阻抗峰值越小的同时低频特性也越好。其它参数一定时，元胞间距越小，即吸收面积比越大，阻抗峰值越小且随流量增加阻抗峰的增幅也越小，越有利于在更高速度时实现壁声压有效抑制，因此，尽可能增大最上层孔的等效截面积。通过严格设计结构的几何参数，就可得到具有更大带宽、更低频控制且声压有效抑制的元胞结构。
[0051]
在此基础上，根据流声耦合仿真预测的50m/s速度时的气动噪声源的能量分布特性，以及结构参数和流量对结构的带宽特性和低频特性的影响，就可确定实现50m/s速度时的宽带控制气动降噪单元的元胞数目和各个元胞控制的峰值频率分别为50hz，1100hz，1550hz，2300hz，2750hz和3750hz。并结合结构参数和流量对声阻抗及其峰值频率增幅的影响，以及加工精度对结构参数优化的限制(综合考虑该3d打印设备的激光直径、激光余光影响以及后处理的加工精度，实际样品的各元胞间距为0.5mm，并非仿真的最优化尺寸)，最终通过设计速度50m/s时对应频率750hz，1100hz，1550hz，2300hz，2750hz和3750hz处壁声压尽可能接近于零可确定各吸声元胞的结构参数，表1所示为构成一个基本单元的各吸声元胞详细尺寸参数示例。六个吸声元胞并联构成厚度仅为258mm的低频宽带气动降噪的基本单元。
[0052]
表1.构成一个基本单元的各个吸声元胞的详细设计参数(单位：毫米)
[0053]
[0054][0055]
注：2ai为空腔4和薄腔2的长，2bi为空腔4和薄腔2的宽，li为x方向的元胞周期数(空腔4的长与各元胞间距的和)，wi为y方向的元胞周期数(空腔4的宽与各元胞间距的和)，ni为第一层孔3的数目，di为第一层孔3的直径，hi为第一层孔3的高度，hi为空腔4的深度，h
ii
为薄腔2的深度，n
ii
为第二层孔1的数目，d
ii
为第二层孔1的直径，h
ii
为第二层孔1的高度；各元胞间距为0.5mm。
[0056]
(3)将设计好的基本单元11沿x轴和y轴方向进行周期性阵列就可得到低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面。
[0057]
采用光敏树脂材料通过3d打印加工样品并设计风洞实验测试降噪效果，图7所示为本发明优选实例中超表面和光滑界面的仿真和实测声压级比较。仿真和测试结果均表明，本发明提供的低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面实现了50m/s速度下550～4150hz范围内气动噪声的连续控制，声压级平均降低3.61db。
[0058]
本发明通过将传统赫姆霍兹减振器的单一颈改进为莲蓬头多层圆柱孔颈结构，通过增大上层孔的数目和直径实现更大宽带控制，同时减小下层孔的数目和直径，或增大其长度实现更低频控制。并通过多个不同元胞并联设计形成宽带控制基本单元，最终由基本单元周期性阵列形成低频宽带气动降噪超表面结构。