基于空间折叠结构的微型Helmholtz共鸣器宽带消声管道的制作方法

本发明涉及一种基于空间折叠结构的微型Helmholtz共鸣器宽带消声管道，属于声学领域。

背景技术：

传统的管道消声设备如基于共振消声的Helmholtz共鸣器管道，等效于抗性消声器，由喉管和腔体构成。喉管内的空气相当于声质量，整个腔体相当于弹簧，分别类比于电学线路中的电感和电容，两者串联连接后接地。当声波频率和消声器固有频率最接近时消声量最大，起到声学滤波器作用。但此种共鸣器腔体通常有较大的体积，通过较大的体积来整体实现较大的声容。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于空间折叠结构的微型Helmholtz共鸣器的宽带消声管道，在减小共鸣器腔体体积的同时，在腔体内部加一些声学硬质边界的横梁来划分腔体的声传输通道，通过几个等效的劲度系数较大的小弹簧串联连接实现与大的腔体相同劲度系数的等效弹簧，不改变喉管对应的声质量，实现相同的共振频率，此外还可以改变喉管的横截面和其相对腔体中心位置的距离来改变共鸣器的作用频率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于空间折叠结构的微型Helmholtz共鸣器的宽带消声管道，包括平行设置的主体管道上表面和下表面，上下表面安装有若干个沿主体管道对称分布的尺寸固定的腔体，腔体等间距排列，每个腔体与主体管道之间设有一对固体挡板，两个固体挡板之间形成位置、横截面面积可变的喉管，喉管偏心率和横截面积的改变通过左右移动固体挡板来实现，所述腔体内设有若干个交替分布的平行横梁并构成空间折叠结构。

作为优选，所述腔体和喉管构成经典的Helmholtz共鸣器，共振频率其中V,l,S为腔体体积、喉管高度、喉管截面积，δ为喉管分别相对于腔体和管道端的末端修正长度之和，δ＝1.7r，r为喉管的半径，c为背景媒质中的声速，δ＝1.7r为经验公式，可以大致计算出共振频率。

作为优选，所述腔体和喉管构成经典的Helmholtz共鸣器，腔体与喉管截面均为圆形，共振频率其中V,l,S为腔体体积、喉管高度、喉管截面积，δ为喉管分别相对于腔体和管道端的末端修正长度之和，末端修正l,b为腔体与喉管的直径，J_m为m阶Bessel函数，α_mn为(m,n)次高阶波对应的波矢量，a为喉管的为几何中心偏离腔体几何中心的尺寸。

作为优选，相邻横梁之间的间距相同，交替分布的平行横梁以构成折叠结构，折叠结构之间的间隙形成声传播通道。

作为优选，所述主体管道、腔体壁面及腔体内部横梁的声阻抗远大于背景媒质，至少为100倍的背景媒质声阻抗。

作为优选，所述主体管道、腔体壁面和横梁的材料为金属或有机塑料。

在本发明中，可以将原本体积较大的Helmholtz共鸣器腔体进行划分，实现多个小的声传输通道，这时相当于多个相对于大的腔体来说刚性较强的弹簧串联连接，最终等效的劲度系数降低，实现与较大体积腔体相同的声容。而在划分腔体时，喉管并未发生改动，声质量不变，最终可实现相同的共振频率。例如主体管道的长度约为200mm，宽度和高度均为82mm，腔体的长宽高分别为：40mm、82mm和12mm，喉管高度为2mm，横梁的长宽高分别为30mm、82mm和1mm，横截面长度与偏离腔体中心位置的距离从左上至右下以从左往右顺序分别为：1、1、5、7、15、9、19、11mm和-10、-2、-10、-8、-10、-2、-4、4mm，向右偏离为正，向左偏离为负。以上结构参数的共鸣器对应的共振频率分别为：850、910、950、1010、1050、1130、1210、1290Hz。上述参数的选择应遵循共振频率与喉管的偏心率、截面积的关系曲线。频率选择为每隔50Hz左右安排一个共鸣器。

有益效果：本发明的基于空间折叠结构的微型Helmholtz共鸣器宽带消声管道，只需要一种结构尺寸的腔体就可以实现对不同频率的滤波作用，改变了传统的消声器件不可改变作用频率这一特性，与此同时腔体的尺寸包括长度和厚度大大减小，可应用于对结构尺寸苛刻的环境，最后通过级联由不同结构尺寸的喉管所构成的共鸣器可实现宽带噪声控制。

附图说明

图1为本发明中一个腔体的结构示意图；

图2为经典Helmholtz共鸣器等效于弹簧振子的原理示意图；

图3为本发明的Helmholtz共鸣器等效于弹簧振子的原理示意图；

图4为共鸣器共振频率与喉管长度、偏心率关系图；

图5为本发明的结构示意图；

图6为本发明宽带消声管道数值仿真的声传输损失图。

具体实施方式

如图1和图4所示，本发明的基于空间折叠结构的微型Helmholtz共鸣器的宽带消声管道，包括平行设置的主体管道4上表面和下表面，上下表面各安装有4个沿主体管道4对称分布的尺寸固定的腔体3，相邻腔体3的间距为2mm，每个腔体3内部设有两排横梁1，横梁1间距三等分腔体的高度，长度选取为腔体长度的3/4即30mm，高度选取为1mm。此外主体管道4与腔体3之间设有一对固体挡板2，两个固体挡板2之间形成位置、横截面面积可变的空白区域即喉管5，喉管5偏心率和横截面积的改变通过左右移动固体挡板2来实现。移动固体挡板2时需保持共鸣器腔体3内部密封。

在本发明中，所述腔体3和喉管5构成经典的Helmholtz共鸣器，但共振频率由喉管5的偏心率、截面积确定，共振频率其中V,l,S为腔体3体积、喉管5高度与截面积，c为背景媒质中的声速，δ为喉管5分别相对于腔体3和管道4端的末端修正长度之和δ＝1.7r，r为喉管5的半径。

在本发明中，腔体3与喉管5截面均也可以为圆形情形，末端修正写为l,b为腔体3与喉管5的直径，J_m为m阶Bessel函数，α_mn为(m,n)次高阶波对应的波矢量，a为喉管5的几何中心偏离腔体3几何中心的尺寸。

主体管道4的长度约为200mm，宽度和高度均为82mm，腔体3的长宽高分别为：40mm、40mm和12mm，喉管5高度为2mm，宽度为82mm，长度依照共振频率与截面积的关系特性曲线如图4所示选取，横梁1的长宽高分别为30mm、40mm和1mm，管道4上下包含8个对称腔体3，相邻腔体3之间的间隔距离为2mm，横截面长度与偏离腔体中心位置的距离从左上至右下以从左往右顺序分别为：1、1、5、7、15、9、19、11mm和-10、-2、-10、-8、-10、-2、-4、4mm，向右偏离为正，向左偏离为负。以上结构参数的共鸣器对应的共振频率分别为：850、910、950、1010、1050、1130、1210、1290Hz。上述参数的选择应遵循共振频率与喉管的偏心率、截面积的关系曲线。频率选择为每隔50Hz左右安排一个共鸣器。管道4及腔体3壁面声阻抗应远大于背景媒质且至少为背景媒质声阻抗的100倍，这里所选用的材料为金属或有机塑料。

对于上述每一组喉管5与腔体3的结构参数值可得到位于共振频率附近的窄带共振峰，当把不同参数值的Helmholtz级联时除了将共振峰的叠加外还需考虑不同共鸣器之间的相互耦合，数值仿真发现级联后的作用频率宽度大于不同结构共振峰的叠加，显然这对于隔声滤波是有益的。

如图1是本发明微型Helmholtz共鸣器的三维结构参数示意图及其参数，为了简化考虑，对于三维情形的Helmholtz共鸣器腔体3可采用二维结构在垂直于二维平面拉伸一定距离来代替，要求是拉伸距离应小于半波长，需要说明的是以下进行数值仿真的共鸣器结构均为二维情形，图中，b为喉管5的长度，t为固定挡板2的壁厚，e为相邻横梁1之间的间距，l为腔体3的长度，d为腔体3的宽度，h为腔体3的高度，a为喉管5的几何中心偏离腔体3几何中心的尺寸。

图2和图3是经典Helmholtz共鸣器与本发明基于空间折叠结构的微型Helmholtz共鸣器等效于弹簧振子的原理示意图。微型Helmholtz共鸣器相当于将声通道划分，类比于劲度系数较大的弹簧相串联，最终实现与体积较大腔体相同劲度系数的弹簧。

图4是在一定频率范围内选取声强透射率小于0.1的点绘制共鸣器共振频率与二维情形时喉管5长度Sb、偏心距离a的关系曲线，由于喉管的宽度一定，图4实际可以作为喉管截面积与共振频率的关系。

图5所示为本发明宽带消声管道的二维结构示意图。当已知共鸣器的共振频率与腔体3及喉管5的结构参数曲线时，选取不同结构参数所对应的共鸣器并将其级联在管道的两端，具体参数值如上述所示。

图6为仿真所得声的传输损失图。仿真结果对应的作用频率范围为800Hz—1400Hz，在此范围内声传输损失均大于10dB，而最大的声传输损失可以达到50dB。

实施例：如图4和图5所示，本发明基于空间折叠结构的微型Helmholtz共鸣器实现宽带消声管道，在上下表面分别对称的安装有结构尺寸相同的腔体3和偏心率、横截面积不同的喉管5，喉管5偏心率和横截面积的改变通过左右移动固体挡板2来实现。在此基础上级联不同结构参数共鸣器，一个主体管道4上下表面对称的分布4个相同尺寸的腔体3，共8个不同共振频率的共鸣器。主体管道4的长度约为200mm，宽度和高度均为82mm，腔体3的长宽高分别为：40mm、40mm和12mm，喉管5高度为2mm，宽度为82mm，横截面长度与偏离腔体3中心位置的距离从左上至右下以从左往右顺序分别为：1、1、5、7、15、9、19、11mm和-10、-2、-10、-8、-10、-2、-4、4mm，向右偏离为正，向左偏离为负。以上结构参数的共鸣器对应的共振频率分别为：850、910、950、1010、1050、1130、1210、1290Hz。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。