本实用新型属于管道声学噪声控制领域，具体涉及一种异型漏斗声学赫姆霍兹共振复合超结构设计方法。
背景技术：
一个产品的声学性能是影响消费者选择和满意度的重要因素。通常，为了减小空调、吸尘器、冰箱等电器的噪声，我们会使用黏弹性材料、多孔泡沫或消声器等被动噪声控制方法。但是随着消费者对电器静音性能的要求不断提高，这些传统方法已经不能满足人们的需求。特别是对空调、冰箱等内部需要气体流通的电器，在降低噪音的同时不能阻碍气体流通，影响产品性能。因此我们需要一种创新的方法，在不影响产品性能的前提下有效的降低噪声。
由人工周期结构组成的声学超材料可以用来解决这个问题。声学超材料具有很多传统材料所不具备的特殊性质，如负等效质量密度和负等效模量等，可以有效控制声波。2006年，美国伊利诺伊大学香槟分校的Fang等利用赫姆霍兹共鸣器一维阵列，实现了负等效模量，从而有效地对声波进行衰减；2008年，Yang等制作出了薄膜型等效负质量密度超材料，该薄膜超材料在200～300Hz的频率范围内，都能形成等效负质量密度。当声波垂直于薄膜平面入射时，只要入射频率和质量块在薄膜上的共振频率相匹配，就能够使得声波被完全反射，而不能透过。这些超材料虽然可以有效地控制噪声，但是它们的结构会阻碍气体的流通，所以不能用于带有电机和压缩机的系统中。
在传统的应用于低频管道消声的技术中，赫姆霍兹消声器和扩张管消声器等抗性消声器技术比较成熟，在受到某一特定频率声波激发时，能通过共振腔的振动消耗能量，因此这些技术只能对单一特定频率噪声进行控制。
而声学超材料中的负等效质量密度超材料如薄膜型超材料和局域共振型超材料虽然有较好的隔声和工作频率，但其大部分结构都不允许气流通过，因此无法应用于存在气流的管道中。
技术实现要素：
本实用新型针对上述技术上的不足，提出一种异型漏斗声学赫姆霍兹共振复合超结构，该结构将赫姆霍兹消声器和扩张管消声器结合起来，通过多谐振器共振导致负有效质量密度，从而在多频带上形成带隙阻止声波传输，实现有效隔声。同时本实用新型独特的设计对气流阻力较小，能够在有效隔声的同时保证气体流通。
本实用新型是通过下述技术方案来实现的。
本实用新型一种异型漏斗声学赫姆霍兹共振复合超结构，包括一个均匀的内管、一个沿内管外壁包围的异型漏斗状变截面管，和一个在变截面管顶部的环形盖板以及一个连接环形盖板的入口管，形成一个两端开圆孔的异型漏斗空腔共振复合超结构。
上述技术方案中，本实用新型还有进一步限定的方案：
进一步，所述入口管的管径大于内管的管径，且内管自变截面管内腔延伸至入口管内。
进一步，所述内管顶端与环形盖板下端面之间的距离为赫姆霍兹共振腔颈部的长度Lh；内管低端至环形盖板下端面的距离为扩展管谐振腔的长度Lp；所述赫姆霍兹共振腔颈部的长度Lh与扩展管谐振腔的长度Lp之比为0.01～0.05。
进一步，入口管管径d1与内管管径d3之比为1.25～3。
进一步，所述内管、异型漏斗状变截面管和环形盖板的厚度相同，为0.5mm～5mm。
进一步，所述共振复合超结构材料均为塑料、金属或木质材料。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1)本实用新型所述异型漏斗声学赫姆霍兹共振复合超结构可同时作为赫姆霍兹共振器和扩展管腔谐振器，通过多个谐振器共振产生负有效质量密度，从而形成带隙阻止声波传播，因此可在多个宽频带内实现较高的隔声量。
2)本实用新型所述异型漏斗声学赫姆霍兹共振复合超结构在实现有效隔声的同时，不会影响气体流通，可广泛应用于各种通气管道和通气窗等。
3)所用材料抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，容易涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工，进一步拓宽了这种结构在实际工程中的应用范围。
4)单元体由单一材料组成，结构简单。可用3D打印直接制备，也可用模具加工，工艺简单、设备投资成本低，方便进行大规模生产。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：
图1是本实用新型的异型漏斗声学赫姆霍兹共振复合超结构单元体对称剖面图；
图2是本实用新型单元体示意图及参数；
图3是本实用新型实施例单元体的立体结构图；
图4是本实用新型实施例单元体的剖面图；
图5是本实用新型实施例的隔声曲线图(1)；
图6是本实用新型实施例的隔声曲线图(2)。
图中：1、内管；2、变截面管下段；3、变截面管上段；4、环形盖板；5、入口管。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
如图3、4所示，一种异型漏斗声学赫姆霍兹共振复合超结构，包括一个均匀的内管1，一个沿内管1外壁包围的异型漏斗状变截面管，变截面管包括变截面管下段2和变截面管上段3，和一个在变截面管顶部的环形盖板4以及一个连接环形盖板的入口管5，形成一个两端开圆孔的异型漏斗空腔共振复合超结构。其中，入口管的管径大于内管的管径，且内管自变截面管内腔延伸至入口管内。
如图1所示，为异型漏斗声学赫姆霍兹共振复合超结构单元体对称剖面图，其中，点划线为对称轴，A部分和E部分平行于对称轴，因此绕对称轴360°旋转可分别得到粗均匀圆管和细均匀圆管，即入口管和内管；B部分垂直于对称轴，绕对称轴360°旋转得到环形盖板；C和D均为圆心在对称轴上的圆弧，圆心分别为O1和O2，C部分圆弧半径大于D部分，C和D两部分连接绕对称轴旋转360°得到异型漏斗状变截面管。各部分连接关系如图中所示。
图2为单元体的剖面图及重要参数标识。如图所示d1为入口管的内径，同时也是环形盖板的孔径，其取值范围为10mm～15mm，入口管即为气体和声波的入口。d2为环形盖板的外环直径，同时也是异型漏斗状变截面管的上端的外径，其取值范围为17mm～35mm。d3为内管的内径，其取值范围为5mm～8mm。Li为嵌入的内管上端到入口的距离。Lh为内管高出环形盖板下端面的高度，也是赫姆霍兹共振腔颈部的长度，其取值范围为0.5mm～5mm。Lp则为内管下端到环形盖板的距离，同时也是扩展管腔谐振器的长度，Lh+Lp即为内管的长度。Vh为赫姆霍兹共振腔的体积。
对于异型漏斗状变截面管中的两个圆弧，上圆弧的外径取决于环形盖板的外径，而下圆弧的外径则取决于上圆弧的外径和弧度，下端与内管连接。
本实用新型是一种异型漏斗声学赫姆霍兹共振复合超结构，其单元体为一复合异型漏斗结构，可同时作为两个谐振器工作，其中第一谐振来自赫姆霍兹共振腔(HR)，第二谐振来自扩展管谐振腔(EPCR)。因此该结构具有强大的多频带共振特性，当对应频带的声波进入时，能够通过多个谐振器共振产生负有效质量密度，从而产生带隙阻止声波传输，达到控制噪声的效果，同时扩展管保证了气体能够正常流通。
气体和声波从入口管一端进入单元体中，声波在其中受到共振耗散和多条带隙隔声，最终只有少部分声能量能够传出单元体，而气体则大部分都可以通过内管顺利排出。
入口管的内径与环形盖板中孔的内径均为d1，环形盖板的外径与异型漏斗状变截面管上端的外径均为d2，因此三者可以紧密连接形成一个异型漏斗空腔结构。异型漏斗状变截面管下端的内径与内管的外径均为d3，因此内管可以紧密嵌入异型漏斗空腔结构中。嵌入部分的内管的上端面高于环形盖板的下端面，高出部分的长度为Lh，即赫姆霍兹共振腔的颈部的长度。内管的外表面和入口管、环形盖板、异型漏斗状变截面管的内表面包围形成了赫姆霍兹共振腔，体积为Vh。内管低于环形盖板的部分为扩展管腔，长度为Lp。单元体中均匀圆管、异型漏斗状变截面管和环形盖板的厚度相等，在一个实施例中，其厚度为0.5mm～5mm。
本实用新型的单元体中各部分材料均为ABS塑料，也可采用其他刚性材料。该单元体可单独应用，也可在平面框架上周期排列形成二维周期结构。
根据我们的理论推导及仿真结果，参数的变化会对单元体的性能产生重要影响：
1.在单元体总厚度不变的情况下，赫姆霍兹共振腔的颈部和扩展管腔谐振器之间的长度比会影响带隙的宽度。根据我们的计算和仿真结果，比较小的长度比会导致形成更宽的带隙。即赫姆霍兹共振腔颈部的长度Lh与扩展管谐振腔的长度Lp为0.01～0.05。
2.颈部长度与赫姆霍兹共振腔的声质量成正比，而较小的声质量有利于拓宽带隙。
3.颈部长度的减小会提高第一共振频率。
4.在扩展管腔谐振器参数确定的情况下，赫姆霍兹共振腔颈部的横截面积和扩展管腔谐振器横截面积之间比例的变化，会导致共振频率的变化。该比值减小可减小粘性损失、降低共振频率以及扩宽带隙。即入口管管径d1与内管管径d3之比为1.25～3。
5.在赫姆霍兹共振腔的共振频率确定的情况下，较长的EPCR长度可以产生更宽的带隙。
6.赫姆霍兹共振腔的体积越大，带隙数量越多。
综合考虑以上因素：为了使提出的异型漏斗声学赫姆霍兹共振复合超结构的带隙最大化，在参数选择中应选择较小的赫姆霍兹共振腔颈部长度和颈部横截面积，选择较长的扩展管腔谐振器长度，在满足其他条件且符合实际要求的情况下，使赫姆霍兹共振腔的体积尽可能大。
具体的，我们选择的实施例参数为：d1＝14mm，d2＝34mm，d3＝6mm，Li＝9.5mm，Lh＝0.5mm，Lp＝39.5mm，两个圆弧面中，上弧面的半径为17mm，其对应弧线的弧度为45°，则下弧面的半径为均匀圆管、异型漏斗状变截面管和环形盖板的厚度均为0.5mm。
图5和图6为该实施例comsol仿真实验得到的隔声量曲线图。如图5所示，所选实施例可在1442Hz～1517Hz的宽频带内实现20dB以上的隔声，在1498Hz处出现一隔声峰，其峰值隔声量达到115dB。如图6所示，所选实施例可在1944Hz～3338Hz的宽频内实现20dB以上的隔声，并且在2530Hz处出现一隔声峰，其峰值隔声量达到165dB，几乎是完全隔声。
本实用新型具体制备过程如下：
1)根据实际需求，利用comsol等仿真分析软件对本实用新型结构的参数进行优化，得到最优的结构参数。
2)根据得到的最优结构参数，使用solidworks等3D绘图软件画出最优结构的三维模型并导出为适合3D打印机使用的格式。
3)根据三维模型的尺寸和精度要求选择合适的3D打印机，将设计好的三维模型导入3D打印机中进行打印，并在打印完成后进行后续处理，得到所设计的结构。
由于本实用新型结构简单，因此也可使用模具进大规模生产。
本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。