一种基于三重周期极小曲面的夹芯微穿孔板吸声结构

1.本发明涉及吸声结构技术领域，尤其是涉及一种基于三重周期极小曲面的夹芯微穿孔板吸声结构。


背景技术：

2.伴随着高速列车、航空航天技术的飞速发展，提高了人们的出行速度，但也带来了严重的噪声污染，尤其是中、低频的噪声，严重影响了乘客的身心健康和精密仪器的使用寿命，而吸声结构可以通过吸收声波降低反射达到降噪的效果。传统的吸声方式为多孔材料吸声，共振式吸声以及吸声尖劈等。其中多孔材料难以吸收低频声波；共振式吸声结构可以实现低频吸声，但吸声频段过窄，不能实现宽频吸声；吸声尖劈结构尺寸过大，不利于工程应用，且以上几种结构/材料均不能满足当前结构的力学性能要求。
3.夹芯结构具有良好的比强度，比刚度等优势，三重周期极小曲面夹芯结构相较于传统的夹芯结构，具有内部开放，空间贯通的特点，并且极小曲面表面非常光滑，没有点阵结构的尖锐转折或连接点，能更好的满足实际工程中的需求。然而，三重周期极小曲面夹芯结构并不具备以上吸声方式的特点，无法自主实现吸声降噪，需要对其进行附加结构设计。
4.例如cn112699561a-一种油液填充的三重周期极小曲面隔声结构及其制备方法，将粘性油液注入三重周期极小曲面夹芯结构中，通过固液耦合隔声的方式实现隔声效果；但这种注粘性油液的方式使得整体结构极重，因此限制了该隔声结构在实际应用中体积/厚度不可能过高，否则容易导致材料强度不足以支撑油液重量导致塌陷；且需要极高的密封性能以避免油液渗漏，因此加工制造成本高。
5.而cn109147749a-一种高吸声率连通形多腔谐振型吸声覆盖层公开了通过在含空气腔弹性阻尼层z向阵列多个空腔组成的吸声结构，相较于前述现有技术可以在结构体积/厚度上进行多次叠加；但其空腔结构因为仅在一个方向上阵列，所以空间利用率很低，无法像三重周期极小曲面夹芯结构那样的内部开放，空间贯通的特点。
6.综上所述，现有技术中的传统吸声结构对材料的空间利用率低，而三重周期极小曲面吸声结构空间贯通，空间利用率高，但搭配粘性油液导致材料质量重，且体积受限不能堆叠，制造加工成本高。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于三重周期极小曲面的夹芯微穿孔板吸声结构，能够使三重周期极小曲面的夹芯吸声结构重量更轻，且可以根据实际需要将夹芯做组合堆叠，便于加工制造；
8.本发明提供一种基于三重周期极小曲面的夹芯微穿孔板吸声结构，包括：夹芯层，包括xy方向阵列的若干三重周期极小曲面；若干所述夹芯层在z方向阵列，且相邻所述夹芯层之间设有微穿孔板，所述微穿孔板上设有若干微孔；若干所述三重周期极小曲面的内腔间在xy方向连接，在z方向通过所述微孔连通，构成内腔串联系统；若干所述三重周期极小
曲面的外腔间在xy方向连接，在z方向通过所述微孔连通，构成外腔串联系统。
9.进一步的，所述内腔串联系统与所述外腔串联系统间在同一所述夹芯层内不连通，构成内外腔并联系统。
10.进一步的，还包括面板，设于最外层的夹芯层之外，并封闭三重周期极小曲面。
11.进一步的，一个最外层的所述夹芯层之外设置所述面板，另一相对的最外层的所述夹芯层之外设置所述微穿孔板。
12.进一步的，所述三重周期极小曲面由p型极小曲面单胞加厚得到。
13.进一步的，所述三重周期极小曲面的数学公式：
[0014][0015]
式中，t为周期常数，c为极小曲面常数。
[0016]
进一步的，第n层微穿孔板的相对声阻抗率：
[0017][0018][0019]
式中，t为微穿孔板的板厚，d为微穿孔的直径，η为空气中的粘滞系数，ω为圆频率，ψ为穿孔面积与板面积的比值，n
sarea
为微穿孔板上开孔个数，s
area
为微穿孔板等效面积，v为空腔体积，t为极小曲面周期常数，k为穿孔板常数，ρ0为空气密度，c0为声音传播速度。
[0020]
进一步的，吸声结构的相对声阻抗率：
[0021][0022]
式中：
[0023]
与为内腔与外腔对应微穿孔板等效面积占总截面积的比值；
[0024][0025]
i＝1、2
[0026][0027][0028]zti
为n层微穿孔板结构的等效阻抗，i代表内腔串联系统与外腔串联系统，1代表内腔串联系统，2代表外腔串联系统，z
eq2i
表示第2层板与3～n层微穿孔板与空腔组成的结构的等效阻抗，以此类推，z
eq(n-1)i
为第n-1与第n层微穿孔板与空腔组成的结构的等效阻抗。
[0029]
进一步的，吸声结构的吸声系数：
[0030][0031]
本发明的技术方案通过若干三重周期极小曲面在xyz三方向阵列，其内腔之间相互连通并通过微穿孔板相互连通构成内腔串联系统，其外腔之间相互连通并通过微穿孔板相互连通构成外腔串联系统。内腔串联系统与外腔串联系统之间组成了相互纠缠环绕，但在吸声结构内部并不互通的并联结构。声波在经过吸声结构时，环绕穿过内腔串联系统、外腔串联系统和其之间的极小曲面，通过在气-固介质之间不断衰减以达到足够的吸声效果。且同时，空间利用率高，可以有效减轻结构重量，是一种性能优良的轻质吸声结构；且结构体积大小允许跟随使用需求改变，便于加工制造，具有很强的兼容性。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
[0033]
图1为本发明的整体结构示意图；
[0034]
图2为本发明的单个三重周期极小曲面示意图；
[0035]
图3为本发明的极小曲面单胞的内腔与外腔示意图；
[0036]
图4为本发明的微穿孔板示意图；
[0037]
图5为本发明的吸声系数曲线图；
[0038]
图6为本发明的三重周期极小曲面内腔和外腔的z向阵列示意图；
[0039]
附图标记说明：
[0040]
1-三重周期极小曲面、2-夹芯层、3-微穿孔板、301-微孔、4-面板、5-内腔、6-外腔；
具体实施方式
[0041]
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0043]
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以
是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0044]
实施例1
[0045]
如图1-图4所示，本发明提供一种基于三重周期极小曲面的夹芯微穿孔板吸声结构，包括：夹芯层2，包括xy方向阵列的若干三重周期极小曲面1；若干夹芯层2在z方向阵列，且相邻夹芯层2之间设有微穿孔板3，微穿孔板3上设有若干微孔301；若干三重周期极小曲面1的内腔5间在xy方向连接，在z方向通过微孔301连通，构成内腔串联系统；若干三重周期极小曲面1的外腔6间在xy方向连接，在z方向通过微孔301连通，构成外腔串联系统。
[0046]
具体的，在本实施例1中，材料整体结构上，若干三重周期极小曲面1在xy平面内阵列组成夹芯层2，所以在xy方向上的阵列数量决定材料的面积大小，而若干夹芯层2又在z方向阵列，所以在z方向上的阵列数量决定材料的厚度。根据实际使用需求，增加xyz向单元阵列个数、调整微穿孔板3厚度、微孔301个数以及直径控制吸声范围，设计合适的材料体积；由于本技术中不具有油液等填充物，所以重量相对于现有技术而言仅在与材料的本身重量，基本可以根据使用需求无限叠加，极大的增加了吸收结构的兼容性和适用性。
[0047]
三重周期极小曲面1所包围的内部空间称为内腔5，与微穿孔板3之间所包围的外部空间称为外腔6，内腔5与外腔6之间通过三重周期极小曲面1隔开。为了保持吸收效果，本实施例利用微穿孔板3将z方向阵列的三重周期极小曲面1连通起来，使所有的三重周期极小曲面1内腔串联为一个整体的内腔串联系统。这个内腔串联系统是由每个基本阵列单元(极小曲面内腔)在xy方向上连接阵列，并在z方向上(通过微孔)间隔阵列构成的；这个外腔串联系统是由每个基本阵列单元(极小曲面外腔)在xy方向上连接阵列，并在z方向上(通过微孔)间隔阵列构成的。利用极小曲面的曲面形结构，和内/外腔串联系统，可以保证材料具有足够的吸声功能。
[0048]
内腔串联系统与外腔串联系统之间组成了相互纠缠环绕，但在吸声结构内部并不互通的并联结构。声波在经过吸声结构时，需要在xyz方向不断穿过若干内腔5、若干外腔6和其之间的三重周期极小曲面1，通过在气-固介质之间不断衰减以达到吸声效果。
[0049]
微穿孔板3的开孔直径小于1mm，可根据实际需求选择开孔位置。
[0050]
实施例2
[0051]
本实施例2叙述进一提高吸声效果的技术方案。
[0052]
如图1-图4和图6所示，内腔串联系统与外腔串联系统之间在同一夹芯层2内不连通。还包括面板4，设于最外层的夹芯层2之外，并封闭三重周期极小曲面4的外侧孔。一个最外层的夹芯层2之外设置面板，另一相对的最外层的夹芯层2之外设置微穿孔板3。
[0053]
具体的，本吸声结构中，在材料的最外侧一面为面板4，使该面的三重周期极小曲面1的所有孔封闭，另一面为微孔301板，使内腔串联系统与外腔串联系统之间通过该微孔301板上的微孔301再串联起来，使整个吸声结构成为一个整体吸声腔。
[0054]
所以本吸声结构中，内腔串联系统与外腔串联系统之间，在吸声结构内部并联，在吸声结构外部串联。
[0055]
如图5和图6所示，通过这种串并联耦合的吸声系统，在每一个夹芯层内，都有内腔串联系统和外腔串联系统分别对应的两个吸收峰，而每增多一个夹芯层，就会增加两个吸收峰(通过上一夹芯层后声波发生了衰减)，通过增加夹芯层的数量，增加了系统的吸声峰
值个数，当吸声峰值个数增多后，有效吸声频率相应增宽，从而实现宽频吸声效果。根据理论计算，这种吸声结构对中、低频和宽频的吸声效果都有效。
[0056]
实施例3
[0057]
本实施例3主要叙述三重周期极小曲面1。
[0058]
如图2所示，三重周期极小曲面1由p型极小曲面单胞加厚得到。三重周期极小曲面1的数学公式：
[0059][0060]
式中，t为周期常数，c为极小曲面常数。
[0061]
具体的，本吸声结构所采用的三重周期极小曲面1为p型极小曲面单胞加厚得到，p型极小曲面(schwarzprimitive(p))是一种已知的极小曲面形态，具体结构不再赘述。其在侧面四周具有四个口，上下分别具有一个口，本吸声结构的夹芯层2即是通过该三重周期极小曲面1在xy方向上阵列，且相邻的三重周期极小曲面1的侧面相向口之间连接组成的。而在z方向的阵列通过其上下的口经由微孔301连接组成，是所有的阵列单元连通组成内腔串联系统。
[0062]
实施例4
[0063]
如图5所示，本实施例4以在z方向阵列三层为例，说明本吸声结构的吸声效果。
[0064]
微穿孔板3的相对声阻抗率：
[0065][0066][0067]
式中，t为微穿孔板的板厚，d为微穿孔的直径，η为空气中的粘滞系数，ω为圆频率，ψ为穿孔面积与板面积的比值，n
sarea
为微穿孔板上开孔个数，s
area
为微穿孔板等效面积，v为空腔体积，t为极小曲面周期常数，k为穿孔板常数，ρ0为空气密度，c0为声音传播速度。
[0068]
吸声结构的相对声阻抗率：
[0069][0070]
式中：与为内腔5与外腔6对应微穿孔板3等效面积占总截面积的比值；
[0071][0072]
i＝1、2
[0073]
[0074][0075]zti
为n层微穿孔板结构的等效阻抗，i代表内腔串联系统与外腔串联系统，1代表内腔串联系统，2代表外腔串联系统，z
eq2i
表示第2层板与3～n层微穿孔板与空腔组成的结构的等效阻抗，以此类推，z
eq(n-1)i
为第n-1与第n层微穿孔板与空腔组成的结构的等效阻抗。
[0076]
吸声结构的吸声系数：
[0077][0078]
本吸声结构的原理：
[0079]
每层极小曲面单胞将两微穿孔板3之间的空腔划分成两个腔，分别为内腔5与外腔6，三重周期极小曲面1的轻质夹芯微穿孔吸声结构内部一共2n个空腔，n为z方向阵列的基本单元个数。通过最外侧的微穿孔板3，内腔与外腔分别和微穿孔板组成内腔串联系统和外腔串联系统，这两个串联系统之间在吸声结构内部相互并联，构成一个串并联耦合的吸声系统，通过增加夹芯层的数量，增加了系统的吸声峰值个数，当吸声峰值个数增多后，有效吸声频率相应增宽，从而达到中、低频和宽频吸声效果。
[0080]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。