针对掠流下低频宽带吸声的非均匀截面分布的超结构声学衬垫

本发明属于非均匀截面分布的超结构声学衬垫设计，其在马赫数为0～0.26范围内的掠流环境中具有良好的低频宽带声衰减性能，具体涉及针对掠流下低频宽带吸声的非均匀截面分布的超结构声学衬垫。

背景技术：

1、与静态环境下吸声不同，掠流环境下声学衬垫的声阻抗会随着掠流速度的变化而改变，尤其是声阻会随着掠流速度的增大而增大，使得声学衬垫声阻抗调制的难度增大，掠流下声学衬垫降噪性能大大降低，所以在掠流环境下的高效吸声一直是一个难点。

2、对于航空涡扇发动机来说，大涵道比的设计是一种趋势。当发动机的风扇直径增大，转速和叶片数量降低后，风扇的通过频率也会降低，导致低频噪声会更加显著。同时，掠流环境的应用场景让传统声衬的吸声性能迅速衰减。所以，在掠流环境下的如何保持高效的低频声衰减是一个值得重视的问题。

3、目前，传统的声学衬垫如双自由度声衬由于其工作频带较窄，掠流下吸声性能下降较大，在掠流环境下无法有效的吸收低频噪声，同时，由于安装空间大小的限制，也需要声学衬垫的厚度进一步变薄。因此，一种能在掠流环境下对低频噪声具有高降噪性能的薄厚度声学衬垫备受期待。

4、声学超材料超结构的出现，提供了解决这些问题的思路，如迷宫型吸声结构、螺旋型吸声结构、长插管亥姆霍兹共振器等，这些具有深亚波长谐振结构的超材料声衬实现了薄结构低频吸声。然而这些研究大多都是在静态环境下考虑法向入射，没有进行掠流环境下的吸声效果验证。如申请号为2021104867010，发明名称为《穿孔板结构及应用该结构的变截面弯折空腔的低频宽带吸声装置》中，解决的是静态环境下声波垂直入射的低频宽带吸声，通过穿孔板和变截面弯折空的组合，使声传播路径变长，通过调整结构参数，与特定频率相匹配，从而吸收垂直入射的低频噪声，产生的效果为对静态环境下的垂直入射声波进行低频宽带吸声，范围小于500hz，结构厚度为50mm，但并没有针对掠流环境下的吸声效果进行验证。

5、近年来，人们逐渐重视声衬在掠流下的性能研究。如申请号为2021101838016，发明名称为《一种多单元超构表面阵列和宽频声衬单元结构》中，解决的问题为掠流下宽带声衰减，实现了在10m/s～60m/s的掠流速度下对800hz～3000hz的噪声的有效声衰减。zhao等人发表在journal of physics d:applied physics期刊中的文章neck-embeddedacoustic meta-liner for the broadband sound-absorbing under the grazing flowwith a wide speed range，其设计的颈部嵌入式声学衬垫在0m/s～98m/s的掠流速度下提供500hz～3000hz的宽带阻抗匹配。这些衬垫在中高频下的宽带吸声效果良好，且在掠流环境下也有很好的表现，但是对于低频噪声的吸收都不够理想。

6、综上所述，如何在掠流环境下保持较高的低频降噪性能对于薄厚度声学衬垫的设计来说是一个有待研究的一个复杂问题。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：针对现有技术背景下传统声学衬垫在掠流环境下的工作频带窄、声衰减效果差、结构太厚，以及超材料超结构声学衬垫在掠流环境下的低频降噪性能差的问题，提供了一种针对马赫数为0～0.26范围内的掠流环境下低频宽带降噪的非均匀截面分布的超结构声学衬垫。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

3、针对掠流下低频宽带吸声的非均匀截面分布的超结构吸声单元，包括单元腔室、第一内隔板6、第二内隔板7和第三内隔板8；其中三个隔板均位于单元腔室内，该单元腔室为空腔；

4、所述单元腔室包括上隔板1、左隔板2、右隔板3、前隔板4、后隔板5和底板9，六个隔板相互连接形成盒形腔室；其中上隔板1与底板9相互平行，左隔板2与右隔板3相互平行，前隔板4与后隔板5相互平行；上隔板1左侧端开有长方形孔10作为声音入口；

5、三个隔板均位于单元腔室内，自单元腔室左隔板2起，第一内隔板6、第二内隔板7和第三内隔板8依次且相互平行放置不接触；

6、所述第一内隔板6上端与上隔板1固连，下端与底板9不接触，侧端与左隔板2、前隔板4均不接触；第二内隔板7下端与底板9固连，上端与上隔板1不接触，侧端与后隔板5不接触；第三内隔板8上端与上隔板1固连，下端与底板9不接触，侧端与右隔板3、前隔板4均不接触；左隔板2与第一内隔板6之间、第一内隔板6与底板9之间、第一内隔板6与第二内隔板7之间、第二内隔板7与上隔板1之间、第二内隔板7与第三内隔板8之间、第三内隔板8与底板9之间、第三内隔板8与右隔板3之间共同形成声波通道；

7、定义长方形孔10的长度为b，宽度为a，第一内隔板6与左隔板2之间的距离为w1，第一内隔板6上端的边长长度为l0，且b＝l0，a＝w1；

8、定义第一内隔板6与底板9之间的高度为h1，第二内隔板7与上隔板1之间的高度为h2，第三内隔板8与底板9之间的高度为h3；上隔板1与底板9之间的距离为h0，h2+h3≦h0，

9、进一步的，所述声音入口用于声波进入，左隔板2放置在掠流上游位置，右隔板3放置在掠流下游位置，工作时，掠流和声波同时从左隔板2所在的上游位置经过吸声单元的上表面传播到右隔板3所在的下游位置，部分掠流和声波通过所述长方形孔10进入腔内。

10、进一步的，所述上隔板1、左隔板2、右隔板3、前隔板4、后隔板5、第一内隔板6、第二内隔板7、第三内隔板8、底板9厚度为0.5mm～1mm。

11、进一步的，所述第一内隔板6与左隔板2之间的距离为w1为2mm～6mm，第一内隔板6与底板9之间的高度为h1为20mm～35mm。

12、进一步的，所述定义第二内隔板7与第一内隔板6的距离为w2，范围为10mm～14mm，第二内隔板7与上隔板1之间的高度h2为3mm～10mm。

13、进一步的，定义第三内隔板与第二内隔板的距离w3，范围为2mm～5mm；第三内隔板与底板的空隙高度h3为15mm～30mm。

14、进一步的，包括若干个超结构吸声单元，所述底板9为长方形，定义x方向为底板9的宽边方向，y方向为底板9的长边方向，与x方向、y方向均垂直的方向为z方向；若干超结构吸声单元在y方向排布连接形成周期单元，其中相连接的超结构吸声单元共享一个隔板，隔板的厚度为0.5mm～1mm。

15、进一步的，所述超结构吸声单元数量大于等于4。

16、进一步的，若干周期单元在x方向和y方向上排布连接，形成超结构声学衬垫，且相连接的周期单元共享一个隔板。

17、有益效果

18、本发明的优点是：本发明形状简单、易于制作、结构厚度薄，在马赫数为0～0.26范围内的掠流下的有良好的低频吸声性能，在掠流下低频噪声控制工程中具有良好的应用前景。具体产生的有益效果如下：

19、1本发明设计的非均匀截面分布的结构特点，使声波在结构内传播路径变长，在薄的结构厚度下实现低频吸声；其次，非均匀截面分布造成了显著的通道截面积比，掠流环境下，通道连接处产生更多涡流，高声压级声波在结构中传播时，入射声波的部分能量转化为涡流的旋转动能，并导致涡流脱离现象将大涡转化为小涡，最终由于流体的粘性行为转为热量进行耗散，增强了该结构在掠流环境中的吸声性能；最后结构有较高的自由度，可对结构参数进行调整以实现特定频段的吸声。

20、2本发明相比于现有的传统衬垫在掠流环境中低频吸声有显著优势，马赫数为0.26的掠流速度下，相较于同等尺寸的双自由度声衬在500hz～1000hz范围内的平均传输损失提高6.5db。

21、3本发明同时兼顾了1000hz～2000hz范围的中频吸声，在马赫数为0.26的掠流下相较于同等尺寸的双自由度声衬的平均传输损失提高5.8db，实现了较宽频带的吸声。本发明考虑了掠流对声衬阻抗的影响进行设计，以达到声衬在掠流环境下依旧能有良好的声衰减表现，尤其是在500hz～1000hz的低频区域，同时也兼顾了1000hz～2000hz的较高频区间，实现掠流下较宽带的声衰减性能。相较于传统的双自由度声衬有显著的优势。厚度仅为40mm，属于深亚波长厚度，能够适用空间有限的应用场景，如飞机短舱等。我们通过实验，验证了该发明的声学性能。

22、4本发明设计的非均匀截面分布的结构特点，使声波在相同体积下的声传播路径更为复杂，使得声波的有效传播路径更长，声抗随频率变化变小，这实现了在薄的结构中的低频宽带吸声。