一种多级低频吸音装置及其参数取值方法与流程

本申请涉及吸音降噪，特别是涉及一种多级低频吸音装置及其参数取值方法。

背景技术：

1、随着铁路和公路运输系统中各类载运工具运营速度的不断提高，噪声作为其中的一类典型问题，已经成为影响“环境友好”，甚至制约轨道交通发展的关键因素。目前，各类载运工具均采用了吸声装置以削减车内噪声问题，提升司乘人员的乘车舒适性。

2、早期的吸声装置通常采用吸声泡沫或纤维材料，用于减少室内噪音和提高声音品质，但存在中低频范围内吸声性能较差且不能承受机械载荷的问题。随着科学和工程的不断进步，吸声超材料得以发展，其根本理念是通过设计和构建具有特殊声学性质的微观结构来实现超越自然材料的吸声性能。这些材料通常由复杂的结构单元组成，其尺度远小于声波的波长，使得声波在其中传播时发生多次反射和干涉，最终导致声音的高效吸收。

3、现有研究以微孔板共振吸声装置为主，通过改变结构通孔、腔体等几何条件增强结构声质量以实现高吸声系数。然而在低频区域，声波的波长相对较长，传统微孔板吸声装置在低频范围内工作频带窄，或吸收峰值之间存在较大吸收波谷，不能实现对声波的宽带连续准吸收。

4、一种常见技术是将几个具有准完美吸声特性的部件组合在一起，拼凑成一个宽频吸声带，然而，这样组合后的吸收峰值较低，并且这些设计要求吸声组件必须在指定频率下完美工作，使得宽频吸声特性受到极大的限制。

5、综上所述，在实际工程应用中，由于受空间尺寸、加工制备工艺、制造成本等限制，现有的吸声材料和结构往往难以实现低频宽带的吸声效果。目前，低频宽带高效吸声难题，正是噪声控制领域相关研究技术人员实际面临的亟待解决的突出问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明的目的为提供一种优异低频宽带吸声效果的多级低频吸音装置及其参数取值方法。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、一种多级低频吸音装置，包括微孔板、中间层和背板，所述中间层夹设于微孔板与背板之间，所述中间层设有至少一个腔室模块，各所述腔室模块包括多个并列设置且具有多级的腔室，所述微孔板设有多个通孔分别与各腔室相通，同级腔室具有相同的截面积，不同级腔室具有不同的截面积。

4、优选地，所述中间层包括多个腔室模块，相邻腔室模块相互拼接为一体。

5、优选地，所述背板的材料为金属、刚性复合材料或刚性高聚物。

6、优选地，所述每一级结构的通孔穿孔率不同，但都均匀分布。

7、优选地，所述腔室模块为在方形初始腔室结构的基础上，用边长更小的方形结构对方形的四个顶点进行替代，替代次数为级数i，形成多个具有不同共振频率的亥姆霍茨共振腔室。

8、优选地，所述微孔板上的通孔的大小与不同级数的方形腔室相匹配，以得到共振效应较弱即吸声系数较低的不同级亥姆霍茨谐振腔，这些弱共振腔的吸声系数分布于不同频率，通过相干耦合效应并联后实现低频连续宽带吸声。

9、一种如上所述的多级低频吸音装置的参数取值方法，包括：

10、步骤1，获得多级低频吸音装置的吸声系数相关指标；

11、步骤2，获得所述多级低频吸音装置在某一低频频率范围内的吸声系数优化目标；

12、步骤3，根据预期低频吸声频率范围确定初始方形腔室的边长l0、级数i、尺度因子λi，i为大于或等于2的自然数；

13、步骤4，选择声阻抗计算方法，构建多级低频吸音装置的每一级的声阻计算模型，构建多级低频吸音装置的整体吸声系数计算模型；

14、步骤5，提取决定所述多级低频吸音装置每一级吸声系数的微孔板几何参数；

15、步骤6，根据多级低频吸音装置的每一级的声阻计算模型判定所述声阻值小于1时的微孔板几何参数范围，确定微孔板通孔数目及孔径的取值下限；

16、步骤7，设定所述微孔板板厚、通孔数目和孔径的优化取值上下限；

17、步骤8，选择优化算法，进行优化算法求解器设置，设定容差及迭代上限；

18、步骤9，在多目标优化算法中设定目标函数，所述目标函数包括吸声系数的所有优化目标；

19、步骤10，实施优化算法迭代计算，得到所述多级低频吸音装置的微孔板预设参数；

20、步骤11，采用所述吸声系数计算模型验证所述微孔板预设参数下的多级低频吸音装置吸声系数表现；

21、步骤12，判断所述多级低频吸音装置是否满足设计目标，若是，输出所述预设计参数取值，完成对所述多级低频吸音装置的参数取值；若否，则回到步骤3，调整初始方形腔室的边长l0、级数i，再次进行步骤4至步骤11。

22、优选地，所述步骤3中，尺度因子λi在0.1～0.9区间取任意值。

23、优选地，所述步骤5中，所述方形腔室每一级的上部微孔板的几何参数，即通孔数目、孔径大小通过每一级结构的阻抗的实部real(zs)确定，每一级结构共振频率下的real(zs)<1。

24、优选地，所述步骤10中，优化算法为暴力搜索算法、基于梯度的优化算法、进化算法或局部搜索算法。

25、相对于现有技术，本发明多级低频吸音装置及其参数取值方法通过在中间层设有多个并列设置且具有多级的腔室，同级腔室具有相同的截面积，不同级腔室具有不同的截面积，而腔室的截面积不同造成了尺度效应，这种尺度效应下腔室共振频率不同，进而每个腔室在欠阻尼下共同通过相干耦合效应取得低频宽带优异吸声，包含工作频率低、工作带宽大、吸声峰连续特征。且腔室在平面方向进行扩展，高度较小，在实际工程应用不会发生尺寸受限，且平面方向可以采用拼接制备，设计容易，制备简单。

技术特征：

1.一种多级低频吸音装置，其特征在于，包括微孔板、中间层和背板，所述中间层夹设于微孔板与背板之间，所述中间层设有至少一个腔室模块，各所述腔室模块包括多个并列设置且具有多级的腔室，所述微孔板设有多个通孔分别与各腔室相通，同级腔室具有相同的截面积，不同级腔室具有不同的截面积。

2.如权利要求1所述的多级低频吸音装置，其特征在于，所述中间层包括多个腔室模块，相邻腔室模块相互拼接为一体。

3.如权利要求1所述的多级低频吸音装置，其特征在于，所述背板的材料为金属、刚性复合材料或刚性高聚物。

4.如权利要求1所述的多级低频吸音装置，其特征在于，所述每一级结构的通孔穿孔率不同，但都均匀分布。

5.如权利要求1至4任一所述的多级低频吸音装置，其特征在于，所述腔室模块为在方形初始腔室结构的基础上，用边长更小的方形结构对方形的四个顶点进行替代，替代次数为级数，形成多个具有不同共振频率的亥姆霍茨共振腔室。

6.如权利要求5所述的多级低频吸音装置，其特征在于，所述微孔板上的通孔的大小与不同级数的方形腔室相匹配，以得到共振效应较弱即吸声系数较低的不同级亥姆霍茨谐振腔，这些弱共振腔的吸声系数分布于不同频率，通过相干耦合效应并联后实现低频连续宽带吸声。

7.如权利要求5或6所述的多级低频吸音装置的参数取值方法，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的多级低频吸音装置的参数取值方法，其特征在于，所述步骤3中，尺度因子λi在0.1～0.9区间取任意值。

9.如权利要求7所述的多级低频吸音装置的参数取值方法，其特征在于，所述步骤5中，所述方形腔室每一级的上部微孔板的几何参数，即通孔数目、孔径大小通过每一级结构的阻抗的实部real(zs)确定，每一级结构共振频率下的real(zs)<1。

10.如权利要求7所述的多级低频吸音装置的参数取值方法，其特征在于，所述步骤10中，优化算法为暴力搜索算法、基于梯度的优化算法、进化算法或局部搜索算法。

技术总结
本申请公开了一种多级低频吸音装置，包括微孔板、中间层和背板，所述中间层夹设于微孔板与背板之间形成腔室，所述中间层设有至少一个腔室模块，各所述腔室模块包括多个并列设置且具有多级的腔室，所述微孔板设有多个通孔分别与各腔室相通，同级腔室具有相同的截面积，不同级腔室具有不同的截面积，而腔室的截面积不同造成了尺度效应，这种尺度效应下腔室共振频率不同，进而每个腔室在欠阻尼下共同通过相干耦合效应取得低频宽带优异吸声，包含工作频率低、工作带宽大、吸声峰连续特征。所述多级低频吸音装置的腔室在平面方向进行扩展，不会增加高度方向尺寸，高度小、质量轻。本申请还提供一种如上所述的多级低频吸音装置的参数取值方法。

技术研发人员：刘慧芳,朱颖谋,廖致远,施柱,蒋忠城,邓江明,李中意,熊涵予,韩宏杰
受保护的技术使用者：中车株洲电力机车有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17