一种组合式亚波长宽带通气低频降噪装置及其设计方法

本发明涉及低频通气管路降噪领域，尤其涉及一种组合式亚波长宽带通气低频降噪装置及其设计方法。

背景技术：

1、随着现代工业和科学技术的飞速发展，现代化进程中产生了大量的环境污染，噪声污染逐渐成为现代化进程的主要环境污染之一。如各种高效率机械不断被研发制作并应用在行业领域内，机械使用伴随而来的噪声严重污染环境。因此，对机械设备进行降噪处理显得尤为必要，而机械运作需要气流流通散热，因此在降噪处理的同时也需保证通风顺畅。现有的通风降噪结构一般开设多个通风孔，由多层蜂窝状吸音材料构成，但此结构对噪音的吸收量有限，对于长期发出噪音的设备来说降噪效果不是很好。

2、同时，噪音也是日常生活中常见的现象，如何降低噪音也成为声学领域研究的热门问题。低频噪声主要是指频率在500hz以下的噪声，其具有波长较长、穿透性强和不易衰减的特性，如何高效地降低低频噪声成为噪声控制的主要难题。对于低频吸声，虽然有微穿孔板和多孔吸声材料，但这些方法是通过增加材料的厚度和背腔的深度来吸收低频噪声，使得该降噪装置往往大而笨重，在尺寸约束的低频通气管路吸声降噪中难以应用。

3、为了进一步在体积和质量第一来优化降噪且考虑装置的通气性能，可通过构造声学超材料来解决这一问题。对于声学共振型超材料，如专利号为cn 106098051a申请中公开的技术方案，采用的是传统的声学共振腔设计，膜腔耦合的薄膜位于腔体颈部，这种设计则会阻挡声波进入腔体内部；在功能方面，该方案中在低频处实现了消声，但仅实现了单频消声，且吸声频带窄，仅仅只在共振处才有好的吸声效果，偏离共振频率时吸声效果衰减很快；且体积通常较大，这对于其在一些空间有限的场合的应用造成了限制。对于薄板型声学材料，如专利号为cn107170437a申请中公开的技术方案，主要通过具有不同动态特征的超材料器件实现宽频隔声，无法实现通气降噪。对于主动控制型声学超材料，如专利号为cn112037750a的申请中公开的技术方案，则需要配备复杂的控制系统，这不仅增加了系统的复杂度，也提高了成本：其稳定性和可靠性也是一大挑战，任何控制系统的故障都可能导致材料失效。在考虑吸声性能的同时，材料的通风性能也一直是值得研究的问题。而通风吸声结构如专利号为cn210865606u的申请中公开的技术方案，采用吸声板组合而成吸声盒，每个吸声盒第一开有通风口，吸音盒内开设有通风吸音腔，通过声与环形通道的弹性片相互作用，实现能量转换及声隔离，无法对特定频率形成高性能降噪装置。现有技术中的吸声超材料大多数有密封的硬壁作为背板，用于消除传输，为刚性壁单端口系统；各种膜类超材料虽然没有使用密封硬壁作为背板，但薄膜本身阻隔了气流的自由流通，实质也是单端口系统。但是在日常生活和工业生产的实际应用中，噪音的产生大多来自于背景流体的流通，比如：空调通风管道、喷嘴和涡轮机；为了保证这类设备装置的正常工作，流体必须具有自由通过的传输通道，即双端口系统，吸声材料在双端口系统的吸收率通常不能超过50％，更难以实现宽带的有效吸声。因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种组合式亚波长宽带通气低频降噪装置及其设计方法。

2、技术方案：本发明所述的装置包括前面板、第一、第二两层结构以及底板，第一层结构为fp通道结构，第二层结构为fp通道结构或者内嵌式声学共振结构，第一、第二两层结构采用平面耦合的方式，中间部分设置通气口，前面板上设有多个开口，从上到下依次为前面板-第一层结构-底板-第二层结构-底板，第一层fp通道结构、第二层fp通道结构构成基于fp通道理论吸声结构，第一层fp通道结构、第二层内嵌式声学共振结构构成组合式结构。

3、进一步地，所述第一层fp通道结构包括通道内挡板、多个开口，通道内挡板用于调节通道长度，外界空气通过开口与第一层内部通道联通，形成多个亚波长吸声单元，开口设于上方。

4、进一步地，所述第二层fp通道结构包括通道内挡板、多个开口，通道内挡板用于调节通道长度，外界空气通过开口与第一层内部通道联通，形成多个亚波长吸声单元，开口设于通道侧边。

5、进一步地，所述内嵌式声学共振结构包括内嵌式腔体和圆形空心导管，形成多个谐振频率不同的吸声单元。

6、进一步地，所述内嵌式声学共振结构侧边设置的开口与圆形空心导管相连。

7、进一步地，所述圆形空心导管的参数包括管径、管长。

8、进一步地，所述内嵌式腔体的参数包括长度、宽度和高度。

9、进一步地，所述内嵌式声学共振结构的耦合吸声系数表示为：

10、

11、其中，z0＝ρ0c0是空气的特性阻抗，ρ0和c0分别是空气密度和声速，zall为耦合结构的总表面阻抗，耦合结构由n个等宽吸声单体组成，n＝3，4，5…，zall表示为：

12、

13、其中，n为大于2的整数，zn表示第n个吸声单体的表面声阻抗，当耦合结构的总表面阻抗zall和空气阻抗z0匹配时，α表达式中分数部分分子为0，吸声系数β＝1时，阻抗匹配，即吸声单元达到完美吸声。

14、所述设计方法包括如下步骤：

15、(1)建立模型，前面板和底板使用长方体作为基本体素，内嵌的空心圆形导管使用圆柱体作为基本体素，在工作平面第一画出底部直线，再通过拉伸得到目标腔体壁；

16、(2)定义材料属性，吸声单元的前面板、内部腔体壁、内嵌的空心圆形导管和底板为硬声场边界；吸声单元的前面板入口、内嵌的空心圆形导管通道、腔体内部等区域内部流体定义为空气域；

17、(3)添加对应的物理场和边界条件，物理场包括压力声学和热粘性声学两种物理场，将压力声学各个域的边界处定义为硬声场边界，将底板四周定义为固定约束，在物理场结合的地方设置声-热粘性声学边界耦合；

18、(4)剖分网格，完美匹配层、吸声单元前面板入口以及底板均采用扫掠网格，背景压力场域和剩余的压力声学域采用自由四面体网格；

19、(5)添加相应的研究，探究基于fp通道理论吸声结构中内部通道长度对吸声性能的影响。

20、进一步地，所述步骤(4)采用自由四面体网格，其中网格单元尺寸小于结构最大波长的1/6。

21、有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

22、本发明提出的低频吸声降噪装置的单个吸声单元是亚波长，基于fp通道理论的结构，具有轻薄可通气等特点，采用平面耦合的方式在节约空间的同时可最大化器件的吸声效果；提出的宽带低频吸声降噪装置，基于吸声理论，可以根据目标频率设计出结构所对应的参数：且第一层结构在前面板的设计能够极大程度提高吸声性能，实现宽带高性能吸声，在60hz带宽实现对声能90％以上的吸收。

技术特征：

1.一种组合式亚波长宽带通气低频降噪装置，其特征在于：包括前面板(1)、第一、第二两层结构以及底板(3)，第一层结构为fp通道结构(2)，第二层结构为fp通道结构(6)或者内嵌式声学共振结构(5)，第一、第二两层结构采用平面耦合的方式，中间部分设置通气口(4)，前面板(1)上设有多个开口(7)，从上到下依次为前面板(1)-第一层结构-底板(3)-第二层结构-底板(3)，第一层fp通道结构(2)、第二层fp通道结构(6)构成基于fp通道理论吸声结构，第一层fp通道结构(2)、第二层内嵌式声学共振结构(5)构成组合式结构。

2.根据权利要求1所述的组合式亚波长宽带通气低频降噪装置，其特征在于：所述第一层fp通道结构(2)包括通道内挡板、多个开口(7)，通道内挡板用于调节通道长度，外界空气通过开口(7)与第一层内部通道联通，形成多个亚波长吸声单元，开口(7)设于上方。

3.根据权利要求1所述的组合式亚波长宽带通气低频降噪装置，其特征在于：所述第二层fp通道结构(6)包括通道内挡板、多个开口(7)，通道内挡板用于调节通道长度，外界空气通过开口(7)与第一层内部通道联通，形成多个亚波长吸声单元，开口(7)设于通道侧边。

4.根据权利要求1所述的组合式亚波长宽带通气低频降噪装置，其特征在于：所述内嵌式声学共振结构(5)包括内嵌式腔体和圆形空心导管，形成多个谐振频率不同的吸声单元。

5.根据权利要求1所述的组合式亚波长宽带通气低频降噪装置，其特征在于：所述内嵌式声学共振结构(5)侧边设置的开口(7)与圆形空心导管相连。

6.根据权利要求4所述的组合式亚波长宽带通气低频降噪装置，其特征在于：所述圆形空心导管的参数包括管径、管长。

7.根据权利要求4所述的组合式亚波长宽带通气低频降噪装置，其特征在于：所述内嵌式腔体的参数包括长度、宽度和高度。

8.根据权利要求1所述的组合式亚波长宽带通气低频降噪装置，其特征在于：所述内嵌式声学共振结构(5)的耦合吸声系数表示为：

9.一种组合式亚波长宽带通气低频降噪装置的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

10.根据权利要求1所述的组合式亚波长宽带通气低频降噪装置的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)采用自由四面体网格，其中网格单元尺寸小于结构最大波长的1/6。

技术总结
本发明公开了一种组合式亚波长宽带通气低频降噪装置及其设计方法，所述装置包括前面板、第一、第二两层结构以及底板，第一层结构为FP通道结构，第二层结构为FP通道结构或者内嵌式声学共振结构，第一层FP通道结构、第二层FP通道结构构成基于FP通道理论吸声结构，第一层FP通道结构、第二层内嵌式声学共振结构构成组合式结构；所述设计方法包括建立模型，定义材料属性，添加对应的物理场和边界条件，剖分网格，添加相应的研究。本发明具有轻薄可通气等特点；采用平面耦合的方式在节约空间的同时可最大化器件的吸声效果；基于吸声理论，可以根据目标频率设计出结构所对应的参数；在60Hz带宽实现对声能90％以上的吸收。

技术研发人员：袁明,雷骏,朱波,张文龙,吕沁源
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/9