气动降噪单元、气动降噪超表面及气动降噪单元设计方法

1.本发明涉及气动降噪技术领域，特别是涉及一种气动降噪单元、气动降噪超表面及气动降噪单元设计方法。


背景技术：

2.速度的不断提高使得空气与蒙皮表面间的相互作用越来越突出，湍流边界层压力波动引起的流激气动噪声控制问题在车辆动力学、飞机座舱噪声、流激振动等诸多工程应用中具有重要意义。近年来，声学超材料的迅速发展为低频噪声控制提供了新途径。赫姆霍兹减振器作为一种经典的吸声降噪结构，其在噪声控制方面的广泛应用激发了对其声学特性的大量研究，例如无流体流动的自由诱导下，通常设计界面处减振器与介质的阻抗匹配实现完美声吸收，并采用多个失谐谐振器以及谐振器与微穿孔板结合实现连续宽带控制。然而，在平均流量、自持振荡和高速压力波动等实际情况中，流激共振变得越来越显著。脖子界面剪切层形成的不稳定涡流是引起流激共振的主要原因，而界面剪切层涡流的大小及其发展主要受减振器和流动特性的影响。流激共振的控制通常采用主动和被动控制两种方式，主动控制主要是通过涡流发生器、扬声器以及质量注入槽等抑制剪切层的不稳定性。但这种方式往往需要引入外部能源，加之控制装置比较复杂，因此其应用程度比较受限。而被动控制主要是通过改变自身结构从而调节剪切层的固有属性。大量数据显示，通过改变赫姆霍兹减振器脖子的形状、尺寸和结构均可以显著抑制界面处的压力波动并降低流声耦合系统的不稳定性，从而控制流激共振。同时大量研究也表明，减振器的声衰减随着流量的增加而成比减小，具体表现为声阻抗及其峰值频率的增加，以及传输损耗的减少。若将流体流量增加引起声衰减的削弱使得声阻抗及其峰值频率的增幅显著增加定义为高流量敏感型减振器，反之将流体流量增加导致声阻抗及其峰值频率的增幅非常小或几乎为零称之为低流量敏感型减振器。换句话说，随着流量不断增加，流动对赫姆霍兹谐振器声衰减的削弱越来越强，采用阻抗匹配法实现流动噪声源的声吸收显然是不可行的。壁边界条件定义声阻抗为边界处声压与声速的比值，当边界处声阻抗为零时，声压也将为零，此时流场的压力脉动将不再激发声压扰动。然而，流量的不断增加使得流动对减振器声衰减的影响越大，阻抗及其峰值频率的增幅也随之越大，可见，减振器的高流动敏感性与流激气动噪声的控制是相矛盾的。赫姆霍兹减振器的敏感性越高，流动对其声衰减的削弱作用越强，声压抑制作用越弱，气动降噪的效果也更差。若要实现气动噪声的有效控制就要解决流量增加对减振器声衰减影响的高敏感性问题。本发明针对流动与物体表面相互作用引起的中低频流激气动噪声源的宽带控制与传统赫姆霍兹减振器声衰减受流动影响的高敏感性及其窄带宽效率之间的矛盾，提出一种气动降噪单元、气动降噪超表面及气动降噪单元设计方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种气动降噪单元、气动降噪超表面及气动降噪单元设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，可减少声质量使可降噪的频带宽度显著增加，有利于
实现宽带控制，并减少宽带控制时耦合的吸声元胞数目，在入射流作用下，较传统赫姆霍兹减振器的流动敏感性更低，有利于更低频气动噪声的有效控制。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供一种气动降噪单元，包括多个吸声元胞，所述吸声元胞沿一直线排布，相邻的两个所述吸声元胞之间的间距相同，所述吸声元胞包括变截面通道和空腔，所述变截面通道的一端和所述空腔连通，另一端为声波入口；所述变截面通道包括多个子通道，同一个所述变截面通道中的多个所述子通道的截面积沿着远离所述空腔的方向逐渐增大；多个所述吸声元胞的结构参数不完全相同或均不相同。
6.优选的，各所述子通道均为圆柱形通道，同一个所述变截面通道中的多个所述子通道同轴。
7.优选的，所述空腔的截面为正方形、矩形、三角形或圆形。
8.优选的，各所述子通道的直径不小于0.5mm，且不大于空腔边长。
9.优选的，各所述空腔的截面形状大小相同。
10.优选的，所述吸声元胞采用3d打印技术制造。
11.本发明还提供了一种气动降噪超表面，包括多个如上所述的气动降噪单元，多个所述气动降噪单元周期性阵列形成所述气动降噪超表面。
12.本发明还提供了一种如上所述的气动降噪单元的设计方法，包括：
13.步骤一、建立流声耦合仿真模型准确预测气动噪声源的分布特性；
14.步骤二、根据气动噪声源的分布特性得到噪声能量的分布范围，根据噪声能量的分布范围，确定适应于该气动噪声源的气动降噪单元由多少个吸声元胞组成；
15.步骤三、设计不同频段对应的各吸声元胞的结构参数使其流动敏感性尽可能的低；
16.步骤四、利用多个吸声元胞并联而成的气动降噪单元经周期性阵列构建气动降噪超表面，并对气动降噪超表面的气动降噪效果进行测试。
17.优选的，在所述步骤三中，通过对各吸声元胞均进行多种不同结构参数的仿真，然后分析吸声元胞结构参数与吸声元胞流动敏感性之间的关系，设计吸声元胞的结构参数以实现各不同频段对应吸声元胞结构的流动敏感性最小或接近于零，即流量增加时结构界面处声阻抗及其峰值频率的增幅最小或趋近于零。
18.优选的，所述步骤二和步骤三具体包括：首先，在无流动激扰时，理论推导吸声元胞结构的面平均声阻抗计算公式，理论和仿真分析该吸声元胞结构的声学特性并与相同条件下的hr对比，详细分析变截面通道参数、空腔参数和相邻吸声元胞之间的间距对该吸声元胞结构带宽特性的影响；其次，在入射流作用下，分析吸声元胞参数和流量变化对吸声元胞结构的流动敏感性的影响并与hr对比；然后，考虑噪声源的能量分布范围，结合结构参数和流量对吸声元胞的带宽特性及峰值频率的影响，就可确定宽带控制所需的吸声元胞数目；最后，在确定吸声元胞的数目后，依据流量和结构参数对吸声元胞流动敏感性的影响，设计吸声元胞的结构参数以实现各不同频段对应吸声元胞结构的流动敏感性最小或接近于零，即流量增加时结构界面处声阻抗及其峰值频率的增幅最小或趋近于零。
19.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
20.本发明提供的气动降噪单元较常规的赫姆霍兹减振器具有更低的流动敏感性，这
主要归因于变截面通道使得结构内部与外部流场的相互作用增强，结构内部流体流动对外部流场的影响增强，换言之，变截面通道外部主流场对结构内部的影响减小，使得变截面通道内部流体流动速度显著增强从而由外部流场流量增加引起的界面平均声阻抗增幅减小，同时变截面通道有效长度增加且声质量增大，阻抗峰随流量增长的频移得到抑制，且经过仿真和测试均表明，该气动降噪单元表面实现了50m/s速度下1330-4980hz范围内气动噪声的连续控制，声压级平均降低4.25db；且在无流动的自由诱导时，在保持空腔参数与传统赫姆霍兹减振器的空腔参数以及变截面通道总高度和传统赫姆霍兹减振器的恒截面通道高度一致的前提下，本发明提供的变截面通道可减少声质量使可降噪频带宽度显著增加，有利于实现宽带控制，并减少宽带控制时耦合的元胞数目。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
22.图1为本发明提供的吸声元胞的结构示意图；
23.图2为图1中吸声元胞内部结构示意图；
24.图3为不同速度和结构参数时本发明实例中元胞结构和hr的流动敏感性比较分析示意图；
25.图4为本发明提供的气动降噪单元的结构示意图；
26.图5为图4中气动降噪单元内部结构示意图；
27.图6为本发明提供的气动降噪超表面的结构示意图；
28.图7为本发明实例中所述的气动降噪超表面与光滑界面仿真和实测气动噪声级比较示意图；
29.图中：1-变截面通道、2-空腔、3-子通道、4～8分别为第1到第5号吸声元胞、9-气动降噪单元、10-气动降噪超表面。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
31.本发明的目的是提供一种气动降噪单元9、气动降噪超表面10及气动降噪单元9设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，可减少声质量使可降噪的频带宽度显著增加，有利于实现宽带控制，并减少宽带控制时耦合的吸声元胞数目，在入射流作用下，较传统赫姆霍兹减振器的流动敏感性更低。
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
33.实施例一
34.本实施例提供一种气动降噪单元9，如图1～图7所示，包括多个吸声元胞，多个吸声元胞沿一直线并列排布，相邻的两个吸声元胞之间的间距相同，吸声元胞包括变截面通道1和空腔2，变截面通道1的一端和空腔2连通，另一端为声波入口；变截面通道1包括多个子通道3，同一个变截面通道1中的多个子通道3的截面积沿着远离空腔2的方向逐渐增大；多个吸声元胞的结构参数不完全相同或均不相同。
35.本实施例提供的气动降噪单元9较常规的赫姆霍兹减振器具有更低的流动敏感性，这主要归因于变截面通道1使得结构内部与外部流场的相互作用增强，结构内部流体流动对外部流场的影响增强，换言之，变截面通道1外部主流场对结构内部的影响减小，使得变截面通道1内部流体流动速度显著增强从而由外部流场流量增加引起的界面平均声阻抗增幅减小，同时变截面通道1有效长度增加且声质量增大，阻抗峰随流量增加的频移得到抑制，且经过仿真和测试均表明，该气动降噪单元9形成的表面实现了50m/s速度下1330-4980hz范围内的连续控制，声压级平均降低4.25db；且在无流动的自由诱导时，在保持空腔2参数与传统赫姆霍兹减振器的空腔2参数以及变截面通道1总高度和传统赫姆霍兹减振器的恒截面通道高度一致的前提下，本发明提供的变截面通道1可减少声质量使频带宽度显著增加，有利于实现宽带控制，并减少宽带控制时耦合的元胞数目。
36.进一步的，各子通道3均为圆柱形通道，同一个变截面通道1中的多个子通道3同轴。
37.进一步的，空腔2的截面为正方形、矩形、三角形或圆形，无论选取何种截面，各空腔2的截面形状大小保持一致，以简化设计制造过程，空腔2和变截面通道1均以相应结构的内壁尺寸为准。
38.进一步的，各子通道3的直径不小于0.5mm，且不大于空腔边长。
39.进一步的，吸声元胞采用3d打印技术制造。
40.本实施例针对中低频流激气动噪声的宽带控制与传统赫姆霍兹减振器受流动影响的高敏感性及其窄频带吸声相矛盾的问题，通过将传统赫姆霍兹减振器的单一孔脖子(即恒截面通道)改进为多层变截面孔脖子(即变截面通道1)形成具有更大带宽和更低流动敏感性的新型赫姆霍兹吸声元胞，经过多吸声元胞并联耦合设计形成宽带气动降噪单元9，最终将气动降噪单元9经过周期性阵列形成超表面结构。如图1所示以两层变截面孔脖子为例进行介绍，所述的任一吸声元胞均由一个两层变截面圆柱孔的脖子和一个正方形截面空腔2组成，首先，采用阻抗传递矩阵法和平面波展开法可理论推导该吸声元胞结构和hr的面声阻抗公式，并分别理论计算他们的声阻抗(如图3中圆形空心符号线所示)。同时对无流动时该元胞结构和hr的声阻抗仿真(如图3中圆形实心符号线所示)并与理论结果对比分析。由于多层变截面孔脖子使得结构声质量减小，因此其峰值带宽相较于传统赫姆霍兹减振器显著加宽。在其它参数相同的条件下，上层脖子孔径d
44
＝1.36mm且阻抗值等于0.5时的带宽较hr加宽35.5％。在此基础上重点分析入射流作用且速度由0m/s增加到50m/s时该元胞和hr的流动敏感性(如图3(a)-(c)中的圆形半空心符号线所示)。速度由0m/s增大到50m/s时，hr的阻抗峰值由0.11增加到1.375，增幅为1.265，对应阻抗峰的频率由2230hz移动到2310hz，频移为80hz。hr阻抗幅值的增加是由于流量增加使得结构界面处声速显著减小而声压几乎不变造成的(如图3(a)-(c)中三角形符号线和虚线所示)，阻抗峰频率的增加是由于流量增加使得结构与外部流场的相互作用减弱，脖子的有效长度减小使声质量减小造成
的。而上层脖子直径d
44
＝1.36mm的元胞结构在速度由0m/s增加到50m/s时的阻抗峰增幅为0.371，阻抗峰对应的频移仅为5hz，其阻抗峰值及其频率的增幅较hr分别降低了70.7％和93.8％，并可通过结构参数优化进一步最小化。可见，该变截面多层孔新型赫姆霍兹减振器相较于hr具有更低的流动敏感性，这主要归因于变截面多层孔脖子使得结构内部与外部流场的相互作用增强，结构内部流体流动对外部流场的影响增强，换言之脖子外部主流场对结构内部的影响减小，脖子有效长度增加且声质量增大，阻抗峰随速度增长的频移得到抑制。且由图3(a)-(c)三角形符号线可知，d
44
＝1.36mm且速度为50m/s时该结构界面处的平均声速较hr显著增大，因此由外部流场流量增加引起的界面平均声阻抗的增幅减小。
41.本发明提供的气动降噪单元9中的每一个元胞结构均可等效为质量弹簧系统，结构的声阻ri、声质量mi和共振频率fi分别表示为：
[0042][0043][0044][0045]
且带宽、声阻和声质量之间的关系可表示为δfi＝ri/2πmi，其中r
nii
、r
ni
和r
ci
分别为上、下层脖子和空腔2的声阻，m
nii
、m
ni
和m
ci
分别为上、下层脖子和空腔2的声质量，ρ0和c0分别为空气介质密度和声速，μ为动力粘度系数，χ
ii
和χi为穿孔常数，z
ci
为空腔的面平均声阻抗，v
ci
和s
ci
分别为空腔2的体积和截面积，和为分别为上、下层孔的吸收面积比，定义为上、下层脖子的面积与入射面积的比值。通过理论和仿真分析元胞的结构参数和流动速度对结构的带宽特性和低流动敏感性的影响。其中，增大脖子的直径，阻抗峰值减小，带宽变宽，而阻抗峰向更高频移动，且速度增长对阻抗峰增幅和频移的影响减小。增大脖子长度，阻抗峰值减小且向更低频移动，由于声质量增大带宽变窄，且速度增长对阻抗峰和频移的影响减小。随着空腔2的边长和深度的增加，阻抗峰逐渐减小且均向更低频移动。且腔越深，带宽越窄，速度增长对阻抗峰增幅的影响减小。而腔边长越大，带宽越宽，速度增长对阻抗峰增幅和频移的影响也越大。在脖子参数和腔参数保持恒定时，减小元胞周期数(将方形空腔2的边长与相邻两个吸声元胞间距之和定义为元胞周期数)，阻抗峰显著减小，带宽大幅变宽，速度对阻抗峰增幅的影响大幅减小，而元胞周期数和速度对阻抗峰频率的影响均较小。最终通过严格设计结构的几何参数，就可得到具有更低流动敏感性和更大带宽的元胞结构以实现壁声压的宽带有效抑制。
[0046]
在此基础上，综合考虑流量和结构参数对元胞声学性能的影响以及加工精度对结构参数优化的限制并结合噪声能量的分布范围，首先确定了构成宽带控制基本单元由5个不同的元胞结构并联而成。其次，设计不同频段对应的各元胞的结构参数使其流动敏感性尽可能的低，从而控制50m/s速度时结构所在界面处声压尽可能接近于零，以实现壁面流激气动噪声的有效控制。最终通过严格设计各元胞结构参数，确定了50m/s速度时分别对应频率2750hz、1600hz、2300hz、3750hz和4100hz的壁声压接近于零的4、5、6、7和8号元胞如图4和图5所示，且各元胞的详细尺寸参数见表1。仅通过设计得到5个元胞并联耦合形成255mm
厚的低流动敏感性宽带气动降噪单元9如图4和5所示，将该气动降噪单元9沿着x轴方向和y轴方向分别进行11组和5组阵列得到低流动敏感性宽带气动降噪超表面结构如图6所示。图7所示为50m/s时本发明该优选实例中超表面与光滑界面相比较的仿真和实测声压级，实验中的样品通过3d打印采用光敏树脂材料加工而成，并进行了风洞实验测试。仿真和测试结果均表明，该低流动敏感性宽带气动降噪超表面实现了50m/s速度下1330-4980hz范围内的连续控制，声压级平均降低4.25db。
[0047]
表1.构成一个气动降噪单元9的各吸声元胞详细尺寸参数(单位：毫米)
[0048][0049][0050]
注：2ai为方形空腔2边长，ii为元胞周期，hi为方形空腔2高度，di为下层子通道直径，hi为下层子通道长度，d
ii
为上层子通道直径，h
ii
为上层子通道长度。
[0051]
实施例二
[0052]
本实施例提供了一种气动降噪超表面10，包括多个实施例一中所述的气动降噪单元9，多个气动降噪单元9经周期性阵列形成气动降噪超表面10。
[0053]
本实施例提供的气动降噪超表面10具备实施例一中所述的气动降噪单元9的所有的优势，在此不再赘述。
[0054]
实施例三
[0055]
本实施例提供了一种实施例一中的气动降噪单元9的设计方法，包括：
[0056]
步骤一、建立流声耦合仿真模型准确预测气动噪声源的分布特性；
[0057]
流声是指流场和声场，建立流声耦合仿真模型过程主要包括三个过程，首先是流场建模和流场特性分析，其次是流场和声场耦合，最后是声场模型建立，并进行声场特性分析；
[0058]
具体的，首先，计算雷诺数判断流动的性质并选取合理的建模方法，建立准确的计算流体动力学模型对结构周围以及结构内部的流场特性进行分析。经流体动力学模型计算就可得到压力、速度和动力粘度等流场变量。其次，将流场变量输入到声学模型中求解声学问题，并通过线性navier-stoke方程求解声学模型。最后，通过流声耦合仿真预测气动噪声源的能量分布，确定气动噪声控制的频谱特性范围。
[0059]
步骤二、根据气动噪声源的分布特性得到噪声能量的分布范围，根据噪声能量的分布范围，确定适应于该气动噪声源的气动降噪单元9由多少个吸声元胞组成；
[0060]
步骤三、设计不同频段对应的各吸声元胞的结构参数使其流动敏感性尽可能的低；
[0061]
步骤四、利用多个吸声元胞并联而成的气动降噪单元9经周期性阵列构建气动降噪超表面10，并对气动降噪超表面10的气动降噪效果进行测试；
[0062]
在确定构成气动降噪单元9的吸声元胞数目和各吸声元胞的结构参数后，就可将不同的吸声元胞经过并联耦合组成一个气动降噪单元9，不同吸声元胞间的距离保持恒定值。并将该气动降噪单元9进行阵列，最终得到由周期性分布的耦合单元阵列构成的低流动敏感性宽带气动降噪超表面结构。一方面，利用流声耦合仿真分析该超表面的气动降噪效果。另一方面，对设计得到的超表面的气动降噪效果进行测试，超表面的加工通过高精度的3d打印(增材制造)实现，而实验测试是设计风洞试验进行验证。
[0063]
进一步的，在步骤三中，通过对各吸声元胞均进行多种不同结构参数的仿真，然后分析吸声元胞结构参数与吸声元胞流动敏感性之间的关系，设计吸声元胞的结构参数以实现各不同频段对应吸声元胞结构的流动敏感性最小或接近于零。
[0064]
进一步的，步骤二和步骤三具体包括：首先，在无流动激扰时，理论推导吸声元胞结构的面平均声阻抗计算公式，理论和仿真分析该吸声元胞结构的声学特性并与相同条件下的hr(即传统的赫姆霍兹减振器)对比，详细分析变截面通道1参数、空腔2参数和相邻吸声元胞之间的间距对该吸声元胞结构带宽特性的影响；其次，在入射流作用下，分析吸声元胞参数和流量变化对吸声元胞结构的流动敏感性的影响并与hr对比；然后，考虑噪声源的能量分布范围，结合结构参数和流量对吸声元胞的带宽特性及峰值频率的影响，就可确定宽带控制所需的吸声元胞数目；最后，在确定吸声元胞的数目后，依据流量和吸声元胞结构参数对吸声元胞流动敏感性的影响，设计吸声元胞的结构参数以实现各不同频段对应吸声元胞结构的流动敏感性最小或接近于零，即流量增加时结构界面处声阻抗及其峰值频率的增幅最小或趋近于零。
[0065]
注：设计得到的吸声元胞的结构参数不唯一，不同的结构参数相匹配有可能会得到相同的气动降噪效果，这是因为各吸声元胞的气动降噪效果是由变截面通道和空腔两个结构相配合降噪的结果。
[0066]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。