一种多单元耦合式微穿孔板低频宽带吸声结构及其设计方法与流程

本发明涉及低频减振降噪领域，具体为一种多单元耦合式微穿孔板低频宽带吸声结构及其设计方法。

背景技术：

噪声污染目前已经成为当今世界的四大污染之一，对人体健康造成很大的危害，严重影响了人们日常生活品质，其中以低频噪声(200hz～1500hz)产生的危害最大。而传统的吸声材料(如微穿孔板和多孔材料等)对低频声波的耗散效率较低，要实现完全吸收低频声波，其结构厚度尺寸很庞大(20cm以上)，无法进行工程应用。因此，设计一种小尺寸(10cm以下)的吸声结构来有效吸收低频声波具有重要意义。

近年来，声学超材料的快速发展为解决低频噪声问题提供了新的途径，其中空间折叠型超材料凭借优异的低频特性引起了研究人员的关注。空间折叠型超材料是一种共振型超材料，通过在其背腔内部添加隔板等方式，使得传播路径发生弯曲折叠，从而减小传播路径的截面积，增加其路径长度，降低背腔等效弹簧刚度，最终可以在保证结构背腔容积体积的情况下，使得吸声峰值大幅度向低频移动。但是，由于共振特性的限制，其峰值带宽较窄，无法满足宽带吸声的需求。目前实现宽带吸声最有效的办法就是引入多个吸声单元，继而获得由多个峰值组成的连续吸声宽带。但是单元数量受到结构平均阻抗的限制，只能在一定范围内取值，峰值数量和吸声带宽也会受限，仍然无法很好的解决在限定尺寸范围内的低频宽带吸声问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种多单元耦合式微穿孔板低频宽带吸声结构及其设计方法，结构紧凑，设计合理，吸声带宽大，宽带连续，满足吸声需求。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种多单元耦合式微穿孔板低频宽带吸声结构，包括并列连续设置的多个吸声单元，所述的吸声单元包括微穿孔板和背腔；

所述的背腔的前端开口，设置微穿孔板，后端封闭设置形成空腔；

所有吸声单元的微穿孔板共面设置，所有吸声单元的一阶峰值和至少一个吸声单元的至少一个高阶峰值均匀连续分布，在中低频范围内形成一个连续的多峰值吸声宽带。

优选的，相邻的吸声单元中厚度较大的吸声单元背腔进行空间折叠，后端弯折延伸至厚度较小的吸声单元下方。

优选的，所述的微穿孔板上的穿孔均匀分布。

进一步，所述的微穿孔板穿孔的形状为圆形、方形、三角形或椭圆形，穿孔直径为0.5mm～1mm，穿孔的穿孔率为1％～15％，微穿孔板10的厚度为0.5mm～2mm；当穿孔为非圆形时，直径指代穿孔的外接圆直径。

优选的，并列连续设置的4-12个吸声单元。

优选的，背腔的截面为多变形、圆形或不规则封闭曲线，吸声单元的背腔截面积为100mm²～1×10⁴mm²。

优选的，还包括由单元间隔板交叉形成的结构框架，用于将每个吸声单元隔离开；结构框架设置有封闭的外壳，外壳对应微穿孔板的一端设置有与微穿孔板一一对应的开口。

优选的，结构框架与微穿孔板采用金属、硬质塑料及树脂，由3d打印或者模具加工制成。

一种如上任意一项所述多单元耦合式微穿孔板低频宽带吸声结构的设计方法，包括，

步骤1，模型设置；

将吸声结构的每个吸声单元等效成质量弹簧系统，其中，等效质量来源于微穿孔板的穿孔内的空气质量，等效阻尼来源于穿孔壁的阻尼效果，等效弹簧刚度是背腔内部的空气刚度；通过调节不同吸声单元的结构参数，得到不同频率的吸声峰值；所述的结构参数包括微穿孔板的参数和背腔的参数；微穿孔板的参数包括穿孔的直径、深度和微穿孔板上的穿孔率；背腔的参数包括由截面积和深度两个参数决定的背腔容积；

步骤2，吸收峰数量确定；

根据m个吸声单元的所有吸声峰在目标频段(fa～fb)内需连续均匀分布的要求，得到峰值数量n＝(fa-fb)/δb，其中δb为峰值带宽；

步骤3，吸收单元结构参数确定；

第一，确定一个吸声单元的结构参数，使得其一阶峰值频率为fa及目标频段内相应的高阶峰值频率，然后设计其他单元，根据目标频段内所有高阶峰值的数量s，得到吸声单元的数量m＝n-s；

第二，在保持单元截面积相同的情况下，依次得到吸声单元i的背腔深度如下，

其中，i的取值范围为1到m，s′为已有单元提供的高阶峰值数量，范围为0到s，l1为第一吸声单元的背腔厚度，li为第i吸声单元的背腔厚度；高阶峰值依次由确定的吸声单元提供。

步骤4，吸收单元的空间折叠布置；

将确定好的吸收单元连续并列布置，在吸声结构的设计厚度内，将相邻的吸声单元中厚度较大的吸声单元背腔进行空间折叠，后端弯折延伸至厚度较小的吸声单元下方。

优选的，吸声单元的一阶峰值频率与微穿孔板的穿孔尺寸和背腔大小有关，穿孔直径越小，其等效质量越大，峰值频率越低；穿孔深度越大，即微穿孔板的厚度越大，峰值频率越低；穿孔的穿孔率越小，峰值频率越低；空腔容积越大，等效刚度越小，吸声峰值向低频移动；

吸声单元的峰值带宽主要与穿孔尺寸和吸声单元的数量m有关，穿孔直径越小，阻尼效果越明显，其峰值带宽越宽；穿孔深度越大，峰值带宽越宽；吸声单元数量越多，峰值带宽逐渐减小。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的吸声结构，通过设置多个不同的吸声单元，在组成多个峰值带宽的同时，加入了其中部分吸声单元的高阶峰值进行连续吸声，获得不同频率的吸声峰值，最终实现连续的吸声频带；并且通过空间折叠，在不增加结构厚度的前提下，对每个单元可以提供的多个峰值进行利用，峰值带宽更宽，进一步增加结构吸声带宽，从而在有限的尺寸范围内，实现对带宽的拓展和组合，对于结构的工程应用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实例1所述吸声结构的结构示意图。

图2为本发明实例1所述吸声结构内部结构的前侧示意图。

图3为本发明实例1所述吸声结构内部结构的背侧示意图。

图4为本发明实例1所述吸声结构内部结构的y轴负方向剖视图。

图5为本发明实例1所述吸声结构的实验测试吸声系数。

图6为本发明实例2所述吸声结构的内部结构示意图。

图中：1～8：第一到第八吸声单元，9：结构框架，10：微穿孔板，11：背腔，12：单元间隔板。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明针对空气中低频段噪声吸收带宽过窄的问题，通过利用微穿孔板的宽频特性和空间折叠型材料的低频特性设计了该小尺寸多单元耦合的低频宽带吸声结构，其包括并列连续设置的4-12个吸声单元，所述的吸声单元由微穿孔板10和背腔11组成，微穿孔板10设置在背腔11的开口端，所有吸声单元的微穿孔板10共面设置；通过调节微穿孔板10和背腔11的参数，每个单元都具有多个吸声峰，而且相比于亥姆霍兹共振器结构，其峰值的带宽更宽；其中，微穿孔板10的参数包括穿孔的直径、深度和微穿孔板10上的穿孔率；背腔11的参数包括背腔11的容积，由截面积和深度两个参数决定。在此基础上，通过设计多个严格耦合单元，使得吸声单元的一阶峰值和高阶峰值尽可能均匀连续分布，从而在中低频范围内形成一个连续的多峰值吸声宽带，增加峰值数量和总体吸声带宽。同时在结构设计时，将厚度较大的吸声单元的背腔进行空间折叠，也就是将其后端延伸至厚度较小的吸声单元下方，充分利用结构空间，降低结构的总体厚度。最终，通过严格调节各单元的参数和峰值位置，结构厚度为6cm时，其可在550hz-2500hz范围内实现连续吸声，且其平均吸声系数高达90％以上。

所述的微穿孔板10上具有均匀分布的穿孔，背腔的截面可以为正方形、矩形、圆形、三角形及其他形状等。

所述的吸声结构还包括由单元间隔板12形成的结构框架9，用于将每个吸声单元隔离开，避免声固耦合现象的发生；框架采用3d打印或者模具等方式加工，结构框架9设置有封闭的外壳，外壳对应微穿孔板10的一端设置有与微穿孔板10一一对应的开口。

本发明吸声结构的每个吸声单元可以等效成质量弹簧系统，其中等效质量来源于微穿孔板10的穿孔内的空气质量，等效阻尼来源于穿孔壁的阻尼效果，而等效弹簧刚度是背腔内部的空气刚度；通过调节不同吸声单元的结构参数，就可以获得不同频率的吸声峰值，最终实现连续的吸声频带。

吸声单元的一阶峰值和高阶峰值是由系统的一阶共振和高阶共振模态引起的，其峰值频率的关系可以近似表示为fp＝(2p-1)×f1，p为峰值的阶数；可以看到吸声单元一阶峰值频率越低，相应的高阶峰值频率越低。

m个吸声单元的所有吸声峰在目标频段(fa～fb)内需连续均匀分布，峰值数量n＝(fa-fb)/δb，其中δb为峰值带宽；确定一个吸声单元的结构参数，使得其一阶峰值频率为fa及目标频段内相应的高阶峰值频率，然后设计其他单元，根据目标频段内所有高阶峰值的数量s，即可确定吸声单元的数量，即m＝n-s；背腔厚度l是调节吸声单元峰值频率的最直接的参数，在保持单元截面积相同的情况下，吸声单元i的背腔深度其可按公式其中s′为已有单元提供的高阶峰值数量，l1为第一吸声单元的背腔厚度，li为第i吸声单元的背腔厚度；吸声单元的吸声峰值与吸声单元之间的相对布置方式无关，各吸声单元可以一行或多行排列，只要紧密连续布置即可。该方法中的吸声单元顺序与最终的排列顺序无对应关系，吸声单元的确定顺序时是按照吸声峰值确定，第一个确定的吸声单元的厚度最大，然后根据确定顺序厚度依次减小；吸声单元的排列顺序时根据厚度尺寸配合确定。

吸声单元的一阶峰值频率主要与微穿孔板10的穿孔尺寸和背腔11大小有关，穿孔直径越小，其等效质量越大，峰值频率越低；穿孔深度越大，即微穿孔板的厚度越大，峰值频率越低；穿孔的穿孔率越小，峰值频率越低；空腔容积越大，等效刚度越小，吸声峰值向低频移动。

吸声单元的峰值带宽主要与穿孔尺寸和吸声单元的数量m有关，穿孔直径越小，阻尼效果越明显，其峰值带宽越宽；穿孔深度越大，峰值带宽越宽；吸声单元数量越多，峰值带宽逐渐减小。

吸声单元的微穿孔板10的穿孔应均匀分布，其形状可以圆形、方形、三角形或椭圆形等，当穿孔为非圆形时，直径指代穿孔的外接圆直径，也就是穿孔的最大宽度，穿孔的数量大于等于1；穿孔直径建议为是0.5mm～1mm，需要注意的是当小孔直径太小(小于0.5mm)时，不仅加工难度增加，而且由于易堵塞而不利于工程应用，当小孔直径太大(大于1mm)时，峰值带宽会减小，而且高阶吸声峰值会下降甚至消失；穿孔穿孔率可以为1％～15％；为保证结构强度，板厚不易太薄，可以为0.5mm～2mm。

吸声单元的背腔11截面积可以为10mm×10mm～100mm×100mm，当截面积过小(小于10mm×10mm)时，背腔11壁面上的阻尼会破坏结构吸声性能产生影响，不能达到预期效果；每个单元的背腔11可以具有不同的截面积；背腔11可以具有不同的形状，如正方形、矩形、圆形和其他形状等；在结构设计时，将较大厚度的背腔11进行折叠，后端延伸至厚度较小的背腔11下方，从而充分利用结构空间，尽量减小结构总体厚度。

各单元之间的隔板12组成了结构框架9，其应具有一定的刚度，避免产生声固耦合效应，对单元的目标峰值频率造成影响。结构框架9与微穿孔板11材质可以为金属、硬质塑料及树脂等。

本发明提供的吸声结构与传统结构或材料相比具有很大的优越性，当其厚度为6cm(图1中z方向)时，其可以在中低频550hz-2500hz范围内具有高达90％以上的连续平均吸声系数。单元数量m的建议取值范围为4～12，单元数量大于12个时，会导致每个单元的吸声带宽变窄，不利于宽带的形成；而单元数量小于4个时，总体吸声频带较窄或者频带中间出现低谷，无法获得满意的连续宽带。

实例1

吸声结构由8个单元组成，每个单元的背腔截面尺寸为10mm×10mm，微穿孔板的厚度为1mm，结构框架9中隔板12厚度为2mm，其他参数如表1所示。为了减小结构厚度，将背腔较厚的第二吸声单元2、第三吸声单元3、第七吸声单元7和第八吸声单元8进行空间折叠处理，分别将第二吸声单元2延伸至第一吸声单元1的下方，将第三吸声单元3延伸至第四吸声单元4的下方，将第八吸声单元8延伸至第六吸声单元6的下方，将第七吸声单元7依次延伸至第八吸声单元8、第六吸声单元6和第五吸声单元5的下方。该结构采用3d打印一体化制作，材料为光敏树脂或韧性树脂等。

表1.各吸声单元具体参数

注：d为微穿孔板的穿孔直径，φ为穿孔的穿孔率，l为背腔的深度。

如图5所示，为本发明该优选实例中的实测吸声系数。可以看出该结构在频率范围550hz～2500hz获得了一个连续的近乎完美吸收的宽带。该吸声频带由10个吸声峰值组成，其中有两个峰值为第七吸声单元7和第三吸声单元3的二阶峰值，可以看到二阶峰值的存在将结构带宽增加了25％左右。事实上，在更高频率处还存在着其他单元的高阶峰值，只是由于其频率的离散性，在高频范围内高阶峰值不能连续分布，因此无法形成连续的宽带。可以肯定的是，如果增加单元的数量，可以引入更多的峰值，继而宽带的范围会加宽，可以覆盖更多的高阶吸声峰值。

实例2

本发明该优选实例中吸声结构由5个吸声单元组成，所有单元布置成一列。同样，为了节省空间，将背腔较厚的单元进行折叠，延伸至较薄的单元下方。将吸声单元d延伸至吸声单元e的下方，将吸声单元b依次延伸至吸声单元c和吸声单元d的下方，将吸声单元a依次延伸至吸声单元b、吸声单元c、吸声单元d和吸声单元e的下方。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案进行了进一步的详细说明，但并不限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。