基于多个独立穿孔单元汇声效应的宽带吸声结构的设计方法与流程

1.本发明属于噪声振动防治领域，具体涉及基于多个独立穿孔单元汇声效应的宽带吸声结构。


背景技术：

2.马大猷先生建立的微穿孔板的吸声理论与设计方法，提供了拓宽穿孔板吸声结构的带宽的有效途径，此后多年来，各方进行了很多进一步的研究与应用，如穿孔板的并联或串联组合结构、采用圆形、斜面或其他曲面改变孔板形成连续不等背腔腔深等等，使穿孔板吸声结构的吸声能力得到不断提高。但其背腔相互不分隔独立，不同孔径、孔距、截面形状、背腔深度的穿孔结构组合时的形态及其背腔的截面形状、深度的调节受到了限制，大大制约了组合式穿孔板吸声结构性能的进一步提升空间。现有技术存在以下问题：多个穿孔板结构组合时，不同结构需要调整表面形状时，无法排除相互耦合进行设计。
3.多个穿孔板结构组合时，需要调整腔深时，腔深差异较大时，无法有效利用空间，受到空间限制而无法在工程应用中推广。
4.多个穿孔板结构组合时，对各个结构的有效吸声面积缺少考虑，不能充分发挥组合结构的吸声效能。


技术实现要素：

5.1.所要解决的问题本发明主要针对以上问题，设计了基于多个独立穿孔单元汇声效应的宽带吸声结构，同时，也可用于解决多个亥姆霍兹共鸣器组合使用时，同时确保其阻抗、吸声面积均能良好匹配，达到高效宽带吸声的设计问题。
6.2.技术方案为了克服现有技术中制约组合式穿孔板结构性能发挥的缺点，达到高效宽带吸声目标，本发明采用以下技术方案：基于多个独立穿孔单元汇声效应的宽带吸声结构，包括独立穿孔单元、阻抗匹配板，由独立穿孔单元、阻抗匹配板并列组合构成。
7.独立穿孔单元包括孔板、壁板，孔板、壁板共同围护构成内部为空腔的独立穿孔单元。
8.孔板上开设至少一个的孔洞，孔洞为通孔。
9.壁板无孔洞、无缝隙。
10.独立穿孔单元截面形状为多边形、圆形或椭圆形。
11.宽带吸声结构由至少四个独立穿孔单元组合而成。
12.阻抗匹配板无孔洞、无缝隙。
13.独立穿孔单元之间的空隙，由阻抗匹配板填充形成宽带吸声结构顶面。
14.独立穿孔单元，横置、折弯后占用其他独立穿孔单元或阻抗匹配板未占用的空间。
15.3.有益效果将每种穿孔结构采用隔板使其完全独立，独立穿孔单元的截面形状可根据需要很方便进行独立设计、调节，各种结构之间的边界区域确保无耦合，组合时再考虑整体结构的的声阻抗匹配，可以更充分发挥组合式穿孔板结构的性能。
16.将每种穿孔结构采用隔板使其完全独立，独立穿孔单元的长度可根据需要很方便进行独立设计、调节，每个独立穿孔单元可以任意折弯，盘绕从而充分利用空间且互不影响，当相邻独立穿孔单元无法贴合，即各独立穿孔单元的截面面积之和，与整体结构的面积不相等时，通过阻抗匹配板调节到阻抗匹配即可。
17.不同独立穿孔单元的声阻抗、共振频率不同，对应的有效吸声面积差异很大，选取合理的整体结构的面积及各种独立穿孔单元的截面形状、组合方式、数量，确保吸声面积最小的独立穿孔单元对应的高效汇声面积能覆盖整体结构总面积，得到宽带吸声结构。
附图说明
18.图1为本发明基于多个独立穿孔单元吸声面积高效匹配的宽带吸声结构示意图。
19.图2为本发明宽带吸声结构设计过程中独立穿孔单元横置或折弯之前结构示意图。
20.图3为本发明“高效汇声圆”匹配独立穿孔单元排列方法一示意图。
21.图4为本发明“高效汇声圆”匹配独立穿孔单元排列方法二示意图。
22.图5为本发明“高效汇声圆”匹配独立穿孔单元排列方法三示意图。
23.图6为本发明“高效汇声圆”、“高效汇声直径”示意图。
24.图7为本发明实施案例方法三吸声系数测试图。
25.图1-2中，（1） 第一独立穿孔单元 （2）第二独立穿孔单元 （3） 第三独立穿孔单元 。
26.（4）第四独立穿孔单元 （5） 阻抗匹配板 （6） 孔板 （7） 壁板 。
27.图3-6中，（1） 独立穿孔单元 （2）孔洞“有效汇声圆
”ꢀ
（3）单元“高效汇声圆”。
具体实施方式
28.基于多个独立穿孔单元吸声面积有效匹配的宽带吸声结构，包括独立穿孔单元、阻抗匹配板，宽带吸声结构由独立穿孔单元、阻抗匹配板组合构成。
29.按本发明设计方法的实施例设计过程中，先根据设计目标设计出如图2所示的初始结构，其中独立穿孔单元1、2长度比较大，周边阻抗匹配板下方有很大空间，故将独立穿孔单元1、2横置后形成如图1的完成结构，声学性能无变化，结构厚度明显减小。
30.独立穿孔单元包括孔板、壁板、背板，孔板、壁板、背板共同围护构成内部为空腔的独立穿孔单元，结构的孔板作为吸声面，空腔作为背腔，壁板形成硬边界，可得到不受其他因素影响的具有共振频率、一定吸声带宽的吸声结构形成穿孔板或微穿孔板吸声结构，孔板形状取决于整体结构组合时的声阻抗匹配需要，形状可为多边形、圆形或椭圆形，特殊情况下也可是各种形状的组合，情况允许时优先采用正多边形以便于批量加工制造，因为正多边形更易于消除多个独立穿孔单元间的“无效空间”，这里的无效，只是指出其对结构吸声性能没有直接作用，并不表示可以忽略其存在。
31.孔板上开设至少一个孔洞，孔洞为通孔。孔板的长度、宽度按孔距的整数倍设计，便于批量加工制造。声波入射到结构表面产生共振时，孔内体积流速会极大增加，从而带动孔附近一定范围的的声波能量向孔内汇集并消耗，产生“汇声效应”，“汇声效应”以孔洞为中心向周边扩展，形成其有效吸声面积，有效吸声面积与共振波长的平方成正比，不同的结构具有不同的共振频率，其有效吸声面积也不同，呈现圆形的有效吸声面积称作“有效汇声圆”，对应的直径称为“有效汇声直径”，如图6，多个孔洞的“有效汇声圆”的包络线称作“高效汇声圆”，对应的直径称为“高效汇声直径”。
32.可以看到，共振频率最高的独立穿孔单元对应的“高效汇声圆”及“高效汇声直径”最小，整体宽带吸声结构的顶面与“高效汇声圆”相匹配时，结构才能实现高效吸声。当独立穿孔单元截面形状非规则时，其排列方法需要考虑与“高效汇声直径”相匹配，结构才能实现高效吸声。也就是说，本发明所述的设计方法，不要求多个独立穿孔单元连续，能够高效合理排列独立穿孔单元，减小设计、加工量。并不连续排列的多个独立穿孔单元间的空隙使用阻抗匹配板联接即可。
33.当一个或多个独立穿孔单元截面非正多边形时，独立穿孔单元组合时无法完全贴合，整体吸声结构出现空隙，可使用阻抗匹配板联接，阻抗匹配板无孔洞、无缝隙，避免产生意外的吸声作用而影响设计结果。此时，宽带吸声结构的总表面积s≥各独立穿孔单元表面积之和，阻抗计算时入射面积为各独立穿孔单元表面积之和加各阻抗匹配板面积之和。
34.每种独立穿孔单元具有不同的带宽与频段，多个独立穿孔单元并列组合在一起，即可得到扩展的吸声带宽形成宽带吸声结构。
35.设计时仅仅考虑到宽带吸声结构的总表面积小于等于所有独立穿孔单元之和加各阻抗匹配板面积之和的总和是不够的，特别指出的是，只有当最小的“高效汇声圆”能够完全覆盖宽带吸声结构表面时才能实现设计要求。
实施例
36.按本发明方法设计实施例结构，为简化明确起见，独立穿孔单元截面均采用了不同边长的正方形，各单元平行排列。设其中一个独立穿孔单元的高效汇声直径最小，称为最小汇声直径，以下分别采用不同的单元组合方法说明本发明的设计方法，为表达清晰，图3-5中均将宽带吸声结构在x、y方向重复布置2个：方法一、如图3，组合后结构顶面边长小于最小汇声直径，高效汇声圆重叠率过高，独立穿孔单元的声学性能没有充分利用；方法二、如图4，组合后结构顶面边长大于最小汇声直径，高效汇声圆重叠率过低，部分顶面无法按设计目标达到声学性能；方法三、如图5，组合后结构顶面边长等于小于最小汇声直径，高效汇声圆重叠率合理，独立穿孔单元的声学性能得到充分利用。
37.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。