一种轻薄宽频吸声结构及其设计方法

本发明属于结构低噪声设计方法，特别涉及一种轻薄宽频吸声结构及其设计方法。

背景技术：

1、当前阶段，在噪声控制领域，吸声结构的研究重心已转变为拓宽低频段吸声频带和减小结构厚度。微穿孔板作为一种共振吸声结构，因其结构简单、环保、质量轻等优点被学者广泛研究。其相较于亥姆霍兹谐振器拥有更优异的宽频吸声能力，但要实现低频吸声则需较大尺寸的背腔。而亥姆霍兹谐振器作为最常用的低频噪声控制结构，单个亥姆霍兹谐振器hr的吸声频带过于狭窄。因此，在有限的尺寸范围内设计出具有低频宽带高效吸收性能的吸声器结构仍然是一个挑战。

2、针对以上亟待解决的问题，研究人员提出了不同的解决方案。例如通过多层微穿孔板结构、不等腔深微穿孔板结构、串联和并联组合结构实现宽频吸声是最常见的解决方法。但多层串联微穿孔板结构通常也需要更多的背腔空间来实现宽频吸声。具有不等背腔深度的微穿孔板吸声器则会导致空间浪费，而为保证应用时结构的厚度相同，结构刚性壁需要设置不同的壁厚，这又不利于轻量化的要求。

3、综上所述，常规的单层微穿孔板结构只有单一的吸收峰，虽然增加微穿孔板层数利用串联结构可以实现更宽的吸声频率范围，但多层布置需要更深的空腔深度，大幅增加结构厚度。而不等深度背腔微穿孔板并联结构则会带来空间浪费，且不利于轻量化要求。基于此，本发明文提出了基于梯度分布的吸声器结构设计方法，即在单层微穿孔板背腔内布置梯度非均匀的多层微穿孔板组成梯度微穿孔板，目的在于解决有限空间的宽带低频吸声问题，实现多次共振。此外与传统微穿孔板吸收器相比，它具有更薄的特性。

技术实现思路

1、本发明针对微穿孔板结构受到自上而下的垂直激励情况，为了获得宽频降噪的吸声器结构，提出在微穿孔板结构空腔内部设计一组梯度分布的微穿孔板结构，每单元微穿孔板结构的空腔深度不同，单元的腔深由外向里逐渐递增，从而建立内嵌梯度谐振器的宽频吸声器。其目的是使得多个微穿孔板谐振器梯度分布在微穿孔板结构的大背腔内。最终结构声阻抗增大，吸声性能提高。

2、本发明为解决上述技术问题，采用下技术方案：

3、一种轻薄宽频吸声结构，包括顶部微穿孔板、底部刚性壁、外层刚性壁、内部微穿孔板、内部刚性壁，所述外层刚性壁为中空正方形截面，所述外层刚性壁的上开口端与顶部微穿孔板连接，所述外层刚性壁的下开口端与底部刚性壁连接，所述顶部微穿孔板、底部刚性壁、外层刚性壁之间形成大背腔，大背腔内梯度分布若干个微穿孔板谐振器，若干个梯度分布的微穿孔板谐振器包括内部微穿孔板、内部刚性壁、若干个内部梯度背腔，所述内部梯度背腔为矩形截面，所述内部梯度背腔的左侧开口端与外层刚性壁连接，所述内部梯度背腔的右侧开口端与内部微穿孔板连接，若干个内部梯度背腔具有不同深度且深度自上而下呈递增的形式。

4、进一步，若干个所述微穿孔板谐振器采用相同参数的内部微穿孔板、外层刚性壁、内部刚性壁。

5、进一步，所述微穿孔板谐振器为三个，内部梯度背腔包括梯度背腔一、梯度背腔二和梯度背腔三，梯度背腔一、梯度背腔二和梯度背腔三的深度呈递增的形式。

6、一种基于微穿孔板谐振器梯度分布的宽频吸声器设计方法，其步骤如下：

7、1)为了使结构具有较好的宽频吸声性能，结构上表面板使用微穿孔板，空腔内设计一组梯度分布的微穿孔板结构，每个微穿孔板结构腔深由外向里逐渐递增，从而构成内置梯度谐振器的宽频吸声器结构，内置梯度谐振器内部分为多层，每一层视为微穿孔板谐振器布置在波导上，宽频吸声器结构理论计算公式设定如下：

8、顶部的微穿孔板传递矩阵tm为

9、

10、根据马大猷先生提出的mpp理论模型，mpp的声阻抗由声阻和声抗组成，mpp的声阻抗表示为

11、

12、其中，为微穿孔板常数，σ为mpp的穿孔率，d为mpp的孔直径，t为mpp的厚度，ρ0为空气密度，c0为声速，ω为角频率，μ为空气的动力粘性系数。

13、顶部的微穿孔板与梯度结构之间的空腔d1的传递矩阵td为

14、

15、式中z0＝ρ0c0/s0为空气特性阻抗,k0＝ω/c0为空气波数，s0＝wc·wc。

16、第n层波导半段的传递矩阵为

17、

18、式中和为第n层波导的有效波数和特性阻抗。

19、第n层布置在波导上的微穿孔板的传递矩阵为

20、

21、整个梯度结构被分为n层，对于每一层可考虑将mpp谐振器布置在波导上，每个谐振器由单个mpp和一个背腔组成，每一层的mpp谐振器表面阻抗可由mpp的传递矩阵tm、空气背腔传递矩阵td与谐振腔到波导不连续处的辐射校正计算得到，其中可表示为

22、

23、式中为第n层波导的特性辐射阻抗。

24、由式(1)、(3)和(6)可得

25、

26、则每一层的mpp谐振器的表面阻抗为

27、

28、式中z3＝ρ0c0/sc3,谐振腔截面积sc3＝wc·h3，l[n]是第n层背腔深度。

29、对于每一层波导的有效波数和特性阻抗可以分别表示为和为波导截面积，这里引入的是黏性热声学理论中空气的有效密度和有效体积压缩系数则第n层波导段的和可由下式求出

30、

31、式中，αk＝(k+1/2)π/a和βm＝(m+1/2)π/b是常数，对于图2中第n层波导段a＝wc/2，ν＝μ/ρ0，ν′＝κ/(ρ0cν)，γ为比热容比，cν为比定容热容，κ为导热率，p0为空气压力。

32、由于谐振腔到波导的不连续处存在辐射，是校正长度的有效特性阻抗，其可表示为

33、

34、将顶部微穿孔板的传递矩阵与多层梯度微穿孔板的传递矩阵相乘即可得到整体的传递矩阵，表示为

35、

36、结构总的声阻抗率可表示为

37、

38、结构的吸声系数为

39、

40、由上述理论公式可知，微穿孔板吸声结构结构的阻抗受微穿孔板自身参数和各自背腔深度l的影响，已有数据表明空气背腔深度l能够显著影响吸声峰值频率，通过在微穿孔板结构空腔内部再设计一组梯度分布的微穿孔板结构，引入具有不等腔深的一组梯度微穿孔板可实现多个吸收峰以达到拓宽吸声频带提升吸收效率的目的。

41、2)根据上一步验证的微穿孔板理论合理设计内部的微穿孔板谐振器，就可以获得具有不同腔深l的梯度微穿孔板结构，从而实现对不同频率噪声的吸收；面对不同的应用场景，可根据需求合理调整内部梯度微穿孔板谐振器的数量。

42、与传统微穿孔结构相比，本发明的优点是：

43、1、发明所述的内置梯度微穿孔板谐振器的微穿孔板吸声结构通过梯度布置内置不同的空气背腔深度的微穿孔板谐振器，可以改变结构的共振频率实现对不同频率噪声吸收。

44、2、发明所述的内置梯度微穿孔板谐振器的微穿孔板吸声结构通过在背腔内梯度分布微穿孔板谐振器，充分利用了背腔空间，能够极大减小结构厚度，满足一些特定场合对吸声结构尺寸的要求。

45、3、发明所述的内置梯度微穿孔板谐振器的微穿孔板吸声结构具有结构简单、环保、加工方便等优点，在降噪领域有着广泛的应用前景。