一种混合型超宽带吸声超结构及其吸声模块

本发明涉及声学降噪，具体是一种混合型超宽带吸声超结构及其吸声模块。

背景技术：

1、随着工业化进程的加快和城市化水平的提高，噪声污染已成为影响人类生活质量和工作环境的重要因素之一。噪声的有效控制与处理在多个领域均具有极其重要的意义，如交通运输设备(飞机、汽车、高铁)、工业设备(发电机、压缩机)、建筑环境(会议室、音乐厅)、家庭电器(空调、冰箱)等，这些设备在运行过程中产生的噪声不仅影响设备的性能，还对人体健康和生活舒适度产生负面影响。因此，如何高效地进行噪声处理已成为亟待解决的难题。然而，现有的噪声处理手段在实际应用中仍然存在较大的局限性。首先，在实际应用的设备中，能够用于声学处理的空间非常有限，如何在有限的空间内实现高效的噪声吸收，尤其是低频噪声的吸收，是设计中面临的重大挑战。此外，噪声处理设备不仅要满足高效吸声降噪的要求，还必须考虑大批量生产、低成本制造及安装的实际需求，这使得现有吸声技术难以兼顾性能和成本的平衡。特别是，在低频和超宽带吸声方面，传统的吸声材料和技术仍然存在一定的瓶颈，无法满足现代复杂声学环境中的多样化需求。

2、近年来，随着声物理学和材料学的发展，新兴的超材料或超结构等技术为现代复杂的噪声处理提供了新的思路。超材料是指具有人工设计的特殊结构，并表现出自然界无法实现的声学特性，如负等效质量密度、负等效模量等。与传统吸声材料相比，超材料可以在薄层结构下实现对低频声波的超常控制，并通过对材料内部结构的精细设计，从而在有限的安装空间内，满足低频且超宽带的严苛噪声控制要求，在减振降噪领域具备广阔的应用价值。

3、传统的吸声技术主要包括微穿孔板、赫姆霍兹谐振器等共振型吸声结构以及岩棉、泡沫材料等多孔吸声材料。然而，共振型吸声结构通常针对特定频率进行有效吸声，低频吸声性能尤其突出，但其高效吸声带宽较窄，在宽频段噪声处理方面存在明显不足。多孔吸声材料则通过空气中的声波与材料内部的孔隙结构相互作用实现能量衰减，具有较好的高频吸声效果，但其在低频段的吸声能力往往需要较大的厚度作为代价，与实际应用中有限的安装空间相悖。因此，传统的吸声技术在处理现代复杂声学环境中的低频且超宽带吸声需求时，常常表现出较大的局限性。

4、此外，尽管新兴的吸声超结构或超结构技术已经得到了长足的发展，且为现代复杂声学环境的噪声处理提供了新的解决方案，但目前的超材料设计仍存在诸多不足：一、吸声带宽较窄或设计灵活性差，已有一些研究实现了薄层下的低频高效吸声，但吸声机理仅能作用于低频范围，无法兼顾中高频的高效吸声需求。二、组成单元过多造成吸声体质量大，无法满足大多应用场景轻质的需求。为了解决高效吸声带宽窄的问题，现有的吸声超材料或超结构研究大多通过优化设计不同谐振模式的吸声体单元，并将其并联组合进而拓宽高效吸声带宽，这意味着越宽的吸声带宽要求，就需要更多的吸声体单元进行组合，势必造成最终的吸声体构型复杂且质量大，难以实现工程应用。三、结构过于复杂，制造成本高，难以大批量生产。现有的吸声超材料或超结构研究多为空间结构，存在有较为复杂的空间构型和冗长的折叠腔体，可实现的生产加工工艺较为局限，且成本高，加工周期长，难以大批量应用于实际噪声控制工程中。此外，复杂的构型和加工工艺也对吸声体的耐久性、稳定性和后期可维护性提出挑战。因此，进一步研发能够在薄层结构下实现低频超宽带高效吸声的构型简单且可批量化生产的新型吸声超材料或超结构，具有重要的研究价值和应用前景。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种混合型超宽带吸声超结构及其吸声模块，通过巧妙混合多种吸声机理，实现了薄层下低频且超宽带的高效吸声性能，而且构型简单、加工制造成本低，采用4个甚至更少的超结构单元便可实现几乎无频率上限的兼顾低频的超宽带高效吸声，克服了传统超材料结构方案为实现低频且超宽带的高效吸声时面临的复杂构型、巨量组合单元、开发时间漫长、加工及安装复杂、成本高昂以及可靠性差等不足。

2、为实现上述目的，本发明提供一种混合型超宽带吸声超结构，包括共振单元和高孔隙率吸声介质；

3、所述共振单元包括外壳体、矩形通道和盖板，所述外壳体为由多块围壁围成的一端开口的筒状结构，所述盖板设在所述外壳体内，且所述盖板将所述外壳体内的腔体分割为上层空间与下层空间；

4、所述矩形通道由两块平行的壁板围成，两所述壁板位于所述下层空间内，两所述壁板的两侧与所述围壁相连，两所述壁板的顶端与所述盖板相连；

5、所述高孔隙率吸声介质填充在所述上层空间内，且所述高孔隙率吸声介质上设有声波导引通道；所述声波导引通道为开设在所述高孔隙率吸声介质顶端的条形槽，且所述声波导引通道与所述矩形通道同轴；

6、所述声波导引通道的两端与对应侧的所述围壁相接，且所述声波导引通道沿轴向贯通或不贯通所述高孔隙率吸声介质；若所述声波导引通道沿轴向贯通所述高孔隙率吸声介质，则所述混合型超宽带吸声超结构整体为单向等截面构型；

7、所述盖板上设有与所述矩形通道截面一致的通孔，以使得所述矩形通道与所述高孔隙率吸声介质相连，从而有助于透射过所述高孔隙率吸声介质的低频声波进入所述共振单元，实现能量的高效耗散。

8、在其中一个实施例，所述高孔隙率吸声介质的孔隙率大于或等于60％。

9、在其中一个实施例，所述高孔隙率吸声介质由泡沫型多孔材料、无机纤维型多孔材料、有机纤维型多孔材料、金属型多孔材料中的一种或两种以上组合制成。

10、在其中一个实施例，所述声波导引通道的截面为规则对称多边形的一种或两种以上组合制成。

11、在其中一个实施例，吸声超结构还包括声波高透射层，所述声波高透射层覆盖在所述外壳体的开口上；

12、所述声波高透射层由高透气纤维布、纤维毡、涤纶、棉布、丝网、穿孔板中的一种或两种以上组合制成。

13、在其中一个实施例，所述围壁、所述壁板为塑料板、石膏板、金属板、胶合板、硬质纤维板、亚克力板、钢化玻璃板、复合材料板中的一种或两种以上组合制成。

14、为实现上述目的，本发明还提供一种混合型超宽带吸声模块，包括两个或两个以上的上述混合型超宽带吸声超结构，各所述混合型超宽带吸声超结构通过并联的方式组合。

15、在其中一个实施例，各所述混合型超宽带吸声超结构具备不同低频共振模式，以通过耦合作用实现所述混合型超宽带吸声模块的低频且超宽带的高效吸声性能。

16、在其中一个实施例，在相邻的两所述混合型超宽带吸声超结构上，两所述高孔隙率吸声介质通过所述围壁隔离开，或两所述高孔隙率吸声介质一体成型。

17、与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

18、1.本发明通过多机理混合协同设计，借助结构的巧妙设计与其他高效吸声材料的合理连接的高效耦合，构造出了一种混合型超宽带吸声超结构：

19、一方面通过巧妙的协同设计，实现了共振吸声和多孔材料吸声两种典型吸声机理的高效耦合，多孔材料层的合理布局不仅大幅耗散了高频声波，而且使低频声波自由穿透到达共振单元，显著拓宽高效吸声作用频带，实现了优化低频且兼顾中高频的高效吸声；

20、另一方面，通过布局声波导引通道，开展与内插式矩形通道的耦合机理组合设计，引导声波进入高孔隙率吸声介质和低频共振单元，减少了声波向环境的反射逸散，有助于声能在高孔隙率吸声介质和共振单元的充分耗散，其中，声波导引通道进一步增加了声阻，使之匹配空气声阻抗，平衡了能量损失和能量泄露，大幅提升了该吸声超结构的低频吸声性能，达到了薄层下低频且超宽带的高效吸声目的；

21、此外，本发明中的混合型超宽带吸声超结构在优选方案中可设置为单向等截面构型，可根据实际安装空间的限制或模块化设计的需要，将其沿垂直于该等截面方向的尺寸设计为任意所需要的长度，从而使得其中的共振单元可采用挤压成型、钣金弯折等低成本可靠的一体化成型工艺，实现低成本大批量快速的高效制造；

22、2.本发明设计的混合型超宽带吸声超结构巧妙混合多种吸声机理，实现了薄层下低频且超宽带的高效吸声性能，且构型简单、开发容易，采用4个甚至更少的超结构单元便可实现几乎无频率上限的兼顾低频的超宽带高效吸声，大幅减少了超宽带吸声模块的耦合数量，简化了结构组成，进一步大幅降低了结构制造成本，有益于实现大规模工程化应用，能够有效克服传统超材料结构方案为实现低频且超宽带的高效吸声时面临的复杂构型、巨量组合单元、开发时间漫长、加工及安装复杂、成本高昂以及可靠性差等不足。