一種薄膜聲學(xué)超材料消聲器及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于管道聲學(xué)噪聲控制領(lǐng)域，具體涉及一種薄膜聲學(xué)超材料消聲器及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聲學(xué)超材料是人們?cè)谶^去數(shù)年中進(jìn)行了廣泛調(diào)查的人工設(shè)計(jì)材料，主要是因?yàn)樗鼈兒苡袘?yīng)用前景，而且在自然界中幾乎很難或者不可能發(fā)現(xiàn)，因此，它們?yōu)楦纳粕踔镣度肴碌膽?yīng)用打開了一扇門。2000年報(bào)道的具有局域共振帶隙的聲學(xué)材料是聲學(xué)超構(gòu)材料的前身，也是最早實(shí)現(xiàn)的聲學(xué)超構(gòu)材料。聲學(xué)超材料具有負(fù)的質(zhì)量密度和彈性模量。薄膜聲學(xué)超材料是一種近幾年來被廣泛關(guān)注的新型聲學(xué)超材料，它由一個(gè)剛性框架，張緊的橡膠薄膜以及一個(gè)質(zhì)量塊組成。通過負(fù)模量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特性頻率的全反射，實(shí)現(xiàn)低頻隔音。
[0003]目前的學(xué)者主要的研究目的為針對(duì)此種聲學(xué)超材料，如何降低工作頻率以及拓寬隔音的頻率范圍，通過改變材料以及參數(shù)而使得此種薄膜聲學(xué)超材料可以有更好的隔聲效果以及更寬的工作頻率。但是目前對(duì)于薄膜聲學(xué)超材料的應(yīng)用有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)，那就是由于使用該超材料進(jìn)行隔聲時(shí)，聲源和隔聲目標(biāo)在超材料兩側(cè)，通過計(jì)算超材料聲傳遞損失(STL)來評(píng)價(jià)其隔聲性能，因此由于有膜的存在，在隔聲的同時(shí)也不允許氣流通過，那么無法針對(duì)管道中有氣流的情況進(jìn)行應(yīng)用。
[0004]實(shí)際工程應(yīng)用中，大量的管道聲學(xué)問題都要求安裝消聲器，然而這種消聲器是要求可以有氣流通過的，那么對(duì)于這種情況而言，目前學(xué)者們對(duì)于薄膜聲學(xué)超材料的研究是無法滿足要求的。
[0005]而傳統(tǒng)的應(yīng)用于管道聲學(xué)的消聲器對(duì)于低頻而言，技術(shù)較為成熟的是赫姆霍茲消聲器和擴(kuò)張管消聲器等抗性消聲器，通過共振腔的振動(dòng)消耗能量，從而只能對(duì)某一單一特定的頻率進(jìn)行噪聲控制，由于共振腔的存在，使得這種消聲器的體積很大，在許多類似于散熱風(fēng)扇出口等狹小空間根本無法設(shè)計(jì)，如果不是單頻噪聲，還需要多個(gè)共振腔體，從而使得整個(gè)消聲器的體積更大；近些年學(xué)者們對(duì)消聲器的研究主要集中于微穿孔板消聲器，這種消聲器一來微穿孔加工困難，實(shí)際工程應(yīng)用成本較高，二來微穿孔板消聲器對(duì)于低頻噪聲而言，要求背部腔體厚度非常大，在很多場(chǎng)合由于產(chǎn)品空間尺寸的限制根本無法安裝，只能對(duì)中尚頻有一定的效果。
[0006]這些傳統(tǒng)消聲器體積大，且工作頻率很單一，對(duì)于寬頻噪聲效果較差，難以滿足目前管道噪聲的降噪需求。那么如何將薄膜聲學(xué)超材料應(yīng)用在管道消聲問題上從而創(chuàng)造出一種體積小、工作頻率寬且降噪效果好的新型消聲器，這是一個(gè)值得探索的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種薄膜聲學(xué)超材料消聲器及其設(shè)計(jì)方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中管道噪聲降噪困難，消聲器體積過大，工作頻率單一的技術(shù)問題，本發(fā)明對(duì)于管道噪聲來說，降噪效果好、消聲器體積小、工作頻率寬；將薄膜聲學(xué)超材料與傳統(tǒng)管道聲學(xué)結(jié)合，提供一種解決管道噪聲問題的新思路。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]一種薄膜聲學(xué)超材料消聲器，包括管道，管道的側(cè)面上設(shè)有與管道連通的框架安裝孔，框架安裝孔中安裝有若干層消聲器框架，每個(gè)消聲器框架上均設(shè)有若干薄膜安裝孔，薄膜安裝孔中設(shè)置有薄膜，且薄膜處于張緊狀態(tài)，薄膜的中心位置設(shè)有質(zhì)量塊，每個(gè)薄膜與其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量塊構(gòu)成消聲器的一個(gè)單胞，當(dāng)管道中噪聲頻率與消聲器工作頻率一致時(shí)，單胞的振動(dòng)使管道中流體不再振動(dòng)，從而消除該頻率的噪聲。
[0010]進(jìn)一步地，消聲器框架為剛性材料。
[0011 ] 進(jìn)一步地，薄膜為彈性薄膜材料。
[0012]進(jìn)一步地，薄膜為硅橡膠薄膜或聚醚酰亞胺薄膜。
[0013]進(jìn)一步地，薄膜為方形或圓形。
[0014]進(jìn)一步地，質(zhì)量塊為圓柱狀。
[0015]—種薄膜聲學(xué)超材料消聲器的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0016]步驟一:判斷管道噪聲是單頻噪聲還是寬頻噪聲；
[0017]步驟二:若管道噪聲為單頻噪聲，通過對(duì)單頻噪聲信號(hào)峰值頻率的識(shí)別，得到消聲器的目標(biāo)工作頻率，針對(duì)此目標(biāo)工作頻率設(shè)計(jì)消聲器的參數(shù)，使消聲器單胞的工作頻率與目標(biāo)工作頻率一致；
[0018]若管道噪聲為寬頻噪聲，先將寬頻噪聲分成若干個(gè)頻率段，針對(duì)每個(gè)頻率段設(shè)計(jì)消聲器單胞的參數(shù)，使消聲器單胞與其對(duì)應(yīng)的頻率段的頻率一致；
[0019]步驟三:若管道噪聲為單頻噪聲，根據(jù)頻譜中峰值頻率處聲壓級(jí)與降噪后該頻率處預(yù)期聲壓級(jí)的差值確定峰值頻率的目標(biāo)降噪量，再根據(jù)目標(biāo)降噪量確定對(duì)峰值頻率達(dá)到目標(biāo)降噪量所需要的消聲器單胞數(shù)量；
[0020]若管道噪聲為寬頻噪聲，根據(jù)頻譜中若干個(gè)頻率段聲壓級(jí)與降噪后該頻率段處預(yù)期聲壓級(jí)的差值確定每個(gè)頻率段的目標(biāo)降噪量，再根據(jù)目標(biāo)降噪量確定對(duì)每個(gè)頻率段達(dá)到相應(yīng)目標(biāo)降噪量的消聲器單胞數(shù)量；
[0021]步驟四:若管道噪聲為單頻噪聲，將峰值頻率達(dá)到目標(biāo)降噪量所需要的消聲器單胞固定于消聲器框架上，然后將消聲器框架安裝在管道上即可；
[0022]若管道噪聲為寬頻噪聲，將各個(gè)頻率段達(dá)到相應(yīng)目標(biāo)降噪量所需要的消聲器單胞固定在不同的消聲器框架上，然后將消聲器框架分層安裝在管道上即可。
[0023]進(jìn)一步地，消聲器的參數(shù)包括薄膜的材料、形狀和厚度以及質(zhì)量塊的材料、形狀和質(zhì)量。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0025]本發(fā)明的消聲器的薄膜和質(zhì)量塊的材料參數(shù)及尺寸均可根據(jù)噪聲頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得消聲器工作頻率與噪聲頻率進(jìn)行匹配，從而可以使本發(fā)明廣泛應(yīng)用于不同的噪聲頻率和噪聲類型中；消聲器可以運(yùn)用于方管、圓管或其他形狀的管道，消聲器框架可根據(jù)管道形狀進(jìn)行彎曲以適應(yīng)管道上的安裝，使得消聲器在不同形狀管道上均可以工作；消聲器單胞個(gè)數(shù)可根據(jù)管道實(shí)際大小以及降噪量的需求進(jìn)行調(diào)整，從而可以適應(yīng)于不同的工況；另外采用多層消聲器框架，可以疊加多種不同單胞，能夠拓寬了消聲器的工作頻率，對(duì)于多峰值的噪聲或?qū)掝l噪聲也可以應(yīng)用。
[0026]進(jìn)一步地，消聲器薄膜的材料為彈性薄膜材料，起到附著質(zhì)量塊并具有彈性作用，硅橡膠薄膜或聚醚酰亞胺薄膜效果較好。
[0027]進(jìn)一步地，薄膜形狀為圓形或方形，質(zhì)量塊為圓柱狀，加工及安裝都比較方便。
[0028]本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法首先確定噪聲的類型，再根據(jù)噪聲類型采取進(jìn)一步措施，對(duì)于不同類型的噪聲均可設(shè)計(jì)出符合要求的消聲器；根據(jù)不同的峰值頻率或者寬頻噪聲中的頻率范圍設(shè)計(jì)不同的消聲器單胞類型，使得消聲器單胞的工作頻率明確，且對(duì)于每一處目標(biāo)降噪頻率的噪聲均可被考慮到；消聲器單胞的種類可根據(jù)實(shí)際噪聲的類型確定，若噪聲為單頻噪聲，則只需設(shè)計(jì)一種消聲器單胞，如噪聲為多個(gè)峰值的離散噪聲，則需要針對(duì)每一個(gè)頻率設(shè)計(jì)一種消聲器單胞，若噪聲為寬頻噪聲，則需要針對(duì)每一頻率段設(shè)計(jì)一種消聲器單胞，消聲器單胞通過堆疊方式排布，再將消聲器框架固定于管道上，使得消聲器對(duì)于多峰值離散噪聲以及寬頻噪聲均有效果，且操作簡(jiǎn)單安裝方便。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明的薄膜聲學(xué)超材料消聲器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的仿真結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的消聲器單胞的STL曲線圖。
[0032]其中，101、管道；102、消聲器框架；103、薄膜；104、質(zhì)量塊；105、流體域。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0034]參見圖1，一種薄膜聲學(xué)超材料消聲器，主要技術(shù)特征是在管路中增加單層或多層聲學(xué)超材料單胞，單胞由薄膜103和質(zhì)量塊104組成，將單胞固定在消聲器框架102上，消聲器框架102固定在管道101上，根據(jù)所需降噪頻率改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得消聲器在工作頻率處與管路空氣構(gòu)成動(dòng)力吸收器系統(tǒng)，提高其對(duì)于管道聲學(xué)降噪消聲效果，并減小了消聲器的體積。其具體的實(shí)施方案如下:
[0035]本發(fā)明設(shè)計(jì)的薄膜聲學(xué)超材料消聲器結(jié)構(gòu)中，包括有管道101 ;所述管道101側(cè)面設(shè)有消聲器框架102，所述消聲器框架102上設(shè)有薄膜103，所述薄膜103中心設(shè)有質(zhì)量塊104。所述的消聲器框架102固定于管道101上并與連接處密封。所述的薄膜103粘貼在消聲器框架102上并處于張緊狀態(tài)。所述管道101可以是方管，圓管或其他形狀管道。所述的消聲器框架102有多層，每層消聲器框架102上有若干薄膜