一种多单元超构表面阵列和宽频声衬单元结构的制作方法

1.本发明涉及噪声治理设备技术领域，具体为一种多单元超构表面阵列和宽频声衬单元结构。

背景技术：

2.声学衬里被广泛用于降低航空发动机和排气消声器中的噪声。传统的设计的声衬由穿孔板和许多蜂窝状芯分隔的空腔组成，也称为单自由度(sdof)声衬，其可以有效地降低目标模式在相对较窄的频带中的噪声。在有更多传播模式的声环境中，为了改善的声音衰减性能，研究人员们提出了通过串联连接两个或三个穿孔板和蜂窝结构的双自由度或三自由度 (ddof或tdof)声衬。但是，ddof和tdof声衬的工作频率带宽仍然相对较窄，仅适用于频带范围非常有限且传播模式较少的噪声。此外，在许多情况下，例如在航空发动机和空调系统中，其紧凑的内部结构还要求声衬具有薄体构造。为了克服上述长期存在的缺点，研究人员们在过去的几十年中进行了许多研究，但是同时既具有宽工作频率带宽又具有超薄厚度的优点的声衬仍然是一个强烈的需求。
3.声学超材料和超构表面领域的最新进展可能为声衬的研究提供新的概念和有效的技术。因为超材料和超构表面的声学器件具有深亚波长厚度和卓越的声波操纵能力，基于其概念，研究人员们已通过紧凑的结构实现了超薄厚度的完美吸收和宽带准完美吸收。但是，在流管中，高效，宽带和薄的超够表面声衬仍然是一个挑战。在存在掠流的情况下，多单元超构表面阵列的声阻抗将随着流动速度的变化而改变，这给调制声学衬管的阻抗以满足目标条件带来了额外的困难，特别是对于宽带阻抗调制而言。因此，设计具有良好的基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬需要出的阻抗可调性和良好的可变掠过流流速耐受性。

技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多单元超构表面阵列和宽频声衬单元结构，用于解决现有技术中在存在掠流的情况下，多单元超构表面阵列的声阻抗将随着流动速度的变化而改变的技术问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明的实施例提供一种多单元超构表面阵列，所述多单元超构表面阵列由多个具有内延孔(5)和空腔(6)组成的内延孔式亥姆霍兹共鸣器组成。
6.于本发明的一实施例中，所述内延孔(5)的水平截面为圆形。
7.于本发明的一实施例中，所述空腔(6)的水平截面为矩形。
8.于本发明的一实施例中，每一个所述内延孔式亥姆霍兹共鸣器具有多个内延孔(5)和空腔(6)。
9.于本发明的一实施例中，每一个所述内延孔式亥姆霍兹共鸣器内的各个内延孔(5)和各个空腔(6)的尺寸相同或不同。
10.本发明的实施例还提供一种宽频声衬单元结构，所述宽频声衬单元结构包括：穿孔板(2) 和中间空气层(3)，以及如上所述的多单元超构表面阵列；所述多单元超构表面阵列(1)置于穿孔板(2)下端，二者中间隔着一层中间空气层(3)，其中中间空气层以每个周期单元为边界用隔板(4)隔开。
11.于本发明的一实施例中，所述穿孔板(2)的水平截面和所述中间空气层(3)的水平截面均为正方形。
12.于本发明的一实施例中，在使用工作频带上利用多个由内延孔(5)和空腔(6)组成的内延孔式亥姆霍兹共鸣器之间的强烈非局域耦合，以实现宽频声衬单元结构的宽频阻抗调控以及厚度超薄厚度。
13.于本发明的一实施例中，所述宽频声衬单元结包括空腔(6)的数量为6个～20个。
14.本发明的实施例还提供一种宽频声衬单元结构，所述宽频声衬单元结构包括：如上所述的多单元超构表面阵列。
15.如上所述，本发明的一种多单元超构表面阵列和宽频声衬单元结构，具有以下有益效果：
16.1、本发明的宽频声衬单元结构是一种基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬单元结构，通过调整多单元超构表面阵列中多个内延孔式亥姆霍兹共鸣器之间以及和穿孔板之间的非局域耦合，可以实现有效的宽带阻抗调制，从而在各种掠过流速度下实现宽带声能的强烈耗散。
17.2、本发明的设计通过对理论分析和实验验证后可证明其可以突破窄幅工作频率范围的局限，对于不同流速下的环境同样适用，大大提高了基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬单元结构的使用范围。
18.3、本发明结构简单，厚度薄，可通过调节每个内延孔和单元空腔，来实现结构在对应频带实现能量的高效损耗以达到特定频段的宽频声能损耗效果，可以证实厚度为4.05cm(～λ/10) 的样件在800hz-3000hz的频段范围内插入损失分贝量平均能达到20.7db，其中在1600hz 可以实现52.7db的插入损失量。
附图说明
19.图1为本发明中宽频声衬单元结构的半剖面内部结构示意图；
20.图2为本发明宽频声衬单元结构的外部示意图；
21.图3a为本发明的宽频声衬单元结构的静态声阻抗曲线图；
22.图3b为本发明的宽频声衬单元结构的静态声能传递损失仿真及实验曲线图；
23.图4a～4d为本发明基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬单元结构在10m/s，20m/s, 40m/s及60m/s掠过流条件下的阻抗曲线图；
24.图5a～5d为本发明基的宽频声衬单元结构在10m/s，20m/s,4m/s及60m/s掠过流条件下的声能传递损失仿真及实验曲线图。
25.图中标号所示：
26.1、多单元超构表面阵列，2、穿孔板，3、中间空气层，4、中间空气层分隔隔板，5、内延孔，6、空腔。
具体实施方式
27.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
28.请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
29.同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
30.本发明实施例的目的在于提供一种多单元超构表面阵列和宽频声衬单元结构，用于解决现有技术中在存在掠流的情况下，多单元超构表面阵列的声阻抗将随着流动速度的变化而改变的技术问题。
31.以下将详细阐述本实施例的一种多单元超构表面阵列和宽频声衬单元结构的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的一种多单元超构表面阵列和宽频声衬单元结构。
32.实施例1
33.如图1和图2所示，本实施例提供本一种宽频声衬单元结构，所述宽频声衬单元结构包括：穿孔板(2)和中间空气层(3)，多单元超构表面阵列(1)；所述多单元超构表面阵列(1)置于穿孔板(2)下端，二者中间隔着一层中间空气层(3)，其中中间空气层以每个周期单元为边界用隔板(4)隔开。
34.其中，于本实施例中，所述多单元超构表面阵列由多个具有内延孔(5)和空腔(6)组成的内延孔式亥姆霍兹共鸣器组成。
35.于本实施例中，所述内延孔(5)的水平截面为圆形；所述空腔(6)的水平截面为矩形。
36.于本实施例中，每一个所述内延孔式亥姆霍兹共鸣器具有多个内延孔(5)和空腔(6)。
37.于本实施例中，每一个所述内延孔式亥姆霍兹共鸣器内的各个内延孔(5)和各个空腔(6) 的尺寸相同或不同。
38.于本实施例中，所述穿孔板(2)的水平截面和所述中间空气层(3)的水平截面均为正方形。
39.于本实施例中，在使用工作频带上利用多个由内延孔(5)和空腔(6)组成的内延孔式亥姆霍兹共鸣器之间的强烈非局域耦合，以实现宽频声衬单元结构的宽频阻抗调控以及厚度超薄厚度。
40.于本实施例中，所述宽频声衬单元结包括空腔(6)的数量为6个～20个。优选地，所述所述宽频声衬单元结包括空腔(6)的数量为16个。
41.本实施例中，宽频声衬单元结构是基于多共振单元非局域耦合的，基于非局域耦合的多单元超构表面阵列。这样的基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬突破了技术障碍，通过深亚波长结构在不同的掠过流速度下维持高校的宽带声波衰减。基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬由两部分组成具有如下特征：
42.其一是多单元超构表面阵列，其晶胞是内延孔式亥姆霍兹共振器和一个面板穿孔板。首先，超构表面有助于减小结构总厚度，并在较宽的频率范围内提供目标阻抗条件。
43.其次，穿孔板有助于保持基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬附近的气体流动更顺畅。
44.本实施例设计了一个厚度仅为40.5mm的基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬结构，其在没有流动的情况下在800-3000hz的频率范围内表现出20.7db的平均传输损耗量，其中最大和最小值在1600hz时为52.7db。在2800hz时分别为3.8db。更重要的是，得益于基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬提供的良好调整的阻抗条件，传输损耗曲线可以在流速从10m/s到60m/s的掠过流条件下均在宽频带中保持较高的水平。
45.对于基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬单元结构来说，为了追求流管中声能的高效宽带衰减，需要参考波的传播模式，声压级和流速来在宽频带中全面地调节声衬的声阻抗。为了分析所提出的基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬的总声阻抗，本实施例首先计算穿孔板的阻抗。基于guess模型，存在掠过流的穿孔板的半经验阻抗公式可写为：
46.其中vf是掠过流的速度，k＝0.3是模型中的半经验常数。vs是孔中的空气粒子速度，它与高强度声能引起的非线性效应有关。z0＝ρ0c0，其中ρ0和c0分别是静态空气密度和声速。z
p0
表示为：
[0047][0048]
其中：
[0049]
此外，根据kooi的模型，在vs/vf《0.15的条件下，高强度声音的效果可以将被忽略，并且vs的值应替换为零。
[0050]
对于穿孔板下面的超构表面，先前的研究表明，其声阻抗可以认为不受掠流的影响。因此，组件内延孔式亥姆霍兹共鸣器的表面阻抗可以表示为：
[0051][0052]
其中：ρ
cc
，c
cc
和k
cc
分别是内延孔式亥姆霍兹共鸣器腔内的等效空气密度，声速和波数。γ是空气的比热之比。η是空气的动态粘度。k
ca
，ψ
va
和ψ
ha
分别指内延孔中的复数波数，粘性函数和热函数。δ
ω
是表示由波辐射产生的声质量的末端校正的因子。此外，内延孔
周围的表面摩擦损耗会产生的附加声阻。τ
ω
是内延孔式亥姆霍兹共鸣器的校正因子。a＝s2是超构表面的前表面积，sa和sc分别为单元内延孔和背腔的前表面积。详细说明在补充材料的第一部分中提供。此外，整个超表面的表面阻抗可以写成：
[0053]
其中z
nehr(n)
表示第n个内延孔式亥姆霍兹共鸣器的表面声阻抗。n是单元超构面面中内延孔式亥姆霍兹共鸣器的总数。空气夹层可提供一定程度的自由度，以调节超构表面和穿孔板之间的级联耦合，其对阻抗的调控可以表示为：
[0054][0055]
其中kc和ρc是内延孔式亥姆霍兹共鸣器和穿孔板之间空气夹层中的有效波数和空气密度。pb和ub是中间层顶部(底部)的声压和空气粒子速度。根据声阻抗的定义，本实施例可以得出z
ms
＝pb/ub，进一步，本实施例可以获得中间层的顶部阻抗，最后，可以将穿孔板看作是一个声学元件，因此，超衬板的总阻抗为z＝z
t
+z
p
。
[0056]
上面提出的理论模型表明，这种基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬具有极高的阻抗调制自由度。非完美的单元内延孔式亥姆霍兹共鸣器之间的强非局部耦合可以有效地影响超构表面的整体阻抗，并允许本实施例获得宽带频率下的基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬目标阻抗。在下文中，本实施例将提供演示本实施例设计概念的具体结构设计。
[0057]
本实施例将目标频率范围设置为800hz至3000hz，并在此频带内，将宽频声衬的声抗调制为约0，并将声阻调至较低水平，并且声阻在较高频率范围内有降低的趋势，如图3a所示。图3b显示了在130db声压级且无流动的情况下，设计的声衬结构在800hz至3000hz频带中的声衰减性能，其中在1600hz时，传输损耗的峰值达到 52.7db。更重要的是，在不同的掠过流速度下，这种基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬还可以保持高效的声波衰减性能。计算结果表明，在0m/s至60m/s范围内，随着vf的增加，基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬的声阻和声抗均表现出明显的不敏感性，这种特性有助于适应实际应用中工作条件的变化。为了验证理论模型，本实施例在10m/s，20m/s，40m/s和60m/s的四个特定流速下测量了基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬的声阻抗，其中理论和实验结果相互吻合，如图4a至图4d 所示。当将基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬应用于具有较高流速的情况时，声阻将进一步增加，并且该特定设计的结构的声波衰减性能将减弱。在这种情况下，为了提高声波衰减性能，本实施例可以通过增加结构厚度来将超构表面的静态声阻调节到较低的水平。此外，在本实施例的设计中，随着流速的增加，在较高频率范围内的基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬的阻抗条件有助于增强声音衰减。传输损耗的结果显示在图5a至图5d中。这种设计适合航空发动机和排气消声器的许多实际应用环境，在这些环境中，随着流速的增加，噪声频谱会向更高的频率范围内变化。对于具有不同噪声频谱变化趋势的应用环境，本实施例也可以相应地调整中继线的阻抗条件，以实现高效
的声衰减性能。
[0058]
综上所述，本发明的宽频声衬单元结构是一种基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬单元结构，通过调整多单元超构表面阵列中多个内延孔式亥姆霍兹共鸣器之间以及和穿孔板之间的非局域耦合，可以实现有效的宽带阻抗调制，从而在各种掠过流速度下实现宽带声能的强烈耗散；本发明的设计通过对理论分析和实验验证后可证明其可以突破窄幅工作频率范围的局限，对于不同流速下的环境同样适用，大大提高了基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬单元结构的使用范围；本发明结构简单，厚度薄，可通过调节每个内延孔和单元空腔，来实现结构在对应频带实现能量的高效损耗以达到特定频段的宽频声能损耗效果，可以证实厚度为4.05cm(～λ/10)的样件在800hz-3000hz的频段范围内插入损失分贝量平均能达到20.7 db，其中在1600hz可以实现52.7db的插入损失量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0059]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：

1.一种多单元超构表面阵列，其特征在于：所述多单元超构表面阵列由多个具有内延孔(5)和空腔(6)组成的内延孔式亥姆霍兹共鸣器组成。2.根据权利要求1所述的多单元超构表面阵列，其特征在于：所述内延孔(5)的水平截面为圆形。3.根据权利要求1或2所述的多单元超构表面阵列，其特征在于：所述空腔(6)的水平截面为矩形。4.根据权利要求2所述的多单元超构表面阵列，其特征在于：每一个所述内延孔式亥姆霍兹共鸣器具有多个内延孔(5)和空腔(6)。5.根据权利要求2所述的多单元超构表面阵列，其特征在于：每一个所述内延孔式亥姆霍兹共鸣器内的各个内延孔(5)和各个空腔(6)的尺寸相同或不同。6.一种宽频声衬单元结构，其特征在于：所述宽频声衬单元结构包括：穿孔板(2)和中间空气层(3)，以及如权利要求1至5任一权利要求所述的多单元超构表面阵列；所述多单元超构表面阵列(1)置于穿孔板(2)下端，二者中间隔着一层中间空气层(3)，其中中间空气层以每个周期单元为边界用隔板(4)隔开。7.根据权利要求6所述的宽频声衬单元结构，其特征在于：所述穿孔板(2)的水平截面和所述中间空气层(3)的水平截面均为正方形。8.根据权利要求6所述的宽频声衬单元结构，其特征在于：在使用工作频带上利用多个由内延孔(5)和空腔(6)组成的内延孔式亥姆霍兹共鸣器之间的强烈非局域耦合，以实现宽频声衬单元结构的宽频阻抗调控以及厚度超薄厚度。9.根据权利要求6所述的宽频声衬单元结构，其特征在于：所述宽频声衬单元结包括空腔(6)的数量为6个～20个。10.一种宽频声衬单元结构，其特征在于：所述宽频声衬单元结构包括：如权利要求1至5任一权利要求所述的多单元超构表面阵列。

技术总结

本发明提供一种多单元超构表面阵列和宽频声衬单元结构，所述多单元超构表面阵列由多个具有内延孔(5)和空腔(6)组成的内延孔式亥姆霍兹共鸣器组成。所述宽频声衬单元结构包括：穿孔板(2)和中间空气层(3)，以及如上所述的多单元超构表面阵列；所述多单元超构表面阵列(1)置于穿孔板(2)下端，二者中间隔着一层中间空气层(3)，其中中间空气层以每个周期单元为边界用隔板(4)隔开。所述所述宽频声衬单元结构也可以仅包括如上所述的多单元超构表面阵列。本发明可以实现有效的宽带阻抗调制，提高基于多共振单元非局域耦合的宽频声衬单元结构的使用范围。结构的使用范围。结构的使用范围。