一种吸声超结构制造技术

本发明专利技术公开了一种吸声超结构，包括一个正六边形空气域5，正六边形空气域5外围第一层的6个正六边形单胞(6,7,8,9,10和11)，正六边形空气域5外围第二层的12个非完整的正六边形单胞(12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22和23)。所有单胞的Helmholtz共振腔通过共振短管与外部声场4联通。本发明专利技术的吸声超结构在低频具有单极共振和双极共振现象，其中单极共振可产生负动态体积模量，而双极共振可产生负动态质量密度。负动态体积模量和负动态质量密度将导致声能量聚集在吸声超结构之中，进而阻断声波继续向前传播。因此，该吸声超结构能在单极共振频率和双极共振频率之间会形成一个宽带隙，通过共振吸声的方式阻断声波的传播。

Sound absorption super structure

The invention discloses a sound-absorbing super structure, including a hexagonal air domain 5 hexagonal air domain 5 peripheral first layer 6 hexagonal cell (6,7,8,9,10 and 11), hexagonal air domain 5 peripheral second layer 12 non complete hexagonal cell (12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22 and 23). All cells of the Helmholtz resonant cavity are connected with the external sound field 4 through a resonant short tube. In the present invention, the sound absorption super structure has the monopole resonance and the bipolar resonance phenomenon in the low frequency, and the monopole resonance can produce the negative dynamic bulk modulus. The negative dynamic bulk modulus and negative dynamic mass density will result in the accumulation of acoustic energy in the acoustic absorption structure, and then the acoustic wave will continue to propagate. Therefore, the sound absorption structure can form a wide band gap between the monopole resonance frequency and the bipolar resonance frequency.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及声学共振、吸声技术和声学超结构，尤其涉及一种吸声超结构的单胞结构及其分布。
技术介绍
吸声降噪材料在诸多场合可获得很好的应用，比如汽车、飞机、高铁和轮船等交通运载工具的乘务室降噪、建筑物的降噪、室内空调等家用电器降噪等等。以建筑物的降噪设计为例，一般需要采用密闭的方式隔断建筑物室内空间和室外空间，并且采用合适的吸声材料，吸收从室外传向室内的噪声。但是这种降噪方式会造成密闭的空间，不利于密闭空间和外部的空气流通。此外，如果需要达到较好的降噪效果，选择的吸声材料一般较厚，且价格昂贵。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种吸声超结构，其能在非密封的条件下，高效地吸收超结构附近的噪声，隔绝吸声超结构两侧的声波传递。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种吸声超结构，包括吸声超结构的单胞结构及其分布。吸声超结构的单胞结构为正六变形；正六变形均分为12个直角三角形；每个直角三角形的内部为声腔，声腔通过细口与外部连通，构成一个Helmholtz共振腔。正六变形空间布置时，采用边对边的布置方式，且留有空气缝隙。此外，空间布置时，中心区域为正六边形空气域；而最外边一层可为完整的正六变形，或者依据所需的几何外形，对正六变形进行裁剪。作为本专利技术的吸声超结构的改进：吸声超结构的单胞采用正六变形结构。作为本专利技术的吸声超结构的进一步改进：正六变形单胞均分为12个直角三角形。作为本专利技术的吸声超结构的进一步改进：正六变形单胞每个直角三角形的内部为Helmholtz共振腔。作为本专利技术的吸声超结构的进一步改进：正六变形单胞空间布置时，采用边对边的布置方式，且留有空气缝隙。作为本专利技术的吸声超结构的进一步改进：吸声超结构的中心区域为正六边形空气域。作为本专利技术的吸声超结构的进一步改进：吸声超结构最外层可为正六变形单胞，或者依据所需的几何外形，对正六变形单胞进行裁剪。本专利技术与
技术介绍
相比，具有益的效果是：该吸声超结构可采用刚度较大的材料(如钢铁和铝合金等)加工而成，生产成本较低。本专利技术吸声超结构的单极共振可产生负动态体积模量，双极共振可产生负动态质量密度。本专利技术吸声超结构产生负动态体积模量和负动态质量密度，使声能量聚集在吸声超结构中。本专利技术通过吸声超结构聚集附近声能量，阻断声波继续向前传播，进而起到降噪的作用。下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的说明。附图说明图1是本专利技术的一种吸声超结构的单胞图；图2是本专利技术的一种吸声超结构；图3是本专利技术的一种吸声超结构的单极共振和双极共振模态图；图4是本专利技术的一种吸声超结构在波导内传递函数及声压场分布图；具体实施方式图1给出了一种吸声超结构单胞。单胞为正六边形。1为单胞的材料区域，该材料为刚度较大的材料(如钢铁和铝合金等)。正六边形单胞均分为12直角三角形，每个直角三角形内部为直角三角形声腔2。直角三角形声腔2通过共振短管3与外部声场4联通。直角三角形声腔2与共振短管3构成Helmholtz共振腔。图2给出了一种吸声超结构。吸声超结构由正六边形单胞排列而成。5为正六边形空气域。正六边形空气域5的外围第一层为6个正六边形单胞，编号分别为6,7,8,9,10和11。每个正六边形单胞的边界与正六边形空气域的边界平行。正六边形空气域5的外围第二层为12个非完整的正六边形单胞，编号为12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22和23。其中，12,13,14,15,16和17为正六变形单胞的一半；18,19,20,21,22和23为正六变形单胞的1/3。正六边形单胞的Helmholtz共振腔通过共振短管3与外部声场4联通。本专利技术的吸声超结构工作原理如下：(1)该吸声超结构单胞的几何参数为a＝1mm,b＝1mm,t＝1mmandl＝14/sin(π/3)mm。(2)该吸声超结构的几何参数为h＝0.5mmandR＝28.4mm。(3)将该吸声超结构至于矩形波导中。对吸声超结构进行模态分析，其单极共振和双极共振模态如图3所示。图3所示的单极共振频率为369Hz。在单极共振频率，压力分布图(图3a)显示声能量聚集在吸声材料的中心区域。相位图(图3b)显示，吸声超结构各方向的相位是近似相等的。因此，单极共振的压力分布和相位图显示声波以同步相位模式(Collectivein-PhasePattern)振动，振动相位与角度无关。图3所示的双极共振频率为758Hz。在双极共振频率，压力分布图(图3c)显示声能量聚集在吸声超结构的左右两侧，且强度近似相等。相位图(图3d)显示，吸声超结构左右两侧的相位成180°互逆。因此，双极共振的压力分布和相位图显示声波沿吸声超结构左右两边、且以180°互逆相位振动。与传统膜型共振声学超材料(Membrane-TypeMetamaterials)和传统Helmholtz共振型声学超材料(ClassicalHelmholtz-TypeMetamaterials)相比，该吸声超结构具有显著地特性。对膜型共振超材料而言，它一阶本征频率的振动形式为双极共振。双极共振频率附近的动态质量密度为负值，这会使得声波传播谱出现Fano型不对称双峰轮廓(Fano-likeAsymmetricDip-PeakProfile)。然而，受膜厚度的限制，模型共振材料很难获得单极共振。传统Helmholtz共振型声学超材料由窄波导和周期型分布的Helmholtz共振腔组成。Helmholtz共振腔短管处流体的运动可产生垂直振动形式。在这种情况，Helmholtz共振腔以半球的形式向周围媒介辐射声波，进而导致单极共振。在单极共振附近，动态体积模量为负值。由于周期性排列的Helmholtz共振腔与波导是解耦的，因此传统Helmholtz共振型声学超材料难以获得双极共振。而本专利技术设计的吸声超结构同时具有单极共振和双极共振。与Mie共振器类似，声波的同步相位传播会导致吸声超结构的单极共振。此外，由于本专利技术吸声超结构单胞的直角三角形Helmholtz共振腔的空间排列是对称性破缺的(Symmetry-broken)，因此该吸声超结构可视为对称性破缺型超材料(symmetry-brokenformalmetamaterial)。对称性破缺的单胞引起的多级散射可导致双极共振。该吸声超结构的单极共振和双极共振可分别导致负动态体积模量和负动态质量密度。在该吸声超结构中，动态声音传播速度cm可表示为：式中，Bm为动态体积模量，ρm为动态质量密度。当动态体积模量Bm和动态质量密度ρm为负值时，即Bm<0或者ρm<0，则等效动态声音传播速度cm为虚数。声音传播的波数km可表示为：km＝ω/cm当等效动态声音传播速度cm为虚数，则声音传播的波数km也为虚数。在这种情况下声波将会聚集在声学超结构之中，而无法继续向前传播。单极共振和双极共振的标准化频率为fr1R/c0＝0.062fr2R/c0＝0.127式中fr1和fr2分别为单极共振和双极共振的频率；R为吸声超结构的半径；c0为声音传播速度。由于标准化的频率都远小于1。因此该吸声超结构为子波长结构，能有效的控制波长较长的声波传播。(4)吸声超结构的上下边界与波导边界的距离为30mm。沿y方向，吸声超结构的线填充率为62％。吸声超结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种吸声超结构，包括一个正六边形空气域5，正六边形空气域5外围第一层的6个正六边形单胞(6,7,8,9,10和11)，正六边形空气域5外围第二层的12个非完整的正六边形单胞(12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22和23)。所有单胞的Helmholtz共振腔通过共振短管与外部声场4联通。

【技术特征摘要】
1.一种吸声超结构，包括一个正六边形空气域5，正六边形空气域5外围第一层的6个正六边形单胞(6,7,8,9,10和11)，正六边形空气域5外围第二层的12个非完整的正六边形单胞(12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22和23)。所有单胞的Helmholtz共振腔通过共振短管与外部声场4联通。2.根据权利要求1所述的一种吸声超结构，其特征在于：吸声超结构中心正六边形空气域5。3.根据权利要求1所述的一种吸声超结构，其特征在于：吸声超结构中心正六边形空气域5的外围第一层由6个正六边形单胞(6,7,8,9,10和11)阵列而成。4.根据权利要求1所述的一种吸声超结构，其特征在于：吸声超结构空气域的外围第二层由12个非完整的正六边形单胞(12,13,14,15,16,17,18,19,20...

【专利技术属性】
技术研发人员：于德介，夏百战，代洪庆，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43