一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料制造技术

本发明专利技术属于低频噪声控制的声学超材料技术领域，提供一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其结构单元包括n层穿孔板、n层卷绕通道层和一层封闭板，穿孔板与卷绕通道层交替放置，最后放置一层封闭板构成超材料整体结构。该结构通过延长声波传播的距离，降低声波传播的有效相速度，利用卷绕通道的热粘性耗散声能，实现亚波长吸声。本发明专利技术设计的一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其框架结构采用硬边界材料，超材料模型具有重量轻、尺寸小的特点，可以实现对低频噪声的有效控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料
本专利技术属于低频噪声控制的声学超材料
，具体涉及一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料。
技术介绍
随着科学技术的不断进步，舰船制造业获得了巨大发展，舰船的高速化、大型化及轻质化使得噪声问题比过去更加突出。舰船的整体结构、局部结构中大量应用了板、加筋板等加强结构，在机械外力激励作用下，产生振动，从而引起辐射噪声。在舰船性能方面，过大的辐射噪声不仅容易被敌方探测发现，而且会影响船体自身声纳系统的作用距离和精度，降低自身的隐身性能。在舒适性和环保方面，辐射噪声不仅会对船上工作人员工作生活环境的舒适性产生很大的影响，而且会影响海洋生物的生存环境。所以，对低频噪声进行有效控制逐渐成为人们最为关注的问题之一。低频噪声具有穿透能力强，衰减慢的特点，传统的复合板、岩棉、泡棉等声学材料由于质量密度定律的限制，只能通过增加材料体积对低频噪声进行控制，因此针对空间有限的结构，使用传统声学材料很难在实际工程中实现对低频噪声的有效控制。声学超材料是经设计后具有自然界常见材料所不具备的声波操控功能的人工材料，通过对其材料、结构属性进行设计，可以在低频范围内表现优异的亚波长吸隔声性能。本专利技术将自相似分形理论、穿孔板和盘绕型通道相结合，设计出一种自相似分形的盘绕型声学超材料结构。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其能在低频范围内实现有效吸声。本专利技术的技术方案：一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，主要由n层穿孔板1，n层卷绕通道层2和一层封闭板3组成，穿孔板1与卷绕通道层2交替放置，最后放置一层封闭板3构成盘绕型声学超材料整体结构；卷绕通道层基于希尔伯特分形设计，构成希尔伯特m阶自相似分形卷绕通道；盘绕型声学超材料采用硬边界材料制备，声波由第一层穿孔板1传入盘绕型声学超材料内部，并沿自相似分形卷绕通道传播，通过延长声波传播的距离，降低声波传播的有效相速度，利用卷绕通道的热粘性耗散声能，实现吸声。所述盘绕型声学超材料结构各层穿孔板1的穿孔必须与卷绕通道层2的卷绕通道连接贯通。所述穿孔板1的开口形状为圆形、方形、椭圆形、三角形、不规则形状中的一种或组合。将希尔伯特自相似分形理论应用于卷绕通道层2的设计理念中，当卷绕通道层2应用m阶分形时就构成了m阶自相似分形的盘绕型声学超材料。该盘绕型声学超材料的吸声峰位置、吸声性能由卷绕通道层2的长度、宽度、高度确定，可以满足不同条件下的吸声需求。该盘绕型声学超材料，具体尺寸参数可调，根据吸声的具体要求进行调节，以满足不同环境下的吸声需求。该盘绕型声学超材料，结构层数可调，可根据具体的吸声要求，调节卷绕通道层和穿孔板层的层数，以满足不同的吸声需求。该盘绕型声学超材料，卷绕通道层2分形阶数可调，可根据具体的吸声要求，调节卷绕通道层的希尔伯特自相似分形阶数，以满足不同的吸声需求。本专利技术的有益效果：本专利技术设计的一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其超材料结构采用硬边界材料，利用卷绕通道的热粘性耗散声能，实现亚波长吸声，与传统声学材料相比，尺寸小，重量轻。将所设计的超材料结构各层组合为整体模型结构后，经专利技术人测试，超材料具有多个吸声峰，且随着卷绕通道层2自相似分形阶数的增加，吸声峰数量成倍增加。该声学超材料还可以通过改变结构参数，改变吸声峰的位置，进而调节和改善结构的吸声效果。该声学超材料还可以通过增加卷绕通道层2的层数，使吸声峰的中心频率大幅向低频移动，实现对低频噪声的有效控制。本专利技术所述声学超材料单个单元结构就可以实现对低频噪声的有效控制，可通过单胞结构的周期性排列，满足实际工程的尺寸需求，提高了结构布置效率和整体稳定性。可广泛应用于工程结构和设备等领域。附图说明图1为该设计一实施例整体模型结构图。图2为该设计一实施例模型结构内部图。图3为该设计一实施例1阶自相似分形卷绕通道图。图4为该设计一实施例2阶自相似分形卷绕通道图。图5为该设计一实施例3阶自相似分形卷绕通道图。图6为该设计一实施例模型结构在COMSOLMultiphysics5.4中的有限元单胞仿真模型图。图7为该设计一实施例模型结构在卷绕通道层2分别采用1阶，2阶，3阶卷绕通道，建立相应的1阶，2阶，3阶自相似分形盘绕型声学超材料有限元模型后进行吸声性能分析所得的吸声系数曲线图。图8所述该设计一实施例2阶自相似分形模型结构在保持其他参数不变，卷绕通道宽度为3mm、4mm、5mm时进行吸声性能分析所得的吸声系数曲线图。图9所述该设计一实施例2阶自相似分形模型结构在保持其他参数不变，卷绕通道厚度为10mm、11mm、12mm时进行吸声性能分析所得的吸声系数曲线图。图10所述该设计一实施例3阶自相似分形模型结构在保持参数不变，增加1层卷绕通道层2和1层穿孔板后进行吸声性能分析所得的吸声系数曲线图。图中：1穿孔板；2卷绕通道层；3封闭板；4完美匹配层；5背景压力场；6压力声学域；7固体力学模块；8热粘性声学模块。具体实施方式下面结合技术方案和附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明，选取1阶、2阶、3阶分形整体结构7层声学超材料和3阶分形整体结构9层超材料结构实施例进行详细说明，但是本专利技术的保护并不局限于所述实施例。图1所示为本专利技术所述一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料的一种实施方式。本专利技术是在整体模型结构内部构建复杂的自相似盘绕型通道，利用通道的热粘性耗散声能，从而在低频范围内实现良好的吸声效果。图1为所述声学超材料的整体模型结构，包括穿孔板1、卷绕通道层2和封闭板3。图2为所述声学超材料模型结构的拆解图，其1、3、5层穿孔板层厚度a＝5mm，2、4、6层卷绕通道层厚度b＝10mm，第7层封闭板层a＝5mm。图3为所述声学超材料模型结构的1阶自相似分形卷绕通道图，其中通道宽度c＝5mm，超材料模型结构各层均为边长d＝105mm的正方形。图4为所述声学超材料模型结构的2阶自相似分形卷绕通道图，其中通道宽度c＝5mm。图5为所述声学超材料模型结构的3阶自相似分形卷绕通道图，其中通道宽度c＝5mm。图6为该设计一实施例模型结构在COMSOLMultiphysics5.4中的有限元单胞仿真模型图，包括完美匹配层4，背景压力场5，压力声学域6，固体力学模块7，热粘性声学模块8。为了进一步理解本专利技术，对图6所描述的超材料模型结构仿真模型进行有限元仿真研究，以获取其吸声性能。其中该仿真模型框架结构的材料为Americanredoak[杨氏模量E＝12.4GPa；泊松比0.30；密度ρ＝630kg/m3]。在大型商业软件COMSOLMultiphysics5.4中运用声固耦合、热粘性固体耦合、声热粘性耦合模块进行计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其特征在于，该基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料主要由n层穿孔板(1)，n层卷绕通道层(2)和一层封闭板(3)组成，穿孔板(1)与卷绕通道层(2)交替放置，最后放置一层封闭板(3)构成盘绕型声学超材料整体结构；卷绕通道层基于希尔伯特分形设计，构成希尔伯特m阶自相似分形卷绕通道；盘绕型声学超材料采用硬边界材料制备，声波由第一层穿孔板(1)传入盘绕型声学超材料内部，并沿自相似分形卷绕通道传播，通过延长声波传播的距离，降低声波传播的有效相速度，利用卷绕通道的热粘性耗散声能，实现吸声。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料，其特征在于，该基于希尔伯特自相似分形的盘绕型声学超材料主要由n层穿孔板(1)，n层卷绕通道层(2)和一层封闭板(3)组成，穿孔板(1)与卷绕通道层(2)交替放置，最后放置一层封闭板(3)构成盘绕型声学超材料整体结构；卷绕通道层基于希尔伯特分形设计，构成希尔伯特m阶自相似分形卷绕通道；盘绕型声学超材料采用硬边界材料制备，声波由第一层穿孔板(1)传入盘绕型声学超材料内部，并沿自相似分形卷绕通道传播，通过延长声波传播的距离，降低声波传播的有效相速度，利用卷绕通道的热粘性耗散声能，实现吸声。
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【专利技术属性】
技术研发人员：崔洪宇，刘承韬，胡昊明，尹晓开，龚光明，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21