气动降噪单元、气动降噪超表面及气动降噪单元设计方法技术

本发明专利技术提供一种气动降噪单元，包括多个吸声元胞，多个吸声元胞沿一直线并列排布且各元胞参数不同，每个吸声元胞包括变截面通道和空腔，变截面通道的一端和空腔连通，另一端为声波入口；变截面通道包括多个串联的子通道，各子通道截面积沿远离空腔方向递增。本发明专利技术还提供一种气动降噪超表面，包括多个如上所述的气动降噪单元，且由气动降噪单元周期性阵列形成。本发明专利技术还提供一种如上所述的气动降噪单元设计方法，本发明专利技术提供的方案可减少声质量，有利于宽带控制，并减少宽带控制时耦合吸声元胞数目，入射流作用下，较传统赫姆霍兹减振器(HR)的流动敏感性低，流量增加对结构声阻抗及其峰值频率增幅的影响更小，有利于更低频气动噪声的有效控制。噪声的有效控制。噪声的有效控制。

【技术实现步骤摘要】
气动降噪单元、气动降噪超表面及气动降噪单元设计方法


[0001]本专利技术涉及气动降噪
，特别是涉及一种气动降噪单元、气动降噪超表面及气动降噪单元设计方法。

技术介绍

[0002]速度的不断提高使得空气与蒙皮表面间的相互作用越来越突出，湍流边界层压力波动引起的流激气动噪声控制问题在车辆动力学、飞机座舱噪声、流激振动等诸多工程应用中具有重要意义。近年来，声学超材料的迅速发展为低频噪声控制提供了新途径。赫姆霍兹减振器作为一种经典的吸声降噪结构，其在噪声控制方面的广泛应用激发了对其声学特性的大量研究，例如无流体流动的自由诱导下，通常设计界面处减振器与介质的阻抗匹配实现完美声吸收，并采用多个失谐谐振器以及谐振器与微穿孔板结合实现连续宽带控制。然而，在平均流量、自持振荡和高速压力波动等实际情况中，流激共振变得越来越显著。脖子界面剪切层形成的不稳定涡流是引起流激共振的主要原因，而界面剪切层涡流的大小及其发展主要受减振器和流动特性的影响。流激共振的控制通常采用主动和被动控制两种方式，主动控制主要是通过涡流发生器、扬声器以及质量注入槽等抑制剪切层的不稳定性。但这种方式往往需要引入外部能源，加之控制装置比较复杂，因此其应用程度比较受限。而被动控制主要是通过改变自身结构从而调节剪切层的固有属性。大量数据显示，通过改变赫姆霍兹减振器脖子的形状、尺寸和结构均可以显著抑制界面处的压力波动并降低流声耦合系统的不稳定性，从而控制流激共振。同时大量研究也表明，减振器的声衰减随着流量的增加而成比减小，具体表现为声阻抗及其峰值频率的增加，以及传输损耗的减少。若将流体流量增加引起声衰减的削弱使得声阻抗及其峰值频率的增幅显著增加定义为高流量敏感型减振器，反之将流体流量增加导致声阻抗及其峰值频率的增幅非常小或几乎为零称之为低流量敏感型减振器。换句话说，随着流量不断增加，流动对赫姆霍兹谐振器声衰减的削弱越来越强，采用阻抗匹配法实现流动噪声源的声吸收显然是不可行的。壁边界条件定义声阻抗为边界处声压与声速的比值，当边界处声阻抗为零时，声压也将为零，此时流场的压力脉动将不再激发声压扰动。然而，流量的不断增加使得流动对减振器声衰减的影响越大，阻抗及其峰值频率的增幅也随之越大，可见，减振器的高流动敏感性与流激气动噪声的控制是相矛盾的。赫姆霍兹减振器的敏感性越高，流动对其声衰减的削弱作用越强，声压抑制作用越弱，气动降噪的效果也更差。若要实现气动噪声的有效控制就要解决流量增加对减振器声衰减影响的高敏感性问题。本专利技术针对流动与物体表面相互作用引起的中低频流激气动噪声源的宽带控制与传统赫姆霍兹减振器声衰减受流动影响的高敏感性及其窄带宽效率之间的矛盾，提出一种气动降噪单元、气动降噪超表面及气动降噪单元设计方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种气动降噪单元、气动降噪超表面及气动降噪单元设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，可减少声质量使可降噪的频带宽度显著增加，有利于
实现宽带控制，并减少宽带控制时耦合的吸声元胞数目，在入射流作用下，较传统赫姆霍兹减振器的流动敏感性更低，有利于更低频气动噪声的有效控制。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]本专利技术提供一种气动降噪单元，包括多个吸声元胞，所述吸声元胞沿一直线排布，相邻的两个所述吸声元胞之间的间距相同，所述吸声元胞包括变截面通道和空腔，所述变截面通道的一端和所述空腔连通，另一端为声波入口；所述变截面通道包括多个子通道，同一个所述变截面通道中的多个所述子通道的截面积沿着远离所述空腔的方向逐渐增大；多个所述吸声元胞的结构参数不完全相同或均不相同。
[0006]优选的，各所述子通道均为圆柱形通道，同一个所述变截面通道中的多个所述子通道同轴。
[0007]优选的，所述空腔的截面为正方形、矩形、三角形或圆形。
[0008]优选的，各所述子通道的直径不小于0.5mm，且不大于空腔边长。
[0009]优选的，各所述空腔的截面形状大小相同。
[0010]优选的，所述吸声元胞采用3D打印技术制造。
[0011]本专利技术还提供了一种气动降噪超表面，包括多个如上所述的气动降噪单元，多个所述气动降噪单元周期性阵列形成所述气动降噪超表面。
[0012]本专利技术还提供了一种如上所述的气动降噪单元的设计方法，包括：
[0013]步骤一、建立流声耦合仿真模型准确预测气动噪声源的分布特性；
[0014]步骤二、根据气动噪声源的分布特性得到噪声能量的分布范围，根据噪声能量的分布范围，确定适应于该气动噪声源的气动降噪单元由多少个吸声元胞组成；
[0015]步骤三、设计不同频段对应的各吸声元胞的结构参数使其流动敏感性尽可能的低；
[0016]步骤四、利用多个吸声元胞并联而成的气动降噪单元经周期性阵列构建气动降噪超表面，并对气动降噪超表面的气动降噪效果进行测试。
[0017]优选的，在所述步骤三中，通过对各吸声元胞均进行多种不同结构参数的仿真，然后分析吸声元胞结构参数与吸声元胞流动敏感性之间的关系，设计吸声元胞的结构参数以实现各不同频段对应吸声元胞结构的流动敏感性最小或接近于零，即流量增加时结构界面处声阻抗及其峰值频率的增幅最小或趋近于零。
[0018]优选的，所述步骤二和步骤三具体包括：首先，在无流动激扰时，理论推导吸声元胞结构的面平均声阻抗计算公式，理论和仿真分析该吸声元胞结构的声学特性并与相同条件下的HR对比，详细分析变截面通道参数、空腔参数和相邻吸声元胞之间的间距对该吸声元胞结构带宽特性的影响；其次，在入射流作用下，分析吸声元胞参数和流量变化对吸声元胞结构的流动敏感性的影响并与HR对比；然后，考虑噪声源的能量分布范围，结合结构参数和流量对吸声元胞的带宽特性及峰值频率的影响，就可确定宽带控制所需的吸声元胞数目；最后，在确定吸声元胞的数目后，依据流量和结构参数对吸声元胞流动敏感性的影响，设计吸声元胞的结构参数以实现各不同频段对应吸声元胞结构的流动敏感性最小或接近于零，即流量增加时结构界面处声阻抗及其峰值频率的增幅最小或趋近于零。
[0019]本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0020]本专利技术提供的气动降噪单元较常规的赫姆霍兹减振器具有更低的流动敏感性，这
主要归因于变截面通道使得结构内部与外部流场的相互作用增强，结构内部流体流动对外部流场的影响增强，换言之，变截面通道外部主流场对结构内部的影响减小，使得变截面通道内部流体流动速度显著增强从而由外部流场流量增加引起的界面平均声阻抗增幅减小，同时变截面通道有效长度增加且声质量增大，阻抗峰随流量增长的频移得到抑制，且经过仿真和测试均表明，该气动降噪单元表面实现了50m/s速度下1330
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4980Hz范围内气动噪声的连续控制，声压级平均降低4.25dB；且在无流动的自由诱导时，在保持空腔参数与传统赫姆霍兹减振器的空腔参数以及变截面通道总高度和传统赫姆霍兹减振器的恒截面通道高度一致的前提下，本专利技术提供的变截面通道可减少声质量使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气动降噪单元，其特征在于：包括多个吸声元胞，多个所述吸声元胞沿一直线并列排布，相邻的两个所述吸声元胞之间的间距相同，所述吸声元胞包括变截面通道和空腔，所述变截面通道的一端和所述空腔连通，另一端为声波入口；所述变截面通道包括多个串联的子通道，同一个所述变截面通道中的多个所述子通道的截面积沿着远离所述空腔的方向逐渐增大；多个所述吸声元胞的结构参数不完全相同或均不相同。2.根据权利要求1所述的气动降噪单元，其特征在于：各所述子通道均为圆柱形通道，同一个所述变截面通道中的多个所述子通道同轴。3.根据权利要求1所述的气动降噪单元，其特征在于：所述空腔的截面为正方形、矩形、三角形或圆形。4.根据权利要求1所述的气动降噪单元，其特征在于：各所述子通道的直径不小于0.5mm，且不大于所述空腔边长。5.根据权利要求1所述的气动降噪单元，其特征在于：各所述空腔的截面形状大小相同。6.根据权利要求1所述的气动降噪单元，其特征在于：所述吸声元胞采用3D打印技术制造。7.一种气动降噪超表面，其特征在于：包括多个权利要求1～6任意一项所述的气动降噪单元，多个所述气动降噪单元周期性阵列形成所述气动降噪超表面。8.一种权利要求1～6任意一项所述的气动降噪单元的设计方法，其特征在于：包括：步骤一、建立流声耦合仿真模型准确预测气动噪声源的分布特性；步骤二、根据气动噪声源的分布特性得到噪声能量的分布范围，根据噪声能量的分布范围，确定适应于该气动噪声源的气动降噪单元由多少个吸声元胞组成最优；步骤三、设计不...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴九汇，李敏，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：