用于低频宽带高效吸声的超材料单元及其超结构模块制造技术

本实用新型专利技术公开了一种用于低频宽带高效吸声的超材料单元及其超结构模块，超材料单元包括多块围壁围合而成的超材料腔体以及设置在所述超材料腔体内的声学导波通道，声学导波通道内设置有阻抗高效调制吸声体，阻抗高效调制吸声体包括高孔隙率吸声介质和阻抗调制通道。阻抗调制通道的引入，可有效改变高孔隙率吸声介质的声学特性，通过改变阻抗调制通道的几何构型，可宽频大幅调制声学阻抗，同时在低频段产生共振吸收峰，从而显著改善低频段的吸声性能。将多个具有不同低频高效吸收性能的超材料单元进行并联，通过超材料单元之间的耦合作用，可以构成具有低频宽带高效吸声降噪性能的超材料模块，从而实现低频宽带高效吸声性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
用于低频宽带高效吸声的超材料单元及其超结构模块


[0001]本专利技术属于噪声治理新材料、新
，具体涉及用于低频宽带高效吸声的超材料单元及其超结构模块，可应用于现代交通运载工具(高铁、飞机、船舶、新能源汽车)、新型功能场馆/室(会议场馆、候车厅管、录音/演播厅、消声室、风洞)等声学控制。

技术介绍

[0002]在噪声控制领域，具有吸声降噪功能的材料或结构，按照吸声原理可分为多孔吸声材料和共振吸声结构两大类，常见的多孔吸声材料有有机纤维型多孔材料、无机纤维型多孔材料、泡沫型多孔材料和金属型多孔材料等，常见的共振吸声结构有薄膜型共振吸声结构、穿孔板(含微穿孔板)型共振吸声结构、微缝型共振吸声结构等。
[0003]在工程中，传统的多孔材料型吸声材料，对于1000Hz以上的中、高频段的声波，具有很好的吸声效果，在实际工程中应用很广泛，但是对于低频段(1000Hz以下)的声波吸声效果较差。多孔材料的吸声机理主要包括：空气粘滞性；介质中热交换。目前较为广泛地应用 Johnson
‑
Champoux
‑
Allard等效模型来描述多孔材，其定义了多孔材料的五个宏观参数：孔隙率、流阻、曲折率、粘性特征长度和热特征长度。这五个宏观参数可以通过改变多孔材料的等效体积模量和密度来调节声学阻抗，从而会影响多孔材料的整体吸声性能。考虑多孔材料的实际制备工艺，在可加工制备范围内，这五个宏观参数对声学阻抗的调节范围很有限，很难实现宽频大幅地调节声学阻抗，同时很难在低频段实现高效吸声。另外，多孔材料的最优吸声频率主要取决于多孔材料整体的厚度，厚度每增加1倍，最优吸声频率向低频方向移动一个倍频程。因此，传统多孔材料用于提升低频段的吸声性能，往往需要大幅增加多孔材料的厚度，极大地增大了多孔吸声材料的空间尺寸和造价成本，不符合实际工程应用要求。
[0004]为了解决低频段的声波吸声难题，现有技术往往需要采用共振吸声结构。对于薄膜型共振吸声结构，研究结果表明在没有背腔的情况下，薄膜型共振吸声结构的吸声系数最大一般不超过0.5，通过多层薄膜结构的相干吸收或者薄膜结构与空腔的杂化共振可以提高薄膜型共振吸声结构的吸声系数，实现声波在低频的完美吸收。因此，对于薄膜型共振吸声结构，要实现低频段的高效吸声，其结构整体厚度往往也要很大。对于穿孔板(含微穿孔板)型共振吸声结构和微缝型共振吸声结构而言，要提升低频段的吸声性能，也要显著增大背腔的厚度。因此，现有的共振吸声结构的共振吸声频段通常取决于结构整体的厚度。要实现对声波的低频高效吸收，往往需要增大共振吸声结构的厚度，极大地增大了共振吸声结构的空间尺寸和造价成本，不适用于有低频降噪需求并且空间受限的场合，较大的造价成本也不符合实际工程应用要求。另外，传统的共振吸声结构仅在设计的共振频率附近具有较好的吸声性能，当偏离设计的共振频率时其吸声性能急剧下降，导致高效吸声带宽很窄，无法满足实际工程中的低频宽带吸声要求。现有研究根据共振耦合作用，将足够多数量的不同吸收频率的共振吸声结构进行并联，实现了有效拓宽吸声带宽的目的，但是，随着吸声带宽的拓宽，其吸声系数也会有所下降，很难实现低频宽带高效吸声。总之，现有的共振
吸声结构很难实现低频、宽带和高效吸声的完美统一。
[0005]综上所述，在工程应用中，由于受结构空间尺寸、加工制造工艺、造价成本等限制，现有的吸声材料和结构难以实现对声波的低频宽带高效吸收。而低频宽带高效吸声是噪声控制领域内技术人员极为关注的技术问题，且目前没有文献公开本专利技术中采用在声学导波通道中引入包括高孔隙率吸声介质和阻抗调制通道的阻抗高效调制吸声体而构成的超材料单元及基于其的超结构模块来实现低频宽带高效吸声降噪的方法。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的缺陷和不足，本专利技术的目的是提供一种用于低频宽带高效吸声降噪的超材料单元及其超结构模块。
[0007]为了实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一方面，本专利技术提供一种用于低频宽带高效吸声的超材料单元，包括多块围壁围合而成的超材料腔体以及设置在所述超材料腔体内的声学导波通道，所述声学导波通道内设置有阻抗高效调制吸声体。
[0009]进一步地，本专利技术所述超材料单元还可包括声波高透射率盖板，所述声波高透射率盖板设置在超材料腔体上，超材料腔体内的声学导波通道通过声波高透射率盖板上的开孔或开缝与外界联通。
[0010]进一步地，本专利技术所述阻抗高效调制吸声体包括高孔隙率吸声介质和阻抗调制通道，所述高孔隙率吸声介质覆于声学导波通道的内侧壁上，在高孔隙率吸声介质中设有一条以上的阻抗调制通道。
[0011]进一步地，本专利技术所述阻抗调制通道的轴线方向与其所在的声学导波通道的导波方向一致。
[0012]进一步地，本专利技术通过改变阻抗调制通道的几何构型能够实现声学阻抗宽频大幅调制，同时在低频段产生共振吸收峰，从而改善低频段的吸声性能。
[0013]进一步地，本专利技术所述阻抗调制通道在平行于其声学导波通道的导波方向上的横截面形状为矩形、锥形、梯形、菱形或者轴对称型规则多边形。
[0014]进一步地，本专利技术所述声学导波通道为直线通道或者曲折通道，所述声学导波通道的宽度沿其导波方向等宽或者渐变或者呈梯度变化。
[0015]进一步地，本专利技术所述高孔隙率吸声介质填充于整个声学导波通道；或者高孔隙率吸声介质从声学导波通道底部开始填充部分长度的声学导波通道。
[0016]进一步地，本专利技术所述超材料腔体为金属板、塑料板、硬质纤维板、胶合板、石膏板、树脂板或钢化玻璃板材质。
[0017]进一步地，本专利技术所述超材料腔体通过铆接、焊接或胶结方式连接成型，或者所述超材料腔体通过铸造或增材加工一体化成型。
[0018]进一步地，本专利技术所述高孔隙率吸声介质为有机纤维型多孔材料、无机纤维型多孔材料、泡沫型多孔材料或金属型多孔材料。
[0019]另一方面本专利技术提供一种超结构模块，包括多个所述用于低频宽带高效吸声的超材料单元，每个超材料单元之间通过并联方式连接。
[0020]进一步地，在所述超结构模块中，所述超材料单元呈一维周期性排布或二维周期
性排布。
[0021]本专利技术能够产生的有益技术效果如下：
[0022]本专利技术提供一种结构更加简单、合理的用于低频宽带高效吸声的超材料单元及其超结构模块。
[0023]本专利技术通过在声学导波通道中，引入阻抗高效调制吸声体，阻抗高效调制吸声体包括高孔隙率吸声介质和阻抗调制通道，设计出一种结构更加简单、合理的用于低频宽带高效吸声的超材料单元及其超结构模块。
[0024]具体地，本专利技术在声学导波通道中引入阻抗高效调制吸声体，由于其在低频段的耦合共振效应，可以在低频段产生高效的共振吸收峰，从而改善低频段的吸声性能，同时很好地保持了中高频段高效的吸声性能。在充分考虑实际制备工艺的情况下，仅仅利用高孔隙率吸声介质来调制声学阻抗，其调制范围十分有限。进一步地，本专利技术通过在高孔隙本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于低频宽带高效吸声的超材料单元，其特征在于，包括多块围壁围合而成的超材料腔体以及设置在所述超材料腔体内的声学导波通道，所述声学导波通道内设置有阻抗高效调制吸声体。2.根据权利要求1所述的用于低频宽带高效吸声的超材料单元，其特征在于，所述超材料单元还包括声波高透射率盖板，所述声波高透射率盖板设置在超材料腔体上，超材料腔体内的声学导波通道通过声波高透射率盖板上的开孔或开缝与外界联通。3.根据权利要求1或2所述的用于低频宽带高效吸声的超材料单元，其特征在于，所述阻抗高效调制吸声体包括高孔隙率吸声介质和阻抗调制通道，所述高孔隙率吸声介质覆于声学导波通道的内侧壁上，在高孔隙率吸声介质中设有一条以上的阻抗调制通道。4.根据权利要求3所述的用于低频宽带高效吸声的超材料单元，其特征在于，所述阻抗调制通道的轴线方向与其所在的声学导波通道的导波方向一致。5.根据权利要求4所述的用于低频宽带高效吸声的超材料单元，其特征在于，通过改变阻抗调制通道的几何构型能够实现声学阻抗宽频大幅调制，同时在低频段产生共振吸收峰，从而改善低频段的吸声性能。6.根据权利要求4所述的用于低频宽带高效吸声的超材料单元，其特征在于，所述阻抗调制通道在平行于其声学导波通道的导波方向上的横截面形状为矩形或...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖勇，王帅星，温激鸿，郭佳佳，郁殿龙，赵宏刚，胡洋华，王洋，刘家玮，张振方，李永强，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：新型
国别省市：