一种低频吸声结构和吸声方法

技术领域

本发明涉及声学技术领域，特别是涉及一种低频吸声结构和吸声方法。

背景技术

噪声消除在我们的日常生活中起着重要的作用，特别是对于低频噪声，由于其穿透力高，目前实现低频噪声的有效吸收仍是一项非常艰巨的工作。

传统的吸声器大多通过在结构里添加纤维材料来吸收噪声，但在低频范围吸声效果较差，且纤维材料容易积累粉尘和细菌，会对环境以及人的健康带来影响。近年来，随着声学超材料的快速发展，其有别于自然材料的声学特性受到了广泛的关注，许多具有亚波长尺寸的吸声器被提出来并被用于低频噪声控制。此外，由于噪声源复杂多变，因此噪声的频率也经常发生改变，然而，目前的吸声超材料一旦制造，其结构与吸声频段就无法改变，该特性阻碍了吸声超材料在实际降噪场所中的应用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的之一是提供一种低频吸声结构，能够对环境中的复杂低频噪声进行有针对性地高效吸收，且结构紧凑，符合现有低频噪声控制的需求；本发明的目的之二是提供一种低频吸声结构的吸声方法。

技术方案：本发明所述的一种低频吸声结构，包括吸声单元，低频吸声结构可采用若干吸声单元构成；所述吸声单元包括底座、盖板以及设置于底座和盖板之间的环状嵌套结构，环状嵌套结构包括由外向内的若干层分裂式谐振腔，分裂式谐振腔设有纵向开口，开口为沿谐振腔轴向的缝隙。

优选地，内外相邻分裂式谐振腔的开口呈反向设置；在吸声结构的初始状态下，由外向内依次反向设置的开口位于同一水平线上。

即：外层谐振腔依次套设于内层谐振腔的外侧，依次套设以形成环状嵌套结构；而内外相邻的谐振腔的缝隙开口依次反向设置；底座和盖板用于保证结构的密封性，分裂式谐振腔的形状相同，均为环状，具体可以是方形环、圆形环、十字形环、多边形环等多种不同形式；内外多层谐振腔可采用同轴设置，也可以采用非同轴设置。而环形谐振腔的开口角度α为开口的两端与吸声结构圆心(轴心)连线的夹角；内层谐振腔的旋转角度β为旋转的谐振腔与初始位置之间的夹角。谐振腔开口的高度为h

其中，环状嵌套结构包括至少一层可旋转的谐振腔，该谐振腔位于环状嵌套结构的内部。所述环形谐振腔为圆环形。通过旋转内部任意一层或多层的分裂式谐振腔，旋转角度从0°到180°，可以实现该吸声结构声阻抗的连续变化，从而在宽频带内吸声频段的连续调节。

优选地，可旋转的谐振腔与盖板相连，其余谐振腔均与底座固定连接；并采用分体打印方案，二者嵌套组成整体的吸声结构。

将上述分裂式谐振腔的层数为记为N层，谐振腔的层数由外向内依次排列，具体层数可根据实际需要进行改变调整。依次反向放置的N层环形分裂式谐振腔形成了N-1个内部声通道，声波从第一层分裂式谐振腔的开口进入，经过内部声通道与内层谐振腔开口，最终进入内部腔体；旋转的分裂式谐振腔与上方盖板相连，其他分裂式谐振腔与下方盖板(底座)相连，二者嵌套组成整体的吸声结构。并通过旋转与上盖板相连的分裂式谐振腔，可以实现该吸声结构声阻抗的连续变化，从而实现吸声频段的连续调节。

其中，上述分裂式谐振腔之间的间距d、腔体厚度t、腔体高度h、腔体开口大小α均可变，且相邻分裂式谐振腔的间距d满足

进一步地，最外层分裂式谐振腔的半径r

优选地，分裂式谐振腔的形状和厚度相同，相邻分裂式谐振腔的间距相同，每个分裂式谐振腔的开口角度均相同。

其中，所述吸声结构沿声波传播方向的长度为2r

其中，所述吸声结构的材料为声学刚性材料；优选地，所述吸声结构的制造材料为金属或有机塑料。优选地，所述吸声结构壁面(内外表面)的声学阻抗远大于背景媒质，至少为100倍的背景媒质声阻抗。

本发明还提供了一种低频吸声结构的吸声方法，通过旋转环状嵌套结构内部的至少一层分裂式谐振腔，调节吸声结构的声阻抗。

可选的，调节分裂式谐振腔的旋转角度，使内外相邻分裂式谐振腔的开口呈反向设置；在吸声结构的初始状态下，由外向内依次反向设置的开口位于同一水平线上。

其中，通过旋转上述环状嵌套结构内部的至少一层分裂式谐振腔，调节吸声结构的声阻抗。可设置初始状态下各谐振腔的开口位于同一直线上，初始内部声通道的声阻抗最大，各开口的声阻抗是不变的；通过旋转谐振腔进而调节内部声通道的阻抗，从而使得内部声通道的声阻抗连续变化，进而对不同频率的声波进行有效吸收。

本发明的吸声结构将N层环形分裂式谐振腔嵌套放置，改变声波在结构内部传播的方向，增加了声波传播的有效长度，从而增加了整个结构的声质量，使得结构能够在低频处产生共振，此方案缩小了结构的体积，使结构更加紧凑。并且，分裂式谐振腔的开口与内部声通道均属于微缝吸声体，其增加了背景媒质与吸声结构的热粘性摩擦，从而在共振频率处达到高效吸声。分裂式谐振腔为圆环形，旋转的分裂式谐振腔与上方盖板相连，其他分裂式谐振腔与下方盖板相连，二者嵌套组成整体的吸声结构，通过旋转内层分裂式谐振腔，从而使得内部声通道的声阻抗连续变化，进而对不同频率的声波进行有效吸收。

有益效果：本发明是一种连续可调的低频吸声结构，解决了现有吸声结构低频吸声性能差、无法根据复杂的噪声谱调节吸声频率的技术问题。本发明具有能够根据实际环境的噪声频谱调节内部组件来吸收不同频率噪音的优点，克服了现有声学超材料一经打印无法改变吸声频段的技术瓶颈；整体的结构紧凑，低频吸声性能较好，且能够吸收不同角度入射的声波，适用于小型集成化设备的吸声降噪。

附图说明

图1是吸声单元的结构示意图。

图2是去除上盖板的吸声单元结构示意图。

图3是吸声单元的横截面剖视示意图。

图4是第二层谐振腔与上盖板的结构示意图。

图5是第一层谐振腔、第三层谐振腔与下盖板的结构示意图。

图6是本发明的声学电路图。

图7是本发明理论结果与仿真结果对比图；(a)为理论结果，(b)为仿真结果。

图8是本发明实验结果与仿真结果对比图；(a)为仿真结果，(b)为实验结果。

图9是本发明吸声结构在斜入射情况下的仿真吸声谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。

一种低频吸声结构，包括吸声单元，所述吸声单元包括底座2、盖板1以及设置于底座和盖板之间的环状嵌套结构6，环状嵌套结构6包括由外向内的若干层分裂式谐振腔，分裂式谐振腔设有纵向开口7。且分裂式谐振腔的厚度相同，相邻分裂式谐振腔的间距相同，每个分裂式谐振腔的开口角度均相同。本实施例以同轴设置的三层分裂式谐振腔为例，且均采用圆环形谐振腔。

如图1所示为吸声单元的结构示意图，该吸声单元的外观呈圆筒状，总高度为H，上下底面为半径为r

如图2～5所示，一种连续可调的低频吸声结构由三层的圆环形分裂式谐振腔构成，即第一层分裂式谐振腔3、第二层分裂式谐振腔4、第三层分裂式谐振腔5，且每个分裂式谐振腔均设有高度为h

从外向内的三层谐振腔的半径分别为r

如图4、5所示，第一层分裂式谐振腔3、第三层分裂式谐振腔5与底座2相连，第二层分裂式谐振腔4与上方的盖板1相连，采用分体打印方案，二者嵌套组成整体的吸声结构；通过旋转第二层分裂式谐振腔4，内部声通道的组合会发生变化，从而使得该吸声结构声阻抗连续变化，进而对不同频率的声波进行有效吸收。

下面对连续可调的低频吸声结构进行理论说明：

如图6所示，该连续可调的低频吸声结构可等效为声学电路图，N个分裂式谐振腔的开口等效为N个串联的声阻Z

三个分裂式谐振腔开口声阻抗为Z

两个内部声通道的声阻抗为Z

内部腔体的声容可表示为

可以推出，当内层分裂式谐振腔旋转时，该吸声结构的整体声阻抗为

由此，我们得到声强的反射系数r

整个吸声结构将三层环形分裂式谐振腔嵌套在一起改变声波在结构内部传播的方向，增加了声波传播的有效长度，从而增加了整个结构的声质量，使得结构能够在低频处产生共振，此方案缩小了结构的体积，使结构更加紧凑，其尺寸远小于低频声波波长，属于亚波长尺度；分裂式谐振腔的开口与内部声通道均属于微缝吸声体，其增加了背景媒质与吸声结构的热粘性摩擦，从而在共振频率处达到高效吸声；通过改变第二层分裂式谐振腔的旋转角度，内部声通道的声质量发生变化，因而共振频率能够连续改变，又因为其声阻改变很小，因此吸声系数依然保持很高。

在设计上述结构参数时，可根据实际的环境要求调整参数。在本实施例中，主要针对低频280-580Hz频段吸声，三层分裂式谐振腔高度、厚度、开口角度、间距、保持一致。三层分裂式谐振腔半径r

图7为本实施例的吸声结构在声波垂直入射下的理论结果与仿真结果的对比图。图中横轴为第二层分裂式谐振腔的旋转角度，纵轴为入射声波的频率，图中的颜色深浅代表结构的吸声系数，颜色越深代表吸声系数越大，越接近于1；颜色越浅代表吸声系数越小，越接近于0。理论与仿真有很好的一致性，在280-580Hz频率范围内吸声系数均超过0.9，在280-380Hz可达到完美吸声。

图8为仿真结果和选用ABS塑料将实例制成样品的实验结果的对比图，均为声波垂直入射，旋转角度β从0°到180°，步长为30°的7个角度的仿真和实验对比图。图中横轴为入射声波的频率，纵轴为结构的吸声系数，图(a)为仿真结果，图(b)为实验结果；图中曲线从左至右角度依次增大。图8可以看出，实验与仿真有很好的一致性。通过改变第二层分裂式谐振腔的旋转角度，可以实现在不改变原有结构的情况下吸声频率的连续改变。

图9为吸声结构在斜入射情况下的仿真吸声谱，声波入射角度从0°到60°，共三个入射方向。图9可以看出，小角度斜入射时的吸声谱几乎与法向入射时相同，而大角度斜入射时的吸收性能稍微减弱。因此可以表明，本发明吸声结构可以高效吸收来自不同方向的声波。