用于气路消声的声学超材料以及可调谐大宽带消声器

技术领域

本发明属于声学超材料消声技术领域，具体涉及一种用于气路消声的声学超材料以及可调谐大宽带消声器。

背景技术

随着人们生活水平的提高和相关法律法规的颁布，噪声污染愈加受到关注。消声器作为降低噪声的装置，在保证气流能通过的情况下又能有效降低声能向外传播，已被广泛应用在机电设备、汽车、高铁、飞机、建筑等领域。当前，消声器在高频部分可以采用传统的材料和结构解决，但对于1000Hz以内的中低频噪声控制仍然是一个难题。而且，现有的用于气路消声的声学超材料以及消声器，单元组宽带吸声性能或单频点吸声性能较差，结构复杂。

因此，提供一种能够在1000Hz以内的中低频对噪声进行控制，并且单元组宽带吸声性能或单频点吸声性能较好的用于气路消声的声学超材料以及消声器，将具有十分重要的意义。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供一种用于气路消声的声学超材料以及可调谐大宽带消声器，以解决或缓解现有的用于气路消声的声学超材料和消音器存在的至少一个技术问题。

根据本发明的具体实施方式，第一方面，本发明提供一种用于气路消声的声学超材料，包括多个声学超材料单胞结构，每个单胞结构包括：第一隔板、第一插入隔板、第二插入隔板、单胞外壳和第二隔板，第一隔板和第二隔板分别设置在单胞外壳的两端，第一隔板上设置进气孔，第二隔板上设置排气孔，第一插入隔板和第二插入隔板插入到单胞外壳的腔体中，第一插入隔板靠近进气孔，第二插入隔板靠近排气孔，且第一插入隔板和第二插入隔板的插入长度均小于等于单胞外壳长度的一半。

可选地，多个声学超材料单胞结构呈阵列式或者阶梯式排布。

可选地，进气孔、排气孔、第一隔板和第二隔板均为正方形，进气孔的边长小于等于第一隔板的边长，排气孔的边长小于等于第二隔板的边长。

可选地，在进气孔周围还设置圆形进气孔，在排气孔周围还设置圆形排气孔。

可选地，圆形进气孔的直径小于第一隔板的边长减去进气孔边长的两倍。

可选地，圆形排气孔的直径小于第二隔板的边长减去排气孔边长的两倍。

第二方面，本发明还提供一种用于气路消声的可调谐大宽带消声器，包括进气装置、排气装置和中间体，中间体设置在进气装置和排气装置之间，中间体包括如前所述任一项用于气路消声的声学超材料。

可选地，进气装置包括进气口以及与进气口连接的进气腔体；排气装置包括排气口以及与排气口连接的排气腔体。

可选地，中间体的多个声学超材料单胞结构在进气装置与排气装置之间呈阵列式或者阶梯式排布。

可选地，用于气路消声的可调谐大宽带消声器还包括上隔板和下隔板，分别位于中间体的上下两侧。

可选地，用于气路消声的可调谐大宽带消声器的外壳厚度大于等于1mm。

本发明实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供的用于气路消声的声学超材料和可调谐大宽带消声器将声学超材料单胞结构在空间上阵列式或阶梯式排布，能提升单元组宽带吸声性能或单频点吸声性能，进而提升用于气路消声的声学超材料和可调谐大宽带消声器的消声效果。

(2)本发明提供的用于气路消声的声学超材料和可调谐大宽带消声器能够根据实际应用场景尺寸要求和目标位置噪声的频率点，灵活搭配进气装置、排气装置和声学超材料中间体，调整降噪带宽实现消声效果。

(3)本发明提供的用于气路消声的声学超材料和可调谐大宽带消声器在1000Hz内具有大宽带消声效果，进而能够在1000Hz以内的中低频对噪声进行控制。而且，本发明提供的用于气路消声的声学超材料和可调谐大宽带消声器还能够根据消声的频率进行单频点或者多频点吸声。

(4)本发明提供的用于气路消声的声学超材料和可调谐大宽带消声器采用标准尺寸化的设计，标准化尺寸能够保证各部分很好地拼合，防止产品损坏或者有缺陷；整体结构简单，可以用非3D打印的方式进行批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的声学超材料单胞结构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的声学超材料单胞结构的尺寸示意图；

图3为本发明实施例提供的声学超材料单胞结构呈阵列式排布；

图4为本发明实施例提供的声学超材料单胞结构呈阶梯式排布；

图5为本发明实施例提供的在进气口和排气口周围设置圆形孔的示意图；

图6为本发明另一实施例提供的在进气口和排气口周围设置圆形孔的示意图；

图7为本发明另一实施例提供的在进气口和排气口周围设置圆形孔的示意图；

图8为本发明实施例提供的用于气路消声的可调谐大宽带消声器的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的用于气路消声的可调谐大宽带消声器的另一结构示意图；

图10为本发明实施例提供的用于气路消声的可调谐大宽带消声器在进气口和排气口周围设置圆形孔的结构示意图；

图11为本发明实施例1提供的用于气路消声的可调谐大宽带消声器传递损失曲线图；

图12为本发明实施例2提供的用于气路消声的可调谐大宽带消声器传递损失曲线图；

图13为本发明实施例3提供的用于气路消声的可调谐大宽带消声器传递损失曲线图。

具体实施方式中的附图标号如下：

声学超材料单胞结构100，第一隔板10，第一插入隔板11，单胞外壳12，第二隔板13，进气孔14，排气孔15，圆形进气孔16，圆形排气孔17；用于气路消声的可调谐大宽带消声器200，进气装置20，排气装置21，中间体22，进气口201，进气腔体202，排气口211，排气腔体212。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明实施例的技术方案进行详细说明。

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明的描述中，本发明术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本发明所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在本发明实施例的描述中，技术术语“上”“下”“两端”“两侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

在本发明实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明第一实施例提供一种用于气路消声的声学超材料，用于气路消声的声学超材料包括多个声学超材料单胞结构。请参阅图1和图2，每个声学超材料单胞结构100包括：第一隔板10、第一插入隔板11、第二插入隔板(图未示)、单胞外壳12和第二隔板13，第一隔板10和第二隔板13分别设置在单胞外壳12的两端，第一隔板10上设置进气孔14，第二隔板13上设置排气孔15，第一插入隔板11和第二插入隔板插入到单胞外壳12的腔体中，第一插入隔板11靠近进气孔14，第二插入隔板靠近排气孔15，且第一插入隔板11和第二插入隔板在单胞外壳12的腔体中的插入长度L3小于等于单胞外壳12长度L的一半。

进气孔14、排气孔15、第一隔板10和第二隔板13的形状可以根据实际需要进行选择。优选的，进气孔14、排气孔15、第一隔板10和第二隔板13均为正方形，进气孔14的边长小于等于第一隔板1的边长，排气孔15的边长小于等于第二隔板13的边长。第一插入隔板11和第二插入隔板的宽度优选但不限于等于进气孔14和排气孔15的边长。

用于气路消声的声学超材料中的单胞结构呈周期性排布，通过调整单胞结构的参数能够实现不同尺寸单胞结构的吸声性能，通过合理控制参数，能够实现大宽带吸声，也能够根据消声的频率进行单频点或者多频点吸声，进而使得用于气路消声的声学超材料和可调谐大宽带消声器在1000Hz内具有大宽带消声效果，能够在1000Hz以内的中低频对噪声进行控制。请参阅图3和图4，优选的，用于气路消声的声学超材料中多个单胞结构呈阵列式排布或者阶梯式排布。

调整单胞结构的参数包括：进气孔14的边长L2、第一插入隔板11的插入长度L3、第二插入隔板的插入长度以及圆形进气孔16和圆形排气孔17的位置及直径D，单胞外壳12的长度L，第一隔板10和第二隔板13的边长L1，以及第一隔板10、第二隔板13、第一插入隔板11、第二插入隔板和单胞外壳12的厚度H，可以调整以上参数中的一个或多个。优选的，为了方便加工工艺，根据实际情况调整声学超材料单胞结构100的长度、进气孔14边长和第一插入隔板11和第二插入隔板的插入长度、排气孔15边长和插入长度，其他参数保持不变。

优选的，在进气孔14周围还设置圆形进气孔16，在排气孔15周围还设置圆形排气孔17。设置圆形进气孔16和圆形排气孔17能够增大进排气量，进而能够实现在某些频段的消声效果。圆形进气孔16和圆形排气孔17的具体位置可以根据实际需要选择，只要分别在进气孔14和排气孔15的周围即可。作为示例，请参阅图5-7，为圆形进气孔16和圆形排气孔17的几种设置方式。优选的，圆形进气孔16的直径小于第一隔板10的边长减去进气孔14边长的两倍，圆形排气孔17的直径小于第二隔板13的边长减去排气孔15边长的两倍。本实施例中，进气孔14和排气孔15均为正方形，在正方形的进气孔14周围还设置圆形进气孔16，在排气孔15周围还设置圆形排气孔17。

第一隔板10、第二隔板13、第一插入隔板11、第二插入隔板和单胞外壳12的厚度可以根据实际情况进行选择。在一些优选实施例中，第一隔板10、第二隔板13、第一插入隔板11、第二插入隔板和单胞外壳12的厚度一致。

第一隔板10、第一插入隔板11、第二插入隔板、单胞外壳12和第二隔板13的材料可以根据实际需要进行选择，可以为金属或非金属。作为示例，可以为PP和PET，也可以是FR

请参阅图8，本发明第二实施例提供一种用于气路消声的可调谐大宽带消声器200，可调谐大宽带消声器200包括进气装置20、排气装置21和中间体22，中间体22设置在进气装置20和排气装置21之间，中间体22包括第一实施例的用于气路消声的声学超材料，用于气路消声的声学超材料包括多个声学超材料单胞结构100。本实施例中的用于气路消声的声学超材料与第一实施例中的用于气路消声的声学超材料完全相同，包括第一实施例中描述的所有技术特征，在此不再重复描述。

进气装置20包括进气口201以及与进气口201连接的进气腔体202；排气装置21包括排气口211以及与排气口211连接的排气腔体212。空气由进气口201进入到进气腔体202，经过中间体22到达排气装置腔体212由排气口212排出。进气口201、进气腔体202、排气口211以及排气腔体212的形状尺寸可根据实际使用情况设定，可以是规则形状，也可以是不规则形状。本实施例中，进气口201、进气腔体202、排气口211以及排气腔体212均为矩形。

中间体22中的多个声学超材料单胞结构100在进气装置20与排气装置21之间优选呈周期性排布，通过调整单胞结构的参数能够实现不同尺寸单胞结构的吸声性能，通过合理控制参数，能够实现大宽带吸声，也能够根据消声的频率进行单频点或者多频点吸声。本实施例中，中间体22中的多个声学超材料单胞结构100在进气装置20与排气装置21之间呈阵列式排布。请参阅图9，在其它一些实施例中，中间体22中的多个声学超材料单胞结构100在进气装置20与排气装置21之间呈阶梯式排布。

声学超材料单胞结构100的长度可以根据进气装置20和排气装置21之间的实际距离调整，多个声学超材料单胞结构100的长度可以相同，也可以不相同。

声学超材料单胞结构100中的进气孔14与进气装置20保持密封接触，排气孔15与排气装置21保持密封接触，防止空气泄露，有利于提高可调谐大宽带消声器200的消声效果。

进气装置20、排气装置21和中间体22组成用于气路消声的可调谐大宽带消声器200的壳体。用于气路消声的可调谐大宽带消声器200的壳体材料可以根据实际需要进行选择，可以为金属或非金属。作为示例，用于气路消声的可调谐大宽带消声器200的壳体材料可以为PP和PET，也可以是FR

请参阅图10，中间体22在进气孔14周围还设置圆形进气孔16，在排气孔15周围还设置圆形排气孔17。圆形排气孔的位置并不限定于图10中，只要设置在进气孔14和排气孔15周围即可。优选的，圆形进气孔16的直径小于第一隔板10的边长减去进气孔14边长的两倍，圆形排气孔17的直径小于第二隔板13的边长减去排气孔15边长的两倍。

优选的，用于气路消声的可调谐大宽带消声器200还包括上隔板和下隔板，分别位于中间体22的上下两侧，上隔板、中间体22、下隔板可以由3D打印一体成型，也可将上隔板、中间体22、下隔板注塑加工或者金属板材拼接成型，最后粘接成一体，可调谐大宽带消声器200的外壳厚度大于等于1mm。

用于气路消声的可调谐大宽带消声器200的性能主要根据声学超材料单胞结构100的尺寸参数和排布方式决定。声学超材料单胞结构100的尺寸参数包括：进气孔14的边长L2、第一插入隔板11的插入长度L3、第二插入隔板的插入长度、以及圆形进气孔16和圆形排气孔17的位置及直径D，单胞外壳12的长度L，第一隔板10和第二隔板13的边长L1，以及第一隔板10、第二隔板13、第一插入隔板11、第二插入隔板和单胞外壳12的厚度H，可以调整以上参数中的一个或多个。优选的，为了方便加工工艺，根据实际情况调整声学超材料单胞结构的长度、进气孔边长和第一插入隔板11和第二插入隔板的插入长度、排气孔边长和插入长度，其他参数保持不变。

以下结合具体实施例对本发明的用于气路消声的可调谐大宽带消声器以及消声效果进行说明。

实施例1：

为实现在1000Hz以内有大宽带消声效果，本实施例提供用于气路消声的可调谐大宽带消声器，其中，中间体的多个声学超材料单胞结构100呈阵列式排布，声学超材料单胞结构各参数为：单胞结构的长度L＝260mm，第一隔板和第二隔板均为方形隔板，方形隔板边长L1＝100mm，进气孔边长和排气孔边长L2＝70mm，进气孔和排气孔厚度H＝2mm，第一插入隔板和第二插入隔板的插入长度L3＝100mm。

进气口、进气腔体、排气口以及排气腔体均为矩形。进气口尺寸小于进气腔体尺寸，排气口尺寸小于排气腔体尺寸，保证气流是从小空间流入大空间。在垂直于气体流通方向上，进气腔体和排气腔体的尺寸均大于等于中间体的尺寸。

所述用于气路消声的可调谐大宽带消声器的壳体基材为PP+PET。

请参阅图11，通过仿真计算出传递损失，用于气路消声的可调谐大宽带消声器在400-1000Hz实现20dB消声效果。说明本发明的用于气路消声的可调谐大宽带消声器在在1000Hz以内有大宽带消声效果。

实施例2：

为实现1000Hz以内特定频点的消声效果，本实施例提供用于气路消声的可调谐大宽带消声器，其中，中间体的多个声学超材料单胞结构呈阶梯式排布，第一阶梯单胞结构各参数为：单胞结构的长度L＝260mm，第一隔板10和第二隔板13均为方形隔板，方形隔板边长L1＝100mm，进气孔边长和排气孔边长L2＝70mm，进气孔和排气孔厚度H＝2mm，进气孔插入长度L3＝100mm；第二阶梯单胞结构各参数为：单胞结构的长度L＝200mm，进气孔边长和排气孔边长L2＝75mm，第一插入隔板和第二插入隔板的插入长度L3＝23mm，其余参数与第一阶梯单胞结构一致；第三阶梯单胞结构各参数为：单胞就结构的长度L＝120mm，其余参数与第二阶梯一致。

进气口、进气腔体、排气口以及排气腔体均为矩形。进气口尺寸小于进气腔体尺寸，排气口尺寸小于排气腔体尺寸，保证气流是从小空间流入大空间。在垂直于气体流通方向上，进气腔体和排气腔体的尺寸均大于等于中间体的尺寸。

所述可调谐大宽带消声器的壳体基材为PP+PET。

请参阅图12，通过仿真计算出传递损失，用于气路消声的可调谐大宽带消声器在570Hz频点实现接近70dB的消声效果。说明本发明的用于气路消声的可调谐大宽带消声器1000Hz以内特定频点具有很好的消声效果。

实施例3：

为实现在600-700Hz频段、900Hz、1200Hz实现消声效果，本实施例将声学超材料阵列排布后加上圆形进排气小孔。单胞结构的长度L＝226mm，第一隔板10和第二隔板13均为方形隔板，方形隔板边长L1＝200mm，进气孔边长和排气孔边长L2＝144mm，厚度H＝2mm，第一插入隔板和第二插入隔板的插入长度L3＝100mm，圆形进排气孔的直径D＝20mm。

进气口、进气腔体、排气口以及排气腔体均为矩形。进气口尺寸小于进气腔体尺寸，排气口尺寸小于排气腔体尺寸，保证气流是从小空间流入大空间。在垂直于气体流通方向上，进气腔体和排气腔体的尺寸均大于等于中间体的尺寸。

所述用于气路消声的可调谐大宽带消声器的壳体基材为PP+PET。

请参阅图13，通过仿真计算出传递损失，用于气路消声的可调谐大宽带消声在600-700Hz实现最大46dB的消声效果，在900Hz实现了42dB的消声效果，在1200Hz实现了60dB的消声效果。说明本发明的用于气路消声的可调谐大宽带消声器在600-700Hz频段、900Hz、1200Hz能够实现消声效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中发明的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。