一种调频超薄、超稀疏、低频消声器件的共振单元及其用途

技术领域

本发明属于基于声学超材料的噪声控制领域，具体涉及一种调频超薄、超稀疏、低频消声器件的共振单元及其用途。

背景技术

噪声污染是仅次于大气污染与水污染的第三大公害。在生产领域中，机械设备的动力系统、机体振动及空气动力等方面会产生低频噪声。强烈的低频噪声会导致仪器设备失效甚至损坏，同时严重危害操作人员的身心健康。一个有效的控制噪声的方法就是通过在噪声传播的过程对噪声进行阻隔或吸收来降低噪声对环境的影响。传统低频消声/隔声材料的性能严格遵循质量密度定律，在低频范围就会产生大厚度与高密度的问题，从而限制了传统消声/隔声材料的应用范围。近年来，声学超材料尤其是声学超表面的出现为突破传统消声/隔声材料的限制提供了新的途径。声学超表面具有超薄、可开放和易于调控的特点，其优异的声波操控能力为设计超薄、开放的低频消声/隔声结构提供了理论方案和技术路径。

目前，在声学超材料方面，国内外研究人员主要通过设计薄膜谐振结构、圆柱吸声体及蜷曲空间结构实现隔声或消声效应。

薄膜谐振结构是在四周固定的弹性薄膜上附加一个不同质量的物块，通过改变薄膜张力调节其谐振频率，实现不同频带的隔声效应。

圆柱吸声体是通过设计模型外壳的折射率分布，将入射声能量沿着特定的传播路径引导进入吸声内核，实现消声效应。除此之外，研究人员通过设计具有特定复质量密度与体模量的二维圆柱结构，使得入射与散射声波的振幅相近，相位相反，从而实现了一种基于相干机制的圆柱吸声体。

蜷曲空间结构是通过设计一种具有高度对称性的蜷曲空间单元，基于单元的单极Mie共振模式，成功实现了低频声波的强反射效应。通过将蜷曲空间结构与穿孔板结合，可以实现超薄低频吸声。将其拓展应用到多层结构，能够实现宽带吸声效应。

传统技术存在的不足有以下几点：

(1)、传统消声/隔声材料的性能严格遵循质量密度定律，须通过增加材料的厚度或面密度来提高隔声量，其厚度一般要达到工作波长的1/4至1/2，因而在低频范围面临大厚度与高密度的问题；

(2)、传统消声/隔声材料工作频带通常是固定的，不易调节。

存在上述不足的原因首先是因为传统消声/隔声材料多为孔隙材料，主要基于空气在孔隙间的流动阻力实现对声能量的损耗，而低频范围，声音能量密度较低，声能量损耗效率不高，吸声效果较差；其次是由于传统消声/隔声材料结构不易调节，从而导致工作频率单一，缺乏对于不同应用场景的灵活性。

发明内容

针对现有技术中存在消声/隔声材料在低频范围的大厚度、高密度及工作频带单一、缺乏可调节性等不足，本发明提供了一种基于共振单元的超薄、超稀疏、低频消声器件，其设计尺寸小，具有深度亚波长特性，且结构简单，易于制作生产，同时具有良好的吸声性能且工作频带易于调节。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种调频超薄、超稀疏、低频消声器件的共振单元，其特征在于，所述共振单元为一个独立的正方形共振腔结构，其内部是一个方形的空气谐振腔，所述空气谐振腔由两个端面以及结构相同的第一蜷曲通道、第二蜷曲通道首尾相接围绕而成,两蜷曲通道呈中心对称分布；第一蜷曲通道、第二蜷曲通道的首尾均分别具有与外界连通的声道入口、向谐振空气腔中心延伸的声道出口，使所述空气谐振腔通过蜷曲通道与外界连通；所述声道入口为所述第一蜷曲通道或第二蜷曲通道外壁短于内壁形成的；所述蜷曲通道的壁厚为e，共振单元的边长为a＝100e/3，蜷曲通道的宽度t为：e/2≤t≤19e/6，两声道出口之间的间距b为：e/2≤b≤85e/3。

进一步地，所述共振单元是通过3D打印技术制备而成。

进一步地，所述共振单元的材质为有机玻璃、树脂材料中的一种。

进一步地，所述共振单元的工作频率范围为100-250Hz。

进一步地，所述共振单元的边长a＝100mm，蜷曲通道的壁厚e＝3mm，蜷曲通道的宽度t＝4mm，两声道出口之间的间距b＝8mm。

所述超薄、超稀疏、低频消声器件的共振单元的用途，其特征在于，将所述共振单元置于墙壁前方，且所述共振单元与墙壁的之间的间距d不超过15mm，用于吸收低频声波。

进一步地，多个所述的共振单元呈一排、等间距设置在墙壁前，所述共振单元的两条蜷曲通道的出口一个正对墙壁，另一个背对墙壁；所述共振单元与墙壁的之间留有间隙；相邻共振单元间距2a≤H≤7a。

所述超薄、超稀疏、低频消声器件的共振单元的用途，其特征在于，由六个两条蜷曲通道出口在中心腔内间距b和蜷曲通道的宽度t不同的共振单元构成组合单元，再将所述复合单元在墙壁前等间距的周期排列。

进一步地，所述组合单元中的六个共振单元的两声道出口之间的间距b和蜷曲通道的宽度t分别为：

第一共振单元：b＝66mm,t＝3mm；

第二共振单元：b＝8mm,t＝4mm；

第三共振单元：b＝29mm,t＝4.5mm；

第四共振单元：b＝8mm,t＝5.5mm；

第五共振单元：b＝17mm,t＝6mm；,

第六共振单元：b＝70mm,t＝2.5mm；

所述共振单元与墙壁之间的间距d＝5mm，相邻复合单元之间的中心间距S＝696mm。

进一步地，用于方形空间的消声，所述方形空间的四面墙壁在相互交界处，相交的两面墙壁中其中一个墙壁前阵列排布的复合单元与另一墙壁前阵列排布的复合单元之间首尾衔接。

本发明与现有技术相比，产生的有益效果是：

首先，本发明所提出的调频超薄、超稀疏、低频消声器件的共振单元能够基于本征共振模式实现优良的消声效应。在频率为141Hz，声能量吸收率达到0.99，在134.6Hz-147.4Hz频率范围声能量吸收率超过0.5，其相对带宽为9.1％。进一步的，通过改变单元蜷曲通道的宽度及蜷曲通道间隔距离可以调节工作频带，且该共振模式始终存在并表现出高质量的声吸收性能。利用本发明所述共振单元构建的调频超薄、超稀疏、低频消声器件的尺寸为深度亚波长，单元厚度为0.043λ、结构空间占比为25％，结构简单易加工制备，易集成。

附图说明

图1为本发明所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件的共振单元的截面结构示意图。

图2为通过3D打印制备的所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件的共振单元去除一个端面后的立体图。

图3为本发明所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件的实验装置示意图，其中共振单元为截面视图。

图4为本发明所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件的平面示意图，其中共振单元为截面视图。

图5为本发明所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件的实验装置实验测量和模拟的消声墙的声能量吸收率频谱图。

图6为本发明所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件模拟的对应于不同参数b的消声墙声能量吸收率频谱图。

图7为本发明所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件模拟的对应于不同参数t的消声墙声能量吸收率频谱图。

图8为本发明所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件构成的宽频带消声墙的结构示意图，其中共振单元为截面视图。

图9为本发明所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件构成的宽频带消声墙的模拟和实验测量的声能量吸收率频谱图。

图10为本发明中所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件构成的宽频带消声室的结构示意图。

图11为本发明所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件构成的宽频带消声室的声能量吸收率频谱图。

图12为本发明所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件构成的宽频带消声室，分别对应于消声室声能量吸收率频谱图中的A点和B点的消声室总声压场分布图。

图13为本发明所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件构成的宽频带消声室，分别对应于消声室声能量吸收率频谱图中的A点和B点的消声室反射声场的声能量分布图。

图中：1.电脑，2.数据控制器，3.功率放大器，4.声源，5.微型麦克风，6.共振单元，7.波导管，8.墙壁，9.组合单元，601.第一蜷曲通道，602.第二蜷曲通道，603.声道入口，604.声道出口，605.端面，61.第一共振单元，62.第二共振单元，63.第三共振单元，64.第四共振单元，65.第五共振单元，66.第六共振单元。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明提出的超薄、超稀疏、低频消声器件的共振单元6，为一个独立的正方形共振腔结构，其内部是一个方形的空气谐振腔，所述空气谐振腔由两个端面605以及结构相同的第一蜷曲通道601、第二蜷曲通道602首尾相接围绕而成,两蜷曲通道呈中心对称分布；第一蜷曲通道601、第二蜷曲通道602的首尾均分别具有与外界连通的声道入口603、向谐振空气腔中心延伸的声道出口604，使所述空气谐振腔通过蜷曲通道与外界连通；所述声道入口603为所述第一蜷曲通道601或第二蜷曲通道602外壁短于内壁形成的。所述共振单元6的边长为a，蜷曲通道的壁厚为e，蜷曲通道的宽度为t，两声道出口604之间的间距为b。

所述的调频超薄、超稀疏、低频消声器件的声能量吸收效应是基于共振单元6的本征共振模式的激发，声能量被吸入单元内部，在此过程中通过狭窄通道中空气与壁之间的黏性摩擦进行耗散。所述的调频超薄、超稀疏、低频消声器件具有优良的低频声能量吸收效应。声波信号垂直入射，对应于特征频率的声波信号会被共振单元6几乎完全吸收。

改变单元蜷曲通道的宽度及两条通道之间的间隔距离可以调控单元的工作频率，具体的，所述共振单元6的蜷曲通道的壁厚为e，边长a＝100e/3，蜷曲通道的宽度t为e/2≤t≤19e/6，两声道出口604之间的间距b为：e/2≤b≤85e/3，工作频率范围为100-250Hz。

所述共振单元6是通过3D打印技术制备而成，所使用的材质为机玻璃、树脂材料中的一种。

实施例1

采用3D打印技术制作共振单元6，如图2所示，所制作的共振单元6的边长为a＝100mm，蜷曲通道的壁厚e＝3mm，蜷曲通道的宽度为t＝4mm，两声道出口604之间的间距为b＝8mm，所采用材料的参数分别为：共振单元6的密度1180kg/m

为了核实本发明所述调频超薄、超稀疏、低频消声器件的声吸收效应，采用有限元方法数值模拟了消声器件的声能量吸收性能，并通过波导管7中双传感器测量法进行实验验证，模拟及实验的结果具体如下：

图3为所述消声器件的声吸收性能的实验测量装置，包括：电脑1、数据控制器2、功率放大器3、声源4、微型麦克风5、被测样品和波导管7。所述实验测量装置采用波导管7内双传感器测量法，所述波导管7由有机玻璃构成，其宽度与相邻共振单元6的间距相等，满足声场硬边界条件；3D打印的共振单元6置于波导管7内右端，所述声源4为喇叭阵列，置于波导管7左侧，通过功率放大器3驱动，两个微型麦克风5通过小孔伸入波导内部采集声压及相位信息并通过数据控制器2进行收集，最后由终端电脑1进行处理。同时，模拟实验的所有参数均与实际测量的参数相同，得到图5所示的模拟和测量的消声器件的声能量吸收率的频谱图。从图中可以看到，模拟与测量的结果吻合较好，声能量吸收率在141Hz达到峰值，约为0.99，在134.6Hz-147.4Hz频率范围内声能量吸收率超过0.5，其相对带宽为9.1％，表现出优良的低频吸声性能。

图6和图7分别为仿真模拟测量不同两声道出口604之间的间距b和蜷曲通道宽度t的共振单元6的声能量吸收率频谱图。从图中可以看到，当其他结构参数均保持不变时，通过调节蜷曲通道宽度t，配合改变两声道出口604之间的间距b，可以在100Hz-180Hz范围内实现对工作频率的连续调控并保持高质量的吸声性能。提供进一步扩大两声道出口604之间的间距b和蜷曲通道宽度t调节范围，共振单元6的工作频率可增大至250Hz。另外，所述共振单元6的工作频率会随着整体结构参数按比例缩放，当所述共振单元6的所有结构参数扩大一倍，其工作频率减小为原来的二分之一，反之若共振单元6的所有结构参数减小为原先的二分之一，则其工作频率提高到原来的2倍。

实施例2：消声器件一

将多个共振单元6等间距排列的设置在墙壁8前方，共振单元6与墙壁8之间的留有间隙，且所述共振单元6与墙壁8的之间的间距d不超过15mm，所述消声器件中相邻共振单元6间距2a≤H≤7a。声波信号垂直于墙面入射，即每一个共振单元6的两个蜷曲通道的出口一个正对墙壁8，一个背对墙壁8。此种排列方式构成一种调频超薄、超稀疏、低频消声器件，如图3所示。本实施例中共振单元6的结构参数与材料参数均与实施例1中的相同，共振单元6与墙壁8之间的间隙宽度为d＝5mm，相邻共振单元6的间距为H＝4a＝400mm。

所述共振单元6的厚度为声信号波长的0.043、结构空间占比为25％，由此得到的消声器件具有深度亚波长及超稀疏的结构特征。

实施例3：消声器件二

图8为所述共振单元6构建的另一种调频超薄、超稀疏、低频消声器件，首先由六个两声道出口604之间的间距b和蜷曲通道的宽度t不同的共振单元6呈一排、等间距排列构成一个组合单元9；再将该组合单元9在墙壁8前周期排列形成组合单元9阵列，构成消声器件。声波信号垂直入射，即每一个共振单元6的两个蜷曲通道的出口一个正对墙壁8，一个背对墙壁8。所述组合单元9中相邻共振单元6的之间的间隙为h＝16mm，六个共振单元6的b和t如下：

第一共振单元61：b＝66mm,t＝3mm；

第二共振单元62：b＝8mm,t＝4mm；

第三共振单元63：b＝29mm,t＝4.5mm；

第四共振单元64：b＝8mm,t＝5.5mm；

第五共振单元65：b＝17mm,t＝6mm；,

第六共振单元66：b＝70mm,t＝2.5mm。

所述共振单元6与墙壁8之间的间距d＝5mm，相邻组合单元9之间的中心间距S＝696mm。

图9为本实施例的消声器件的模拟和实际测量的声能量吸收率的频谱图，所使用的实验测量的方法与实施例1中的相同。从图中可以看出，本实施例的消声器件在116.4Hz-174.8Hz的频率范围内，声能量吸收率超过0.5，相对带宽达到40％，表现出良好的宽带低频声吸收性能；且模拟结果与实验结果基本吻合。

实施例4：方形消声室的消声器件

本实施例中消声器件为适用于方形空间。是将实施例2中所述组合单元9采用首尾衔接的方式放置在方形消音室的四面墙壁8前所构成的，如图10所示。即所述方形空间的四面墙壁8在相互交界处，相交的两面墙壁8中其中一个墙壁8前阵列排布的组合单元9与另一墙壁8前阵列排布的组合单元9之间首尾衔接。每一面墙上排列的组合单元9的组数N＝9，柱面声源设置在方形消音室的中心位置O点处。图11为所述消声室模拟的声能量吸收率频谱图，从图中可以看到，在117Hz-172.4Hz的频率范围内，声能量吸收率超过0.5，相对带宽达到38.3％，吸声表现与实施例2相近，展现出优良的全方位、宽频带低频吸声性能。

图12分别为模拟得到的与图11中A点(149Hz)和B点(161Hz)相对应的消声室总声压场分布图，图13分别是与图12中相对应的反射声场声能量分布图。从图中可以得出，消声室总声压场分布图与自由场空间的声压场分布图非常接近，说明所有方向的入射声波几乎均被消声室吸收，而反射声场声能量分布图也证实了来自消声室墙壁8的反射声波非常微弱，因此，所述该消声器件具有良好的全方位、宽频带低频吸声的性能。在此实施例中的消声室墙壁8厚度仅为105mm，是采用消音棉的传统消声室墙壁8厚度的1/10左右，解决了传统消声/隔声材料的性能严格遵循质量密度定律，必须通过增加材料的厚度或面密度来提高隔声量，因而在低频范围面临大厚度与高密度的问题。

综上，本发明提出的调频超薄、超稀疏、低频消声器件，主体为背靠墙壁8的共振单元构成的阵列。共振单元是由中央的方形空气谐振腔以及两条围绕的对称狭长蜷曲通道构成一个正方形共振腔，其中中央方形腔通过连接两条蜷曲通道与外界相通。所设计的消声器件具有良好的低频声吸收效应，通过调节共振单元的蜷曲通道的宽度和两条蜷曲通道之间的分隔距离，就能够对消声器件的工作频带进行调控，其调节频率范围为100Hz-250Hz；共振单元的厚度为0.043λ，具有深度亚波长的特性，解决了传统吸声材料在低频范围过于厚重的问题；，该调频超薄、超稀疏、低频消声器件具有超宽的单元间距，结构空间占比为25％，通过组合不同参数的共振单元构成复合消声器件，可以在不改变整体结构厚度的前提下实现宽频带的声吸收的目的。

本发明提出的调频超薄、超稀疏、低频消声器件具有高品质的消声性能，且结构简单，易于加工制作，便于安装，可广泛应用于噪声控制、建筑声学、环境保护等领域。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。