[发明专利]一种用于吸声降噪的低频吸声结构

说明书

本发明公开了一种用于吸声降噪的低频吸声结构。该吸声结构为半圆柱的封闭空腔体，空腔体上设有开孔；空腔体内设有长管，长管的一端与空腔体室内连通，长管的另一端与开孔相通。整个吸声结构可由同种材料制备而成，其吸声性能由结构而非材料的物质属性决定。本发明的结构具有低频宽带的优越吸声性能，可以根据需求频率进行定制化设计结构参数，而且机械性能稳定，制造成本低廉，具有很大的应用价值。

技术领域

本发明属于噪声吸收的声学功能材料领域，具体涉及一种用于吸声降噪的低频吸声结构。

背景技术

声音的吸收在室内声学以及环境噪声控制方面具有重要意义，自上世纪开始对吸声的研究、应用层出不穷，人耳可听声波频率范围20Hz到20000Hz，声波在空气中的吸收，即损耗通常是很小的，因此，声波的损耗主要通过两种机理发生的：一是在固体表面与空气的粘滞损耗，由于固体表面的粘性边界层无滑移，固体界面存在一个粘性层，一般来说，速度梯度差越大，粘滞损耗也就越大；二是空气与固体表面之间的热传导，由于固体的热导率与空气不同(通常远远大于空气)，可以假设固体结构的温度为一个常数，内部由于空气的绝热压缩与延伸，必然会在空气—固体接触面局域存在一个温度梯度差，声能转化为热能产生损耗，大小与比热有关。从以上研究可以发现，想有较大的吸声系数要求空气与固体的接触面积必然要很大，而多孔材料的空气-固体接触面面积通常很大。

声波的传播与非常小的空气位移速度有关，其作为频率函数的耗散必须服从线性响应理论，其中广义通量(例如电流密度，流速，热通量)与广义力成线性比例(例如，电场强度，压力，温度的梯度)。由于耗散力作为速率的函数线性变化(例如，摩擦力随着相对速度而线性变化)，耗散功率由力和通量的乘积给出，因此声波的耗散是频率的二次函数。因此，对于低频声波，耗散本质上比高频声波弱得多。声波的损耗一般考虑两个参量，有效损耗系数和阻抗匹配，可以认为，声波的整个结构有效损耗系数与能量密度和损耗系数的乘积成正比，传统的多孔材料通过较大的空气—固体接触面积来提高损耗系数，然后把其中的吸收结构设计为锥形来提高阻抗匹配程度。考虑以上原因，共振吸声拥有极为显著的优点：共振时一般具有极高的能量密度，很高的能量密度情况下即使本身损耗不强的情况下仍然具有特别好的吸声现象，以及更高的阻抗匹配程度导致入射声能和吸声结构的更好的耦合。所以，共振器吸声在低频阶段是最优的设计选择。

传统的共振器结构尺度在一个波长以上，对于低频声波而言其波长常常超过1m，动辄数米数十米尺度的吸声结构很难真正投入到应用，利用声学超材料(acousticmetamaterials)的新理念可以很好地处理这个问题。

发明内容

为了克服传统多孔材料低频下吸声性能较差，尺寸较大，薄膜型超构材料制备复杂，由于蠕变机械性能不稳定，不能长期使用等问题，本发明提供一种“折叠空间”式的亥姆霍兹器的吸声结构，结构的厚度可以达到波长的几十分之一更甚。

为了实现上述发明的目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于吸声降噪的低频吸声结构，为半圆柱的封闭空腔体，空腔体上设有开孔；空腔体内设有长管，长管的一端与空腔体室内连通，长管的另一端与开孔相通。

进一步地，长管的内壁上设有梳齿状结构。

进一步地，长管的两侧内壁上设有交错排列的梳齿状结构。

进一步地，所述低频吸声结构采用同一种材料。

进一步地，长管的边长远小于吸声结构吸声时声波的波长。

本发明提供的吸声结构与现有技术相比，具有以下优点：

(1)在满足结构声学要求的前提下，采用同一种材料，使得制备工艺简单；

(2)吸声结构的声学性能基于结构单元而非材料属性，结构的制备可以通过增材工艺的3D打印技术，方式简单；