一种用于高流速管道的声学超材料消声器

本发明涉及声学超材料消声设备，尤其涉及一种用于高流速管道的声学超材料消声器。

背景技术：

1、近年来，噪声污染问题越来越被重视，但目前噪声污染问题仍然广泛存在，比如汽车管路、航空发动机、工业园区等，在其中一些需要管道通风的场景下，管道噪声问题尤为突出。管道消声器在汽车船舶、航空航天、工业生产等领域具有重要应用，传统消声器可分为阻性消声器、抗性消声器、复合式消声器等。但均主要存在以下问题：首先，消声器有固有的工作频段，当管道中噪声频率较低时，传统消声器受限于噪声波长、质量定律等，往往对高频噪声效果更佳或者需要较大的外形尺寸，在实际使用中被限制。而声学超材料作为超材料在声学领域的具体应用，也称声学超结构或声学超构材料。通过调整声学超材料单元的结构参数并将多个单元进行拓扑排列，可获得自然材料不具备的负质量密度、负体积模量、负泊松比及近零折射率等，以此实现对不同频率噪声的宏观调控。目前对于声学超材料的管道中应用的研究较少，但就已有研究成果来看，使用声学超材料替换传统声学材料对消声器的有效带宽、消声量及低频消声效果有极大提高。

2、但是，现有技术中的声学超材料消声器存在两方面缺点：第一，当管道内存在流场时，消声器侧枝产生涡流，涡脱落产生二次噪声辐射，从而在管道中引入了新的噪声源。第二，消声效果和应用范围局限于小口径管道，要想实现宽频降噪效果就需要在轴向上串联多个消声器，导致无法保证其外形尺寸在实际应用中满足实际的空间要求，从而无法对不同的频率噪声进行衰减。

3、为此，针对上述的技术问题还需进一步解决。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的是提供一种用于高流速管道的声学超材料消声器，以实现控制流体在谐振单元内的流动，避免流体对各反向谐振通道入口处的冲击而产生的涡流，从而抑制了二次噪声辐射。同时，实现宽频降噪，避免额外在轴向上串联多个消声器而导致无法保证其外形尺寸在实际应用中满足实际的空间要求，从而实现对不同的频率噪声进行衰减。

2、为解决上述技术问题，本发明实施例提供如下技术方案：

3、本发明第一方面提供一种用于高流速管道的声学超材料消声器，包括：

4、谐振单元；

5、反向谐振通道，分别设置在所述谐振单元内，并且相邻的反向谐振通道之间的通道路径相反；

6、第一连接单元，设置在所述谐振单元的上部，并且与所述谐振单元相连接；

7、第二连接单元，设置在所述谐振单元的下部，并且与所述谐振单元相连接；

8、第一中心通道，由所述谐振单元和所述第一连接单元以及所述第二连接单元共同围成；

9、第一通管，设置在所述第一中心通道内，并且与所述第一中心通道相连接；

10、声流分离单元，与所述第一通管相连接，并且设置在各所述反向谐振通道的入口处。

11、进一步地，所述谐振单元包括：

12、第一谐振隔板，同时与所述第一连接单元和所述第二连接单元相连接；

13、第二谐振隔板，位于所述第一谐振隔板的内侧，所述第二谐振隔板与所述第一通管相连接并且同时与所述第一谐振隔板反向连接；

14、第三谐振隔板，位于所述第二谐振隔板的内侧，所述第二谐振隔板与所述第一通管相连接并且同时与所述第二谐振隔板反向连接；

15、第四谐振隔板，位于所述第三谐振隔板的内侧，所述第二谐振隔板与所述第一通管相连接并且同时与所述第三谐振隔板反向连接；

16、第五谐振隔板，位于所述第四谐振隔板的内侧，所述第二谐振隔板与所述第一通管相连接并且同时与所述第四谐振隔板反向连接。

17、进一步地，所述第一谐振隔板包括第一隔板以及与所述第一隔板相连接的第二隔板，并且靠近所述第一隔板侧的所述第二隔板的端部与靠近所述第二隔板侧的所述第一隔板的端部相连接；

18、所述第二谐振隔板包括第三隔板以及同时与所述第三隔板和所述第二隔板相连接的第四隔板，所述第三隔板还连接至所述第一通管；

19、所述第三谐振隔板包括第五隔板以及同时与所述第五隔板和所述第三隔板相连接的第六隔板，所述第五隔板还连接至所述第一通管；

20、所述第四谐振隔板包括第七隔板以及同时与所述第七隔板和所述第五隔板相连接的第八隔板，所述第七隔板还连接至所述第一通管；

21、所述第五谐振隔板包括第九隔板以及同时与所述第九隔板和所述第七隔板相连接的第十隔板，并且靠近所述第十隔板侧的所述第九隔板的端部与靠近所述第九隔板侧的所述第十隔板的端部相连接，所述第九隔板和所述第十隔板还均连接至所述第一通管。

22、进一步地，所述反向谐振通道包括：

23、第一通道，由所述第一连接单元、所述第一隔板、所述第二隔板、所述第四隔板和所述第三隔板共同围成；

24、第二通道，由所述第二隔板、所述第四隔板、所述第三隔板、所述第六隔板和所述第五隔板共同围成；

25、第三通道，由所述第三隔板、所述第六隔板、所述第五隔板、所述第八隔板和所述第七隔板共同围成；

26、第四通道，由所述第五隔板、所述第八隔板、所述第七隔板、所述第十隔板和所述九隔板共同围成。

27、进一步地，所述第一通道的入口靠近所述第一连接单元侧；

28、所述第二通道的入口靠近所述第二连接单元侧；

29、所述第三通道的入口靠近所述第一通道的入口侧，并且与所述第一通道的入口相邻；

30、所述第四通道的入口靠近所述第二通道的入口侧，并且与所述第二通道的入口相邻。

31、进一步地，所述第一连接单元包括与所述第一通管相连接的第一盖件，以及与所述第一盖件相连接的第二盖件，所述第一盖件上设置有第一螺纹；

32、所述第二连接单元包括同时与所述第一通管和所述第二隔板相连接的第三盖件，所述第三盖件上设置有第二螺纹。

33、进一步地，所述声流分离单元包括：

34、第一分离网，与所述第一通管相连接，并且设置在所述第一通道的入口处；

35、第二分离网，与所述第一通管相连接，并且设置在所述第二通道的入口处；

36、第三分离网，与所述第一通管相连接，并且设置在所述第三通道的入口处；

37、第四分离网，与所述第一通管相连接，并且设置在所述第四通道的入口处。

38、进一步地，在所述第四通道中：

39、靠近所述第八隔板侧的所述第九隔板的端部与所述第八隔板之间的距离为第一间距，所述第一间距的声阻抗模型为：

40、

41、其中，i为虚数单位，ρ为介质等效密度，c为等效声速，sa为第一间距的横截面面积，sv为参考体积，k为波数，ha为第一间距至第七隔板之间的距离，n为阶次，j0为0阶第一类贝塞尔函数，y0为0阶第二类贝塞尔函数，γrn为n阶径向波数，为n阶径向归一化波数；

42、靠近所述第八隔板侧的所述第九隔板的端部与所述第五隔板之间的距离为第二间距，所述第二间距的声阻抗模型为：

43、

44、其中，s为第二间距的面积，v为参考体积，h为等效高度，为波函数，ξrn为参考径向波数；

45、所述第四通道的入口处的声阻抗模型为：

46、

47、其中，j1为1阶第一类贝塞尔函数，y1为1阶第二类贝塞尔函数，r为参考半径。

48、进一步地，位于所述第四通道的入口处的所述第四分离网的声阻与所述第四通道的入口处的声阻共同组成所述第四通道内部产生的总声阻。

49、进一步地，声音从所述第一盖件向所述第三盖件传递过程中的投射系数的模型为：

50、

51、式中，n为谐振区域数量，αn,m约等于1，v等于e-ikz，δnm是狄拉克挑选函数，g为格林函数；

52、声音从所述第一盖件向所述第三盖件传递过程中的声传递损失的模型为：

53、stl＝-20×log10(|t|)。

54、相较于现有技术，本发明第一方面提供的用于高流速管道的声学超材料消声器，声音从第一连接单元向第二连接单元方向传递的过程中，声流分离单元在第一中心通道内的第一通管中实现了声-流分离，并且控制流体在谐振单元内的流动，避免流体对各反向谐振通道入口处的冲击而产生的涡流，从而抑制了二次噪声辐射。同时，声流分离单元结合在谐振单元内各反向谐振通道中，由于相邻的反向谐振通道之间的通道路径相反，实现了宽频降噪，避免额外在轴向上串联多个消声器而导致无法保证其外形尺寸在实际应用中满足实际的空间要求，从而实现了对不同的频率噪声进行衰减。