一种多级超构声衬及其设计方法

本发明属于声音降噪，涉及一种多级超构声衬及其设计方法。

背景技术：

1、在我国航空发动机研发战略、潜艇、交通和日常生活领域，噪声问题逐渐成为技术瓶颈之一。噪声过高会导致无法满足国际适航条例的噪声规范、潜艇的生存能力降低，还会对社会、建筑和人的身心健康带来危害。以航空发动机研发战略领域为例，随着航空发动机的尺寸逐步增大，带来的低频宽频噪声问题日趋突出，同时消声短舱的直径和长度比的变大也使得声衬的设计难度加大，单/双自由度声衬是基于声学穿孔板理论，通过引入共振可大幅提升中低频的吸声性能。然而由于共振结构自身的窄带特征，无论是单自由度还是双自由度声衬的工作带宽(吸收峰)较窄，逐渐无法满足航空发动机中宽频噪声的降噪需求，且针对低频段设计的声衬结构往往较为厚重。而极个别多自由度穿孔板也是单元单独设计，并未考虑单元之间的耦合。

技术实现思路

1、本发明提供一种多级超构声衬及其设计方法，得到的声衬结构轻薄且吸声带宽更宽。

2、本发明提供一种多级超构声衬，包括至少四个依次并联耦合的共振腔单元；

3、所述共振腔单元包括多个依次间隔串联的穿孔板和空腔件。

4、进一步的，所述穿孔板的穿孔率自靠近声音进入端而增大，所述穿孔板的厚度自靠近声音进入端而降低，所述空腔件的高度自靠近声音进入端而增大。

5、进一步的，所述共振腔单元包括至少两个长和宽相等，高度不相等的所述空腔件。

6、进一步的，所述空腔件的长度范围为5-16.9mm，宽度范围为9.7-12.2mm，高度范围为5.4-19.5mm，空腔件的壁厚范围为0.5mm-3mm。

7、进一步的，各个所述共振腔单元包括至少两个穿孔板；所述穿孔板上的微孔的孔径范围为0.6-1mm，各个所述微孔的孔径相同。

8、进一步的，包括四个依次并联耦合的共振腔单元；所述共振腔单元呈田字形排列。

9、进一步的，所述共振腔单元包括第一共振腔单元、第二共振腔单元、第三共振腔单元和第四共振腔单元；

10、各个所述共振腔单元包括至少两个长和宽相等，高度不相等的所述空腔件；

11、所述第一共振腔单元和所述第二共振腔单元的各个所述空腔件的宽度均相等，所述第三共振腔单元和所述第四共振腔单元的各个所述空腔件的宽度均相等；所述第一共振腔单元和所述第二共振腔单元的各个所述空腔件的宽度大于所述第三共振腔单元和所述第四共振腔单元的各个所述空腔件的宽度；

12、所述第一共振腔单元、第二共振腔单元、第三共振腔单元和第四共振腔单元中的各个所述空腔件的长度和高度均不相等。

13、进一步的，所述第一共振腔单元、第二共振腔单元、第三共振腔单元和第四共振腔单元分别包括靠近声音进入端的第一穿孔板、第二穿孔板、第三穿孔板和第四穿孔板；

14、所述第一穿孔板、所述第二穿孔板、所述第三穿孔板和所述第四穿孔板上的微孔分别排列成m1、m2、m3和m4行以及n1、n2、n3和n4列，其中，m2＞m1＝m3＝m4，n4＞n1＞n2＝n3；

15、所述第一共振腔单元、第二共振腔单元、第三共振腔单元和第四共振腔单元还分别包括第五穿孔板、第六穿孔板、第七穿孔板和第八穿孔板；

16、所述第五穿孔板、所述第六穿孔板、所述第七穿孔板和所述第八穿孔板上的微孔分别排列成m5、m6、m7和m8行以及n5、n6、n7和n8列，其中，m6＞m5＞m8＞m7，n8＞n5＞n7＞n6。

17、本发明还提供一种多级超构声衬设计方法，设计上述的多级超构声衬，所述设计方法包括：

18、通过传递矩阵法计算所有共振腔单元的表面声阻抗，并根据所述表面声阻抗、边界条件和入射条件计算所述多级超构声衬的反射声压幅值，并根据声压幅值计算吸声系数，根据所述吸声系数及优化计算，获取所述多级超构声衬的最优结构参数。

19、进一步的，当各个所述共振腔单元包括两个所述穿孔板和两个所述空腔件时；定义靠近声音进入端的穿孔板为上穿孔板，另一所述穿孔板为下穿孔板，靠近声音进入端的空腔件为上空腔件，另一所述空腔件为下空腔件；

20、定义所述上穿孔板上方的空气域为区域i，所述上穿孔板所在区域为区域ii，所在上空腔件所在区域为区域iii，所在下穿孔板所在区域为区域iv；所述下空腔件所在区域为区域v；计算当入射角为θi的平面波入射时区域i的声压，并根据边界条件，确定区域i处的声压的限制情况，并由入射声压幅值计算反射声压幅值，最终得到多级超构声衬的吸声系数。

21、进一步的，通过传递矩阵法计算所有共振腔单元的表面声阻抗包括：

22、

23、其中，p0表示共振腔单元表面的声压，v0表示共振腔单元表面的体积速度，ph表示下空腔件底部的声压，vh表示下空腔件底部的体积速度；m表示传递矩阵；

24、

25、其中，n为不同共振腔单元的层数，k为不同区域的波数，l表示不同共振腔单元的高度，z为不同区域的复特征阻抗，s为不同区域的横截面积；j为虚数单位，即j2＝-1，an表示为第n个空腔，pn表示为第n个穿孔板。

26、根据底部硬边界条件的vh＝0，得到的不同共振腔单元的阻抗

27、进一步的，根据声波方程和边界条件计算区域i的声压为：

28、

29、其中，m＝0,±1,...±m，n＝0,±1,...±n，m为x方向上散射波的总模式数，n为y方向上散射波的总模式数；表示反射声压的幅值；表示入射声压的幅值；其中，分别表示区域i中x，y，z方向的波矢分量，λm,n＝(n-1)m+m，为衍射阶数的序号，a为共振腔单元的长度。

30、进一步的，据所述声压和法向质点振速连续条件，得到非齐次线性方程组：其中，ii＝(inm inm … inm … inm)t，inm为单位矩阵，n1与n2均为系数矩阵；

31、其中，

32、由得：

33、其中，ci表示第i个共振腔单元的长，di表示第i个共振腔单元的宽；λm′,n′＝(n′-1)m+m′为衍射阶数的序号；

34、计算得到与的大小；其中，表示入射声压的幅值，表示反射声压的幅值；

35、由此可得，第i个共振腔单元的声阻抗ρ0,ω分别为空气密度和角频率，si为第i个共振腔单元中第i个区域的横截面积。

36、进一步的，通过能流计算吸声系数a，所述方法包括：

37、

38、其中，是第(m,n)阶反射波与z轴之间的夹角；

39、

40、其中，δ表示为空腔件开口处内壁与外壁之间的厚度，a-为入射波的幅值，a+为反射波的幅值，θr为入射波的角度，r为能流反射系数；

41、所述吸声系数表示为：α＝1-r。

42、相比于现有技术，本发明至少具有以下技术效果:

43、本发明采用多层穿孔板串联组成共振腔单元而后再将共振腔单元并联，构建多级超构声衬，相对于传统的穿孔板加蜂窝型背腔的声衬结构，本发明的声衬结构更轻薄，工作频带更宽。

44、进一步的，本发明采用模式匹配方法建立模型，考虑到高阶模式声波的传播情况以充分利用各部分器件之间的耦合效应，在设计过程中能够更加准确地描述声波传播情况，有利于高效地实现声衬的按需设计且进一步压缩吸声器件厚度，使得器件更加轻薄。