一种组合原理声学超材料结构

本申请涉及降噪材料，具体涉及一种组合原理声学超材料。

背景技术：

1、声学超材料是一个新兴领域，其在降噪领域的应用优势在于降噪效果主要依赖于结构而非材料。进一步地说，对于膜式声学超材料影响其降噪效果的材料性能基本上只有刚度，而刚性声学超材料只要求材料为硬质，且单元尺寸可比对应降噪的声波长小一到两个数量级。因此“声学超材料”实际是对这一类相对小尺寸的降噪结构的统称。我们考虑应用其替换家用呼吸机中的传统消音棉进行降噪。

2、声学超材料领域中亥姆霍兹共振腔是一种在特定频率下具有优秀降噪效果的超构材料，尤其在低频降噪领域显示出了优良的性能。然而其降噪频带窄、占用空间偏大的问题限制了其在小体积空间条件下的应用。

3、折叠空间卷曲式超构材料中的迷宫式结构是一种宽谱降噪结构，通过延长流道在有限的空间内提高摩擦导致的声热能转化，然而复杂的结构易在呼吸机内引起过大的流噪和影响气流量。

技术实现思路

1、本实用新型提供的组合原理声学超材料结构，包括上层结构和下层结构，此二层结构共用中间基板和侧包围板。其中，上层结构包括中间基板、顶部板以及中间基板和顶部板之间的侧包围板，在中间基板和/或顶部板上伸出的垂直于气流整体方向的若干(一个或多个)挡板。多个挡板沿气流整体方向平行交错排列，所有挡板等长，相邻挡板等距，气流出入口位于上层结构中的侧包围板上并设置于挡板群的前方和后方的侧面；为配合呼吸机流场环境(减小流动阻力和降低流动噪声)，将挡板截面形状设置为梯形，具体地，在横截面上，挡板与中间基板和顶部板的连接处相比于自由端更宽，同时将挡板上、下棱设置为圆滑曲线(圆角)。下层结构组成包括中间基板、底部平板以及中间基板和顶部板之间的侧包围板，下层结构中形成一个腔室，也可以通过中间隔板隔成多个腔室，在中间基板上对应于每个腔室开设有开口，从而形成共振腔。

2、可选地，所述组合原理声学超材料结构由不易降解的刚性材料制成。

3、可选地，所述组合原理声学超材料结构的材料为光敏树脂。

4、可选地，所述组合原理声学超材料结构采用光固化3d打印机制成；可选地，下层结构中的各腔室形状和/或各腔室体积不同。

5、可选地，中间基板、顶部板、底部板、下层侧壁、中间隔板的形状、厚度并不规则，中央基板可以不为平板，但需保证除中间基板上设置的开口外，腔室内部空气域没有其他位置与外界相接。

6、可选地，基板上开口的形状可以为方形、圆形或多边形。

7、所述上层结构和下层结构可为一体结构，或由中央基板以及连接于中央基板的挡板和/或分隔板作为一个部件，其他结构包括顶板、底板和侧壁作为另一部件，两部件粘接形成整体结构。

8、综上，本实用新型提供了一种组合原理声学超材料结构，其上层为迷宫结构，下层为亥姆霍兹共振腔，各层结构作用如下：

9、对于上层结构，在外来声场由气流入口进入通过挡板群再从气流出口流出的过程中，声波通过被挡板延长的流道，增加了摩擦导致的声热能转换；同时，挡板缩窄了流道的宽度，同时垂直于流道的方向，将对部分声波进行反射，反射回的声波在碰壁后又重新进入挡板群，在反复反射的过程中进一步延长了声波通过的路程。通过出入口不正对的流道结构和迷宫挡板布置还能够提高声波进入下层结构的亥姆霍兹共振腔的几率。需要注意的是，对于本实用新型应用的场景，以正压式呼吸机为例，将组合原理声学超材料结构安装于呼吸机风机与呼吸机气流入口之间，气流流向和声波传播方向是相反的(气流向内，声波向外)，但对于如呼吸机一般流速不大的场景影响不大。

10、对于下层结构，亥姆霍兹共振腔可理解为一种谐振器，其细颈处的空气类比弹簧，腔体内部的空气类比质量块，当与该共鸣器的固有频率相同的声波传入时引起细颈内的空气振动，消耗声能消声，形成声禁带。其固有频率与腔体的形状无关，只与腔体的体积和颈口尺寸相关。通过设计颈口尺寸和腔体体积，令共振腔的声禁带位于高噪声频率。如此配合宽频降噪的迷宫式结构和在高噪频率有优异降噪效果的亥姆霍兹共振腔，适合如呼吸机噪声一般分布频率范围广，但高噪声集中于某些频段的噪声分布情况。

技术特征：

1.一种组合原理声学超材料结构，包括上层结构和下层结构，此二层结构共用中间基板和侧包围板；其特征在于，所述上层结构包括中间基板、顶部板以及中间基板和顶部板之间的侧包围板，在中间基板或顶部板上伸出一个垂直于气流整体方向的挡板；气流出入口分列于挡板前后方的侧面；

2.根据权利要求1所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，挡板从中间基板和/或顶部板上垂直延伸设置有多个，多个挡板沿气流整体方向平行交错排列，所有挡板等长，相邻挡板等距，气流出入口位于挡板群前方和后方的侧面。

3.根据权利要求1或2所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，挡板横截面形状设置为梯形；具体地，在横截面上，挡板与中间基板和/或顶部板的连接处相比于自由端更宽，挡板的自由端设置为圆滑曲线。

4.根据权利要求1或2所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，下层结构中通过中间隔板隔成多个腔室，在中间基板上对应于每个腔室开设有开口，并且除中间基板上设置的开口外，各腔室内部空气没有其他位置与外界相接，从而形成多个共振腔。

5.根据权利要求3所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，下层结构中通过中间隔板隔成多个腔室，在中间基板上对应于每个腔室开设有开口，并且除中间基板上设置的开口外，各腔室内部空气没有其他位置与外界相接，从而形成多个共振腔。

6.根据权利要求1或2或5所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，该组合原理声学超材料结构可由任意不易降解的刚性材料制成。

7.根据权利要求3所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，该组合原理声学超材料结构可由任意不易降解的刚性材料制成。

8.根据权利要求4所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，该组合原理声学超材料结构可由任意不易降解的刚性材料制成。

9.根据权利要求5所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，该组合原理声学超材料结构可由任意不易降解的刚性材料制成。

10.根据权利要求6所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，该组合原理声学超材料结构为光敏树脂，采用光固化3d打印机制成。

11.根据权利要求7-9任一项所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，该组合原理声学超材料结构为光敏树脂，采用光固化3d打印机制成。

12.根据权利要求1、2、5、7-10任一项所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，下层结构中的各腔室形状和/或各腔室体积不同。

13.根据权利要求3所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，下层结构中的各腔室形状和/或各腔室体积不同。

14.根据权利要求4所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，下层结构中的各腔室形状和/或各腔室体积不同。

15.根据权利要求6所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，下层结构中的各腔室形状和/或各腔室体积不同。

16.根据权利要求11所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，下层结构中的各腔室形状和/或各腔室体积不同。

17.根据权利要求1、2、5、7-10、13-16任一项所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，开口的形状可以为方形、圆形或多边形。

18.根据权利要求3所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，开口的形状可以为方形、圆形或多边形。

19.根据权利要求4所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，开口的形状可以为方形、圆形或多边形。

20.根据权利要求6所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，开口的形状可以为方形、圆形或多边形。

21.根据权利要求11所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，开口的形状可以为方形、圆形或多边形。

22.根据权利要求12所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，开口的形状可以为方形、圆形或多边形。

23.根据权利要求1、2、5、7-10、13-16、18-22任一项所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，中央基板的前半部分平行于顶部板和底部板，尾部下弯直至与底部板接合，以使气流出入口均位于上层结构中。

24.根据权利要求3所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，中央基板的前半部分平行于顶部板和底部板，尾部下弯直至与底部板接合，以使气流出入口均位于上层结构中。

25.根据权利要求4所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，中央基板的前半部分平行于顶部板和底部板，尾部下弯直至与底部板接合，以使气流出入口均位于上层结构中。

26.根据权利要求6所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，中央基板的前半部分平行于顶部板和底部板，尾部下弯直至与底部板接合，以使气流出入口均位于上层结构中。

27.根据权利要求11所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，中央基板的前半部分平行于顶部板和底部板，尾部下弯直至与底部板接合，以使气流出入口均位于上层结构中。

28.根据权利要求12所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，中央基板的前半部分平行于顶部板和底部板，尾部下弯直至与底部板接合，以使气流出入口均位于上层结构中。

29.根据权利要求17所述的组合原理声学超材料结构，其特征在于，中央基板的前半部分平行于顶部板和底部板，尾部下弯直至与底部板接合，以使气流出入口均位于上层结构中。

技术总结本技术提供了一种组合原理声学超材料结构，分为上层和下层结构，其中，所述上下层结构共用中间基板，所述上层结构通过顶板和/或中间基板上延伸出的挡板形成迷宫式结构，所述气流出入口分立于挡板群落前后方的侧面，所述下层结构由侧包围板、底板、中间基板围成形成腔室，该腔室也可以被隔板隔成多个腔室，所述中间基板上设有开口，所述开口和各个腔室一一对应。本技术在对气流量有要求的通气小空间流动空气场情景下表现出不俗的降噪效果。技术研发人员：李介博,樊瑜波,邓咏如,侯丙营,陶春静,田山,董思怡,王汇元,尹心承受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：20230725技术公布日：2024/3/11