一种多层内嵌型亥姆霍兹共振器及其设计方法

本发明属于声音降噪领域，涉及一种多层内嵌型亥姆霍兹共振器及其设计方法。

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/双自由度蜂窝声衬是基于声学穿孔板理论，通过引入共振大幅提升中低频的吸声性能，其材质也多采用铝和钢等金属材质，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。单独的多孔材料介质除存在低频缺陷外，常见的吸音棉等材料往往还不能适应高流速、高温等复杂噪声环境。因此亟需发展新型宽频降噪技术，促使民用发动机噪声指标满足适航标准噪声条例。

技术实现思路

1、本发明提供一种多层内嵌型亥姆霍兹共振器及其设计方法，提升声衬的工作频带，以针对更宽带的噪声源进行有效的降噪。

2、本发明提供一种多层内嵌型亥姆霍兹共振器，包括：金属丝网、内嵌管、隔板和多个相互并联的亥姆霍兹共振腔；

3、所述亥姆霍兹共振腔内包括多层串联的共振腔体；多个所述亥姆霍兹共振腔中的所述共振腔体层数相同；

4、相邻两层所述共振腔体之间设有所述隔板；

5、所述隔板内和所述亥姆霍兹共振腔的管口处均嵌入设置有所述内嵌管；

6、所述亥姆霍兹共振腔的管口处还设有所述金属丝网。

7、进一步的，所述亥姆霍兹共振腔内包括两层或三层相互串联的所述共振腔体。

8、进一步的，金属丝网的丝径范围为0.004mm-0.5mm，金属丝网中微孔的孔径范围为0.009mm-4.3mm，目数范围为6目-2800目。

9、进一步的，所述亥姆霍兹共振腔的长度范围为30.8-33.5mm；宽度范围为28.6-38.4mm；所述亥姆霍兹共振腔的高度相等；所述共振腔体的壁厚范围为0.5-3mm；所述亥姆霍兹共振腔的壁厚范围为0.5-3mm。

10、进一步的，所述内嵌管的边长范围为7.9-27.3mm，高度范围为5.3mm-88.3mm。

11、进一步的，所述隔板的厚度范围为0.5mm-3mm。

12、进一步的，所述亥姆霍兹共振器包括四个依次并联耦合的亥姆霍兹共振腔；所述亥姆霍兹共振腔呈田字形排列；

13、所述亥姆霍兹共振腔被隔板分割为上共振腔体和下共振腔体；

14、所述上共振腔体的腔体开口处嵌入设置有第一内嵌管；

15、所述上共振腔体和所述下共振腔体之间设有隔板，所述隔板内贯穿设置有第二内嵌管；

16、所述第一内嵌管和所述第二内嵌管的高度之和小于所述上共振腔体的高度。

17、进一步的，所述第一内嵌管的边长范围为7.9-27.3mm，高度范围为5.3mm-3.0mm；所述第二内嵌管的边长范围为12.1mm-14.3mm，高度范围为49.4mm-88.3mm。

18、本发明还提供一种多层内嵌型亥姆霍兹共振器设计方法，计算多层内嵌型亥姆霍兹共振器的吸声系数，并根据所述吸声系数，优化声衬的最优结构参数，所述吸声系数的计算方法包括：

19、计算所有所述亥姆霍兹共振腔管口的等效声阻抗以及金属丝网的等效声阻抗，根据所述等效声阻抗计算吸声系数，根据所述吸声系数优化计算得到最优结构参数。

20、进一步的，所述金属丝网的等效声阻抗计算方法包括：

21、等效声阻等效声抗其中，dw为金属丝网的丝径，dh为金属丝网的孔径，σe为有效穿孔率；

22、所述有效穿孔率表示为sw为丝间距；

23、金属丝网的目数

24、根据金属丝网的丝径和目数拟合得到二者之间的关系：

25、dw＝a(mn)b,a＝1.52,b＝0.667；

26、将金属丝网的等效穿孔率表示为所述金属丝网的函数：

27、

28、得到等效声阻为：

29、

30、等效声抗为：

31、

32、金属丝网等效声阻抗为zw＝r+jx＝zw(mn)。

33、相比于现有技术，本发明至少具有以下技术效果：

34、本发明设置多个相互并联的亥姆霍兹共振腔，并在各个亥姆霍兹共振腔内通过内嵌管将共振腔体串联起来，层叠形成多层所述亥姆霍兹共振器。充分利用腔体内部空间，通过串联耦合效应引入高阶共振模态，并充分考虑单元间的耦合效应，合理地耦合低阶和高阶共振模态，最终可以显著地拓宽声衬的工作频带。与单层内嵌管式共鸣器构型相比，可以针对更宽带的噪声源进行有效的降噪，此外，本发明在亥姆霍兹共振腔的管口处还设置了金属丝网，相比于仅由多个相互并联的亥姆霍兹共振腔形成的亥姆霍兹共振器，可进一步提高在任一工作频带内的吸声系数。

技术特征：

1.一种多层内嵌型亥姆霍兹共振器，其特征在于，包括：金属丝网、内嵌管、隔板和多个相互并联的亥姆霍兹共振腔；

2.如权利要求1所述的多层内嵌型亥姆霍兹共振器，其特征在于，所述亥姆霍兹共振腔内包括两层或三层相互串联的所述共振腔体。

3.如权利要求1所述的多层内嵌型亥姆霍兹共振器，其特征在于，金属丝网的丝径范围为0.004mm-0.5mm，金属丝网中微孔的孔径范围为0.009mm-4.3mm，目数范围为6目-2800目。

4.如权利要求1所述的多层内嵌型亥姆霍兹共振器，其特征在于，所述亥姆霍兹共振腔的长度范围为30.8-33.5mm；宽度范围为28.6-38.4mm；所述亥姆霍兹共振腔的高度相等；所述亥姆霍兹共振腔的壁厚范围为0.5-3mm。

5.如权利要求1所述的多层内嵌型亥姆霍兹共振器，其特征在于，所述内嵌管的边长范围为7.9-27.3mm，高度范围为5.3mm-88.3mm。

6.如权利要求1所述的多层内嵌型亥姆霍兹共振器，其特征在于，所述隔板的厚度范围为0.5mm-3mm。

7.如权利要求1所述的多层内嵌型亥姆霍兹共振器，其特征在于，

8.如权利要求7所述的多层内嵌型亥姆霍兹共振器，其特征在于，所述第一内嵌管的边长范围为7.9-27.3mm，高度范围为5.3mm-3.0mm；所述第二内嵌管的边长范围为12.1mm-14.3mm，高度范围为49.4mm-88.3mm。

9.一种多层内嵌型亥姆霍兹共振器设计方法，其特征在于，计算多层内嵌型亥姆霍兹共振器的吸声系数，并根据所述吸声系数，优化得到多层内嵌型亥姆霍兹共振器的最优结构参数，所述吸声系数的计算方法包括：

10.如权利要求9所述的多层内嵌型亥姆霍兹共振器设计方法，其特征在于，所述金属丝网的等效声阻抗计算方法包括：

技术总结本发明一种多层内嵌型亥姆霍兹共振器及其设计方法，包括：金属丝网、内嵌管、隔板和多个相互并联的亥姆霍兹共振腔；亥姆霍兹共振腔内包括多层串联的共振腔体；多个亥姆霍兹共振腔中的所述共振腔体层数相同；相邻两层所述共振腔体之间设有所述隔板；隔板内和亥姆霍兹共振腔的管口处均嵌入设置有所述内嵌管；亥姆霍兹共振腔的管口处还设有金属丝网。本发明通过设置多个相互并联的亥姆霍兹共振腔，并在各个亥姆霍兹共振腔内使用内嵌管将共振腔体串联起来，层叠形成多层所述亥姆霍兹共振器。在亥姆霍兹共振腔的管口处还设置了金属丝网，可以显著地拓宽声衬的工作频带。技术研发人员：李勇,王能银,周志凌,丁华受保护的技术使用者：同济大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17