通风管道宽频超材料消音器及设计方法和应用与流程

本发明属于噪音处理，特别涉及一种宽频超材料消音器及设计方法和应用。

背景技术：

1、在日常生活和工业生产中，经常会由于各种原因出现热量和物质的聚集。比如在高功率运转的芯片和机器内部会产生热量，在工厂作业过程中会聚集粉尘，在穿戴设备中由于人体呼吸排汗会累积水汽等等。因此通过气流流通带走过量的热量和物质就变得非常重要。

2、通过管道实现通风是一个常见的方案。其有效率高，设计简单等优势。通过风扇系统的抽和(或)推，目标空间的空气或其他气体会携带着热量和聚集的物质进入管道系统，进而顺着设计的路径导出。

3、气流在管道里流通的过程中，往往伴随有噪音问题。这类噪音主要有两个来源。一是设备原本的机械或其他内部环境噪音；二是风扇系统额外产生的噪音。这两类噪音都具有频段宽、同时特征频率明显的特点(比如风扇产生的噪音会有和风扇转速相对应的特征频率)。这种特征对于传统的降噪技术提出了巨大挑战。对于传统的多孔声学材料，如海绵、岩面、玻璃纤维等，其工作频段宽，但是无法有效针对特征噪音频段进行定制而加强吸收。而对于传统的声学共振技术，如亥姆霍兹共振腔，虽然其工作频率可以高度定制，但是其带宽却非常窄。因此，如何在通风环境里，同时保证宽频声学效果和针对具体频率的定制能力就成了一个迫切挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对于现有通风管道宽频降噪技术存在的问题，提供了一种通风管道宽频超材料消音器及设计方法和应用。

2、一般情况下管道的主要作用是导引气流使其流通循环。因此消音降噪操作最好不要对管道本身产生太多阻碍。而这一要求最好的实现方法就是在侧壁安装隔音/吸音材料。对于一个给定的宽频目标阻抗，我们可以相应设计多个共振单元来实现其声学特性。

3、因此，本发明的技术方案之一为，一种通风管道宽频超材料消音器，所述超材料消音器为管道外的宽频超材料消音器，或者管道内的宽频分流式超材料消音器，或者宽频超材料简并吸音器；

4、其中：

5、所述管道外的宽频降噪超材料消音器包括设置在管道外的宽频隔音器，设置在管道外的宽频吸音器，或者设置在管道外的宽频隔音器与宽频吸音器的组合；

6、所述管道内的宽频分流式超材料消音器包括设置在管道内的宽频隔音器，设置在管道内的宽频吸音器，或者设置在管道内的宽频隔音器与宽频吸音器的组合；

7、所述宽频超材料简并吸音器包括与管道内风向垂直的数块声学穿孔板，以及管道外的宽频超材料消音器，或者管道内的宽频分流式超材料消音器，或者管道外的宽频超材料消音器与管道内的宽频分流式超材料消音器的组合。

8、进一步的，上述通风管道宽频超材料消音器，所述的设置在管道外的宽频隔音器，由数个并列设置并且相互独立的共振单元组成，每个共振单元的共振行为是单频的并对应待降宽频噪声中的一段频率，共振单元通过在共振频率及附近频率反射声波的方式达到隔音效果；共振单元设置于通风管道的侧壁，共振单元开口于通风管道管壁，或者，共振单元设置于通风管道的侧壁，共振单元开口于通风管道管壁，并且共振单元的开口处设置网状覆盖材料；

9、所述的设置在管道外的宽频吸音器，由数个并列设置并且相互独立的共振单元组成，每个共振单元的共振行为是单频的并对应待降宽频噪声中的一段频率，共振单元通过将噪声能量转化为热能耗散掉的方式达到吸音效果；共振单元设置于通风管道的侧壁，共振单元开口于通风管道管壁，或者，共振单元设置于通风管道的侧壁，共振单元开口于通风管道管壁，并且共振单元的开口处设置网状覆盖材料；

10、所述的设置在管道内的宽频隔音器，由数个并列设置并且相互独立的共振单元组成，每个共振单元的共振行为是单频的并对应待降宽频噪声中的一段频率，共振单元通过在共振频率及附近频率反射声波的方式达到隔音效果；共振单元设置于通风管道内部，共振单元开口于通风管道内部，或者，共振单元设置于通风管道内部，共振单元开口于通风管道内部，并且共振单元的开口处设置网状覆盖材料；

11、所述的设置在管道内的宽频吸音器，由数个并列设置并且相互独立的共振单元组成，每个共振单元的共振行为是单频的并对应待降宽频噪声中的一段频率，共振单元通过将噪声能量转化为热能耗散掉的方式达到吸音效果；共振单元设置于通风管道内部，共振单元开口于通风管道内部，或者，共振单元设置于通风管道内部，共振单元开口于通风管道内部，并且共振单元的开口处设置网状覆盖材料；

12、所述的宽频超材料简并吸音器，每块声学穿孔板与管道外的宽频超材料消音器和/或管道内的宽频分流式超材料消音器对应待降宽频噪声的一段频率。

13、进一步的，上述的通风管道宽频超材料消音器，共振单元包括设有开口的硬质壳体和硬质壳体空腔内的空气。

14、进一步的，上述的通风管道宽频超材料消音器，共振单元包括但不限于能够隔绝或吸收某段频率噪声的法布里-珀罗(四分之一波长)共振器、亥姆霍兹共振器、以及腔体为任意形状的共振器。

15、进一步的，上述通风管道宽频超材料消音器，数个共振单元以横截面相同或不相同的腔体排列成几何形状，每个腔体均在某个平面或者曲面上或者在三维空间内弯曲和折叠。

16、进一步的，上述的通风管道宽频超材料消音器，所述声学穿孔板用于过滤通风管道气体中的杂质。

17、进一步的，上述的通风管道宽频超材料消音器，所述网状覆盖材料包括但不限于金属网、海绵、织布、纸质、玻纤布、声学穿孔板及上述六种材料的任意组合。

18、进一步的，上述的通风管道宽频超材料消音器，超材料消音器的材质包括但不限于金属、塑料、木料、皮质、纸质、陶瓷及上述六种材料的任意组合。

19、进一步的，上述的通风管道宽频超材料消音器，通风管道的形态任意，包括直通的、弯曲的、以及横截面形状为恒定的或变化的管道。

20、宽频超材料消音器产生作用的频段及其效果是可定制化的，由于每一个共振单元的工作频率是可以通过几何形态的设计而自由调整的，宽频共振器的频率分布ωm又可以通过设计多个不同频率的共振单元而实现，原则上任意谱型的阻抗都可以由一系列共振单元实现。然而事实是，更宽的有效频段范围和更好的隔音性能都意味着需要更大的体积用于设计共振器。另一方面，实际生活中的很多噪音频谱往往具有较强的频率特征。因此根据具体噪音频谱的特征去做频谱定制的宽频降噪超材料是最节省空间、节省成本的方案。

21、基于此，本发明提供的技术方案之二为，一种通风管道宽频超材料消音器的设计方法，包括如下步骤：

22、1)获取通风管道的内部结构数据，气体流速、流量数据，以及含有噪声强度信息的待降噪声频谱数据；

23、2)根据步骤1)中获取的数据，对通风管道内部结构进行优化，使待降噪声强度降低；然后再次获取气体流速、流量数据，以及处理后的待降噪声频谱数据；

24、3)根据处理后的待降噪声频谱数据以及超材料消音器的设计体积上限，设置一个使通风管道目标频段内噪声强度降低最多的宽频目标阻抗，然后选择宽频超材料消音器的类型，及宽频超材料消音器中的m个共振单元或k个声学穿孔板和l个共振单元，使m个共振单元或k个声学穿孔板和l个共振单元的声学阻抗谱型与宽频目标阻抗相同；

25、具体的，

26、3.1)当宽频超材料消音器为管道外的宽频超材料消音器，或者管道内的宽频分流式超材料消音器时；

27、3.1.1)法布里-珀罗共振器作为共振单元：

28、对于一个给定的宽频目标阻抗，为了实现作为圆频率ω函数的声学阻抗谱型z(ω)，设计m个拥有同样横截面积的法布里-珀罗共振器；将这些共振器从长到短依次排列，记第m个共振器的长度为lm，其对应的第一阶共振频率为ωm＝πc/(2lm)；根据ωm的分布，得到单位频率内的模态数目md；再通过调节每个共振器的长度lm，使得ωm的分布md满足声学阻抗谱型z(ω)；

29、其间约束可用以下关系式(1)表示：

30、

31、其中φ是所有共振器开口面积和声波入射面总面积之比，ρ＝1.2千克/米3表示空气密度，c＝343米/秒表示空气中声波的速度，ω是圆频率，单位赫兹，q是大于等于零的整数；

32、这些不同长度的法布里-珀罗共振器根据需求折叠形成一个紧凑的整体以节省空间，规则的或者特定几何特征均可；

33、3.1.2)亥姆霍兹共振器作为共振单元：

34、记第m个共振器的开口面积为am，开口长度为l，腔体横截面积为am，腔体长度为l，那么该第m个亥姆霍兹共振器的共振频率为通过选取am/am使得ωm在频率上均匀分布；再在保持am/am数值不变的前提下，调整am使得不同共振器的阻抗zm叠加可以得到声学阻抗谱型z(ω)：

35、其间约束关系式(2)为：

36、

37、其中，z(ω)的单位是千克·米-2·秒-1；

38、zm＝i(ωm2-ω2)/(ωfm)，zm的单位是千克·米-2·秒-1；fm为共振强度，正比于am，单位为米2/千克；ωm的单位是赫兹；ω是圆频率，单位是赫兹；

39、δf为目标频段，单位是赫兹；

40、m为亥姆霍兹共振器的总数目；

41、3.2)当超材料消音器为宽频简并吸音器时：

42、3.2.1)对声学穿孔板的设计

43、对于一个厚度为τ(单位：米)的硬质穿孔板，如果其上的圆孔孔径是d(单位：米)，孔隙率为φ，其对应的偶极子声学阻抗zd如公式(3)：

44、

45、其中ω是宽频共振频率，单位赫兹，ρ＝1.2千克/米3是空气密度，v是空气的运动粘度，单位米2/秒，i是虚数单位，而j0/1是零(一)阶贝塞尔函数；

46、上式拥有一个渐进展开形式(4)

47、

48、在频率不太高，孔径和板厚不太大的情况下，上式(4)中的第二项以及其余高阶项都可以忽略不计，从而穿孔板的声学阻抗可以近似为一个频率无关的常数；

49、通过设计穿孔板的三个几何参数，使得16νρτ/(d2φ)与声学阻抗谱型z(ω)相等；

50、3.2.2)对宽频隔音器或宽频吸音器或宽频隔音器与宽频吸音器的组合设计

51、根据步骤3.1)的方法得到降噪频率分布范围不大于步骤3.2.1)中声学穿孔板降噪频率的宽频隔音器或宽频吸音器或宽频隔音器与宽频吸音器的组合；

52、3.2.3)将这两种声学结构结合在一起之后，得到所需的宽频简并吸收器；

53、4)根据步骤3)设计的宽频超材料消音器以及其声学阻抗谱型，再次对管道内壁、宽频超材料消音器结构以及网状覆盖材料材质或/和结构进行优化，以实现对目标频率噪声的去除。

54、进一步的，上述的通风管道宽频超材料消音器的设计方法，步骤3)中选择宽频超材料消音器的类型的方法为：

55、其中，宽频超材料消音器的类型为宽频隔音器、宽频吸音器和宽频超材料简并吸音器；

56、步骤一、

57、当宽频噪声的反射能量对通风管道进风口端的环境和设备产生不利影响，或这些反射能量会再次反射进入管道中时，选择宽频吸音器或宽频超材料简并吸音器；否则，三者均适用；

58、步骤二、

59、当宽频超材料消音器沿着声波传播方向的整体尺寸＜目标频段内噪声声波波长上限，选择宽频隔音器或宽频超材料简并吸音器或宽频吸音器和宽频隔音器的组合；否则，三者均适用；

60、步骤三、

61、当宽频超材料消音器对气流影响敏感时，选择宽频隔音器或宽频吸音器或宽频吸音器和宽频隔音器的组合；否则，三者均适用。

62、基于上述的宽频超材料结构和宽频超材料的设计方法，本发明的技术方案之三为提供了宽频超材料消音器在通风管道宽频降噪场景下的实际应用。

63、本发明提供的第一个超材料的应用为：

64、一种通风管道宽频超材料消音器的应用，用于可穿戴装置的降噪；

65、将可穿戴装置的材料设置成向外凸出的硬质材料，硬质材料为2层或2层以上，相邻硬质材料层间设有数个密闭腔体，最内层硬质材料层或最内层硬质材料层的一部分与佩戴者皮肤之间形成密闭的内腔体；内腔体与其他密闭腔体之间通过各硬质材料层上的孔道连通，使内腔体与其他腔体共同形成通风管道，通风管道的进口设置于最内层硬质材料层或最外层硬质材料层上，出口设置于最内层硬质材料层或最外层硬质材料层上；宽频超材料消音器为宽频简并吸音器。

66、进一步的，上述通风管道宽频超材料消音器的应用，将可穿戴装置的材料设置成向外凸出的硬质材料，硬质材料为2层，分别为最内层硬质材料层和外层硬质材料层，2层硬质材料层之间设有2个密闭腔体，分别为空腔一和空腔三，最内层硬质材料层内侧壁设有与佩戴者皮肤相接触的密封软垫，使最内层硬质材料层的一部分与佩戴者皮肤之间形成内腔体，内腔体为空腔二；在内腔体的最内层硬质材料层上设置孔道一和孔道二；空腔一通过孔道一与空腔二连通，空腔二通过孔道二与空腔三连通，使内腔体与空腔一和空腔三共同形成通风管道，通风管道的进口设置于空腔一的最内层硬质材料层上并且位于内腔体外部、出口设置于空腔三的最内层硬质材料层上并且位于内腔体外部；所述宽频超材料消音器为宽频简并吸音器，由声学穿孔板和设置在管道外的宽频吸音器组成，其中，声学穿孔板设置于孔道一和孔道二处，设置在管道外的宽频吸音器分别设置在空腔一和空腔三的侧壁。

67、进一步的，上述的通风管道宽频超材料消音器的应用，所述通风管道出口处和(或)进口处设置风扇。

68、进一步的，上述的通风管道宽频超材料消音器的应用，宽频超材料简并吸音器所降噪音的频率为800至8000赫兹。

69、进一步的，上述的通风管道宽频超材料消音器的应用，设置在管道外的宽频吸音器的共振单元为亥姆霍兹共振器，亥姆霍兹共振器的腔体往复折叠成迷宫状；亥姆霍兹共振器为多个，一部分亥姆霍兹共振器开口于空腔一侧壁，另一部分亥姆霍兹共振器开口于空腔三侧壁。

70、本发明提供的第二个超材料的应用为：

71、一种通风管道宽频超材料消音器的应用，用于室内空气交换设备的通风管道降噪；

72、在位于室内空气交换设备的出风口处的通风管道侧壁安装设置在管道外的宽频吸音器，宽频吸音器的共振单元为法布里-珀罗共振器，共振单元的腔体在同一平面上往复折叠，由数个并列设置并且相互独立的共振单元组成一个套在通风管道外的降噪片层，降噪片层中每个共振单元均开口于通风管道侧壁，数个降噪片层堆叠排列组成宽频吸音器；

73、所述宽频吸音器所降噪音的频率为200至8000赫兹。

74、本发明提供的第三个超材料的应用为：

75、一种通风管道宽频超材料消音器的应用，用于室外暖通设备的通风管道降噪；

76、在位于室外暖通设备的通风管道内部安装设置在管道内的宽频吸音器；宽频吸音器的共振单元为法布里-珀罗共振器，共振单元的腔体在同一平面上往返折叠，并由数个并列设置并且相互独立的共振单元组成矩形、v字形、凹凸形、百叶形、阵列形或其他形状的宽频吸音器，每个共振单元均开口于通风管道内；

77、所述宽频吸音器所降噪音的频率为200至8000赫兹。

78、本发明提供的第四个超材料的应用为：

79、一种通风管道宽频超材料消音器的应用，用于燃气热水器的入风管道降噪；

80、在燃气热水器离心风机入口处的通风管道侧壁安装设置在管道外的宽频隔音器，宽频隔音器的共振单元为法布里-珀罗共振器，共振单元的腔体在同一平面上往复折叠，并由数个并列设置并且相互独立的共振单元组成一个套在管道外的宽频隔音器，每个共振单元均开口于通风管道侧壁；

81、所述宽频隔音器所降噪音的频率为200至4000赫兹。

82、本发明提供的第五个超材料的应用为：

83、一种通风管道宽频超材料消音器的应用，用于设备动力部件(包括但不限于泵、压缩机、马达等)的通风管道降噪；

84、在设备动力部件的舱体的通风管道出口和/或入口位置的管道侧壁安装设置在管道外的宽频隔音器，宽频隔音器的共振单元为法布里-珀罗共振器，共振单元的腔体在一个平面上往复折叠，并由数个并列设置并且相互独立的共振单元组成一个套在管道外的宽频隔音器，每个共振单元均开口于通风管道侧壁；

85、所述宽频隔音器所降噪音的频率为160至4000赫兹。

86、与现有技术相比，本发明的优势在于：

87、1、本发明的宽频超材料消音器采用管道外的宽频超材料消音器，或者管道内的宽频分流式超材料消音器，或者宽频超材料简并吸音器，高效地实现管道宽频噪声降噪作用。

88、2、本发明的超材料消音器在可穿戴设备中的应用较其他传统技术具有极大优势。穿戴设备与人体密切接触，因此透气通风就成了必然需求。但是透气通风的性质与良好的降噪隔音天然矛盾。为了减轻设备中诸如风扇之类的散热部件的噪音，或是隔绝外部噪音对内部设备内的信号采集，超材料的通风降噪特性就有了巨大优势。另一方面，轻便性对穿戴设备也异常重要。而宽频超材料技术的定制化特征可以利用最小的空间，最少的物料达到最大的声学性能，从而有效控制设备整体重量。最后，由于基于塑料、硅胶等材质而不包含传统的多孔声学材料，该超材料消音器结构可以有效避免对人体呼吸和排汗产生的水蒸气和各种异物的吸收，并易于被拆卸直接清洗。该特性可以很好满足穿戴设备对于卫生的要求。

89、3、本发明的超材料消音器在室内、外暖通设备领域的应用中，存在以下优势。首先，超材料消音器的功能基于结构设计，不含传统纤维多孔材料，对人身健康无潜在危害。其次，其内部结构不存在积水、发霉等问题，使用寿命长久，可用于洁净室、无尘间等高标准环境。此外，针对不同设备的不同噪声特性，超材料消音器工作频谱可定制，将吸音或隔音能力集中在噪声主要频段，从而更高效的降低整体噪声。而对于有耐高温等特殊场景，消音器共振单元可采用纯金属材质，从而满足相应的要求。

90、4、本发明的超材料消音器在家电设备中的应用，存在以下优势。首先，将结构设计与家电内部狭小的可用空间相结合，并对主要噪声能量频段进行针对性定制，可在几个厘米内的受限空间下实现从200赫兹开始的有效降噪，从而在不影响其它性能的前提下，最高效的降低设备噪声。此外，消音器共振单元可采用与内部连接位置相同的材料，从而在外观上保持原有结构的整体性。