一种吸声系数不变的可变形声学超材料及其设计方法

本发明属于吸声降噪、声学超材料，具体涉及一种吸声系数不变的可变形声学超材料以及一种对该声学超材料进行设计的设计方法。

背景技术：

1、噪声控制的一个重要方式是通过使用声学材料进行声能损耗，如常规声学材料多孔泡沫、穿孔板等，然而其主要集中于中高频降噪。鉴于传统声学材料在低频声学性能的不足，声学超材料作为一种人工设计的结构具有传统声学材料所不具备的性能，如声波异常反射、声聚焦、声隐身等，其中吸声型声学超材料在中低频具有亚波长高吸收的特性，对处理低频声波问题带来了新的解决方式。

2、为了实现低频声波控制，声学超材料目前设计出了卷曲空腔、延伸颈部、薄膜结构等众多新颖结构。这些空腔型声学超材料，为了满足声能在密闭空间的传播或共振，设计边界通常为硬声学边界条件，因此该类声学超材料通常采用硬质材料如树脂、塑料、金属材料等来制造。但这使得超材料一旦制成，吸声频率就是固定的，导致无法满足多变的声学环境。更重要的是，超材料的结构一旦在外部载荷作用下发生变形如被拉伸或压缩，就意味着结构发生了破坏，吸声系数发生了变化，声学性能也必然受到损失，也就无法再恒定吸声。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术所存在的声学超材料的吸声频率固定且发生变形时结构受到破坏而无法恒定吸声的问题，而提供了一种吸声系数不变的可变形声学超材料以及一种对该声学超材料进行设计的设计方法。该声学超材料结合声学硬边界和结构的可变形能力，能够避免超材料在结构变形时受到破坏，实现吸声结构变形前后恒定的吸声能力，兼顾吸收频率可调性。该声学超材料整体结构紧凑，吸声作用高效，满足低频噪声控制和复杂外部载荷环境的需求。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

3、一种吸声系数不变的可变形声学超材料，其特殊之处在于：依次包括平行布置的顶板、中间板和底板，还包括设置在顶板与中间板之间的可变形螺旋管和可变形壳体、以及设置在中间板与底板之间的支撑件；

4、顶板上设置有两组声波入口，每个声波入口均能等效为圆形孔；

5、壳体的两端是敞开的，其壁面多次弯折，壳体在两端分别与顶板和中间板连接，形成第一腔体，以接收从一组声波入口进入的声波；

6、支撑件为两端敞开的壳状结构，且在两端分别与中间板和底板连接，形成第二腔体；

7、螺旋管位于第一腔体中，螺旋管的一端接触连接至顶板且与另一组声波入口相通，另一端接触连接至中间板，壳体和螺旋管由韧性材料制成，且在声学超材料承受外部载荷时能发生变形；

8、中间板上开设有通孔，使得从所述另一组声波入口进入的声波穿过螺旋管之后，经由通孔进入第二腔体中。

9、进一步地，顶板上的两组声波入口都为圆形孔。

10、进一步地，螺旋管的数量为两个，且相对于顶板布置在中间。

11、进一步地，顶板、中间板和底板是长宽尺寸相同的矩形板，且中间板的厚度大于顶板的厚度。

12、进一步地，壳体和支撑件的截面也为矩形，且长宽尺寸与顶板、中间板和底板相同。

13、进一步地，壳体的高度大于支撑件的高度。

14、进一步地，壳体和螺旋管由尼龙制成。

15、进一步地，声学超材料通过3d打印而一体地成型。

16、一种对上述吸声系数不变的可变形声学超材料进行设计的设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

17、步骤1，测量外部环境噪声，根据吸声需求确定降噪的稳定吸声频率值f0，并确定降噪的可调频率值fr1；

18、步骤2，根据外部环境约束，给出初始结构参数，初始结构参数包括：顶板的长度a1、宽度a2和厚度h1、中间板的厚度h3、第二腔体的高度hr；

19、步骤3，根据外部环境约束，设定螺旋管的数量nn、每个螺旋管的总长度ln、盘绕圈数n和内径d1，计算针对频率f0的由第二腔体作为共振腔的吸声结构阻抗zr：

20、

21、式中，z0为空气特征阻抗，j为虚数单位，kc为等效波数，γ和η为分别为空气比热容和动力系数，ω为圆频率，ρ为空气密度，ψhs和ψvs分别为粘性函数和热函数，ρc为有效密度，cc为有效声速；

22、步骤4，结合顶板的尺寸和螺旋管的总长度ln，给出螺旋管的盘绕直径dd，其约束条件为从而得到螺旋管的盘绕高度h2：

23、

24、步骤5，根据螺旋管的位置排布和尺寸参数，选定壳体的弯折长度b1，从而获得第一腔体的有效体积ve，有效体积为壳体弯折结构围成的体积减去内部的螺旋管所占体积后的体积：

25、

26、步骤6，设计顶板上的所述一组声波入口的入口数量n和入口等效为圆形孔的等效入口直径d2的初始参数，结合第一腔体的有效体积ve和顶板的面积s，得到针对频率fr1的由第一腔体作为共振腔的吸声结构阻抗zv：

27、

28、式中，mu为空气运动粘度系数，为有效声阻抗，k为穿孔常数，φ为孔隙率；

29、步骤7，根据步骤3和步骤6得到的两个声阻抗zr和zv，计算得到声学超材料的整体声阻抗zt：

30、zt＝zr+zv

31、步骤8，基于声学超材料的整体声阻抗zt，计算得到其吸声系数，判断吸声系数的第一峰值是否在f0处以及f0处的吸声系数是否接近于1，如果不在，执行步骤3；如果在，执行步骤9；

32、步骤9，判断吸声系数的第二峰值是否在频率fr1处以及fr1处的吸声系数是否接近于1，如果不在，返回步骤6；如果在，执行步骤10；

33、步骤10，获得所设计的声学超材料。

34、本发明的优点是：

35、本发明的吸声系数不变的可变形声学超材料以及对该声学超材料进行设计的设计方法，其中声学超材料包括平行布置的顶板、中间板和底板以及依次设置在相邻两个板之间的可变形螺旋管和可变形壳体、以及支撑件，壳体的壁面多次弯折，螺旋管位于由壳体的弯折壁面与相邻两个板构成的第一腔体内，支撑件与相邻两个板构成第二腔体，从顶板上的两组声波入口中的一组声波入口进入的声波以第一腔体作为共振腔，从另一组声波入口进入的声波穿过螺旋管后以第二腔体作为共振腔。因此，本发明能够通过两个共振腔实现两个吸声峰值处吸声系数接近于1的完美吸声，而且得益于壳体弯折结构和螺旋管盘绕结构在承受载荷时的可变形特性，声学超材料具有可变形性能，在载荷作用下发生变形时材料结构不会被破坏，同时，在变形时，螺旋管的总长度和第二腔体的体积不会发生变化，使得声学超材料的吸声系数是恒定的，具有变形前后恒定的吸声能力；此外，弯折结构在变形时会产生空间体积的变化，使得吸收噪声频率具有可调性，实现了声学超材料在制造完成后的可调性吸声。

技术特征：

1.一种吸声系数不变的可变形声学超材料，其特征在于：依次包括平行布置的顶板、中间板和底板，还包括设置在所述顶板与所述中间板之间的可变形螺旋管和可变形壳体、以及设置在所述中间板与所述底板之间的支撑件；

2.根据权利要求1所述的吸声系数不变的可变形声学超材料，其特征在于：所述顶板上的两组声波入口都为圆形孔。

3.根据权利要求1或2所述的吸声系数不变的可变形声学超材料，其特征在于：所述螺旋管的数量为两个，且相对于所述顶板布置在中间。

4.根据权利要求1或2所述的吸声系数不变的可变形声学超材料，其特征在于：所述顶板、所述中间板和所述底板是长宽尺寸相同的矩形板，且所述中间板的厚度大于所述顶板的厚度。

5.根据权利要求4所述的吸声系数不变的可变形声学超材料，其特征在于：所述壳体和所述支撑件的截面也为矩形，且长宽尺寸与所述顶板、所述中间板和所述底板相同。

6.根据权利要求5所述的吸声系数不变的可变形声学超材料，其特征在于：所述壳体的高度大于所述支撑件的高度。

7.根据权利要求1或2所述的吸声系数不变的可变形声学超材料，其特征在于：所述壳体和所述螺旋管由尼龙制成。

8.根据权利要求1或2所述的吸声系数不变的可变形声学超材料，其特征在于：所述声学超材料通过3d打印而一体地成型。

9.一种对权利要求1至8中任一项所述的吸声系数不变的可变形声学超材料进行设计的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明提供了一种吸声系数不变的可变形声学超材料及其设计方法。声学超材料包括平行的顶板、中间板、底板，设置在相邻板之间的螺旋管、壳体和支撑件。顶板上设有两组声波入口。壳体壁面多次弯折，与顶板和中间板形成第一腔体以接收从一组声波入口进入的声波。支撑件与中间板和底板连接形成第二腔体。螺旋管位于第一腔体中，一端连接至顶板且与另一组声波入口相通，另一端连接至中间板，壳体和螺旋管在超材料承受载荷时能变形。从所述另一组声波入口进入的声波穿过螺旋管之后经由中间板上的通孔进入第二腔体。本发明结合声学硬边界和结构可变形能力，能避免超材料在结构变形时受到破坏，实现吸声结构变形前后恒定的吸声能力，兼顾吸收频率可调性。技术研发人员：周杰,肖和业,徐靖鉴,隋丹,赵博洋,杨涵杰,宋翔受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27