[发明专利]声学超材料元胞及包含它的超材料通风降噪装置

说明书

一种声学超材料元胞及包含它的超材料通风降噪装置，包括第一声学元胞、第二声学元胞和主通风道，第一、第二声学元胞均为环形腔体结构，主通风道为第一、第二声学元胞的中心通道，与第一、第二声学元胞同轴设置，主通风道通过第一声学元胞上的声学开口与第一声学元胞的第一声学腔体连通，主通风道通过第二声学元胞上的穿孔板与第二声学元胞的第二声学腔体连通，且第二声学腔体内填充有高孔隙吸能介质。声波从主通风道与第一声学腔体之间的声学开口进入，并与第一声学腔体形成共振腔；声波从主通风道与第二声学腔体之间的穿孔板进入，并与第二声学腔体内的高孔隙吸能介质形成吸声腔。该声学超材料元胞具有低频、宽带、小尺寸的优良消声性能。

技术领域

本发明属于高端装备(飞机、轨道列车、大型船舶、新型输变系统、高新电子)、现代功能建筑(高速公路、隧道、乘候车厅/馆、会议场馆、录音/演播厅、消声室)减振降噪制新材料、新结构领域，具体涉及一种用于通风管路降噪的声学超材料元胞及包含它的超材料通风降噪装置。

背景技术

通风管路结构作为输送物质的通道，广泛存在于军事装备的空调通风、发动机进排气、燃气轮机、机舱散热等各个场合，是保证装备内部与外部空气流通必不可少的设备之一。管路系统的主要功能是输送流体介质，但在流体介质随管路运输的同时，噪声也会随着管路进行传播。通风管路噪声主要由两方面产生，一是管路中机械设备运行时产生的振动和噪声随管路进行传播，二是管道内流动的气体在经过弯头、三通、变径管、阀门和送回风口等截面积变化部位产生涡流、涡阻现象也将引起结构振动产生噪声。通风管路噪声将直接影响与之相关的军事设备的安全性和可靠性，影响战斗人员居住环境的舒适性，危害其身体健康，尤其是低频噪声，携带能量较大、线谱明显、传播距离较远，对海军舰船、歼击机的隐身性和生命力构成直接威胁。

通风管路的降噪设计最主要是在噪声传播路径上对噪声进行控制。目前，抑制通风管路噪声主要采用以下两种方法：一种是利用吸声原理，在管路内壁贴附吸声材料(如多孔材料、泡沫材料等)或安装吸声结构(如微穿孔板等)。但是传统的利用吸声材料的噪声控制方法对低频噪声抑制效果有限，在工程应用上有一定局限性。另外一种是利用消声原理，在管路上安装消声器，在工程上有着广泛的应用。传统的管路消声器根据消声原理的不同可分为抗性消声器，阻性消声器，阻抗复合式消声器等。传统的管路消声器设计目前还存在着一些不足，例如抗性消声器要对低频噪声进行有效控制则需要较大的空间体积，且消声频带窄，阻抗复合式消声器主要针对中高频噪声进行控制，低频噪声衰减能力较差。因此，目前通风管路噪声控制急需设计一种新型的通风管路降噪装置，以满足工程、军事装备需求。

近年来，声物理学和凝聚态物理学领域提出和发展的超材料结构为解决通风管路低频噪声问题提供了新思路。随着声学超材料在结构减振降噪方面研究的不断深入，把超材料的设计思想应用于管路噪声控制得到了广泛的关注。

声学超材料是人工微结构按一定方式排列而成的、具有超常物理特性的人工复合材料或结构。这些超常物理特性包括低频带隙、低频超常吸收、超常材料参数(负质量密度、负弹性模量等)、强色散等等。声学超材料的核心思想是通过亚波长尺度的微结构设计(即结构尺寸远小于声波传播的波长)实现对弹性波的调制，并产生超常物理效应。这些超常物理效应可在通风管道噪声控制中得到应用，有望实现传统材料/结构所不具备的噪声控制特性，对装备通风管路系统噪声控制具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种声学超材料元胞及包含它的超材料通风降噪装置。

为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为：

声学超材料元胞，包括：

第一声学元胞，其为环形腔体结构，包括第一声学腔体和声学开口，第一声学腔体为第一声学元胞其内部的环形空腔；

第二声学元胞，其为与第一声学元胞同轴设置且紧密相连的另一环形腔体结构，包括第二声学腔体、高孔隙吸能介质和穿孔板，第二声学腔体为第二声学元胞其内部的环形空腔，第二声学腔体内填充有高孔隙吸能介质；