[發明專利]一種用于管道噪聲控制的空間梯度超構材料及設計方法

有效

• 申請號: 202110486403.1
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113221268B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 白長青;周子杰;李永東
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/18;G06F30/23;G16C60/00;G10K11/162;G10K11/30;G06F113/14;G06F119/10
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種用于管道噪聲控制的空間梯度超構材料，其特征在于：所述超構材料的基礎結構為空間梯度超構單元(1)，多個空間梯度超構單元(1)以正切分布相對折射率對應的幾何參數兩兩對稱排列構成一個空間梯度超構組合(2)，多個空間梯度超構組合(2)根據目標管道徑向形狀尺寸排列構成空間梯度超構材料，該空間梯度超構材料置于目標管道外部用于目標管道內聲波控制；每個所述空間梯度超構單元(1)包括一對沿法向固定于目標管道外壁面的柵欄(1.1)，以及固定在柵欄(1.1)上的多個管道周向隔板(1.2)所組成，且相鄰的兩個空間梯度超構單元共用鄰邊的柵欄(1.1)；空間梯度超構單元(1)的級數即管道周向隔板(1.2)的總數，空間梯度超構材料的階數為包含空間梯度超構組合(2)的個數；每對柵欄(1.1)之間被多個管道周向隔板(1.2)構成的交指型結構分隔成曲折的聲波傳輸通道；

所述的一種用于管道噪聲控制的空間梯度超構材料的設計方法，由于構成空間梯度超構材料的空間梯度超構單元(1)數量多，管面曲率產生的誤差小，因此以直線型空間梯度超構單元及組合進行設計過程；具體包括以下步驟：

步驟一、空間梯度超構單元(1)的結構設計：空間梯度超構單元(1)的幾何設計參數包括單元寬度a、單元長度t、單元壁厚w_t、級數N、通道寬度d和通道壁厚w；

單元寬度a、單元長度t需小于聲波波長λ且滿足管道尺寸要求確定,單元壁厚w_t取滿足強度條件下的最小值；考慮幾何關系的限制，取

空間梯度超構單元(1)的每個梯度分支的聲波傳輸長度L為：

級數為N，則空間梯度超構單元(1)的聲波傳輸總長度L_eff為：

L_eff≈N×L (9)

空間梯度超構單元(1)的相對折射率表示為：

相對折射率n_r為設計空間梯度超構單元(1)的關鍵參數；將在步驟二中得到相應位置空間梯度超構單元(1)的設計折射率；為避免級數N過大，當設計折射率n_r′≥3時，由于聲波傳輸的周期性可取相對折射率為設計折射率減2的值，即：n_r＝n_r′-2；再根據公式(8)、(9)、(10)對每個空間梯度超構單元(1)進行幾何參數求解；為避免聲波傳輸過程中的損耗，取滿足相對折射率n_r的最小級數N，再求解d，滿足d≥w且d取滿足條件的最小值；

步驟二、空間梯度超構組合(2)的設計：多個空間梯度超構單元(1)兩兩對稱排列構成一個空間梯度超構組合(2)；空間梯度超構組合(2)的設計目標是使聲波產生聚焦效果，構成空間梯度超構組合(2)對稱軸兩側的空間梯度超構單元(1)按照聲波相對折射率以正切梯度分布排列時可使聲波聚焦效果最佳：

n_r′(i)＝n₀sech[α(h-i)] (11)

(11)式中n_r′(i)為從空間梯度超構組合(2)內距對稱軸最遠處數起，第i個空間梯度超構單元(1)的設計折射率；α為聚焦系數，與聚焦效果強弱有關；n₀為空間梯度超構組合(2)內距對稱軸最近的空間梯度超構單元(1)的設計折射率；n_h為位于空間梯度超構組合(2)內距對稱軸最遠的空間梯度超構單元(1)的設計折射率；h為構成空間梯度超構組合(2)的空間梯度超構單元(1)總個數的一半；

根據公式(11)和公式(12)即遞推出每個空間梯度超構單元(1)對應的設計折射率n_r′，再由步驟一中的方法迭代確定出每個空間梯度超構單元(1)的各個幾何設計參數；多個空間梯度超構單元(1)組成的空間梯度超構組合(2)對輸入的聲波進行相位改變后，會在輸出聲波后產生疊加效應，使聲波傳播效果大有不同，采取了聲波聚焦效果，使聲波經過空間梯度超構組合(2)后在其對稱軸附近進行聚焦；

步驟三、管道噪聲控制的空間梯度超構材料設計：將步驟二中空間梯度超構組合(2)依次排列在目標管道外周向，組成與被控制管道外部形狀大小相一致的空間梯度超構材料，保證空間梯度超構單元(1)的通道寬度不變，而單元壁厚根據管道形狀調整，以保證每個單元的相對折射率誤差小，能夠對管道內噪聲進行有效控制，設計出可以控制管道輻射噪聲的空間梯度超構材料，并通過有限元軟件ANSYS APDL中二維聲學模擬模塊及結構模塊對空間梯度超構材料進行建模，并模擬不同頻率管道聲波對空間梯度超構材料進行效果驗證。

2.根據權利要求1所述的一種用于管道噪聲控制的空間梯度超構材料，其特征在于：所述空間梯度超構單元(1)通過曲折的聲波傳輸通道延長聲波傳播路徑，控制輸出聲波的相位；以目標頻率聲波波長λ為參考尺度，產生帶隙效應完全控制入射聲波；所述空間梯度超構單元(1)的通道寬度不變，單元壁厚根據管道形狀調整，以保證每個空間梯度超構單元(1)的聲波折射率誤差小，能夠對管道內噪聲進行有效控制。