[發明專利]聲學超材料元胞及包含它的超材料通風降噪裝置

在審

• 申請號: 202111503779.5
• 申請日: 2021-12-09
• 公開（公告）號: CN114255723A
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 郁殿龍;張振方;肖勇;胡洋華;溫激鴻;胡兵;白宇
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G10K11/162
• 分類號: G10K11/162
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 周達

一種聲學超材料元胞及包含它的超材料通風降噪裝置，包括第一聲學元胞、第二聲學元胞和主通風道，第一、第二聲學元胞均為環形腔體結構，主通風道為第一、第二聲學元胞的中心通道，與第一、第二聲學元胞同軸設置，主通風道通過第一聲學元胞上的聲學開口與第一聲學元胞的第一聲學腔體連通，主通風道通過第二聲學元胞上的穿孔板與第二聲學元胞的第二聲學腔體連通，且第二聲學腔體內填充有高孔隙吸能介質。聲波從主通風道與第一聲學腔體之間的聲學開口進入，并與第一聲學腔體形成共振腔；聲波從主通風道與第二聲學腔體之間的穿孔板進入，并與第二聲學腔體內的高孔隙吸能介質形成吸聲腔。該聲學超材料元胞具有低頻、寬帶、小尺寸的優良消聲性能。

技術領域

本發明屬于高端裝備(飛機、軌道列車、大型船舶、新型輸變系統、高新電子)、現代功能建筑(高速公路、隧道、乘候車廳/館、會議場館、錄音/演播廳、消聲室)減振降噪制新材料、新結構領域，具體涉及一種用于通風管路降噪的聲學超材料元胞及包含它的超材料通風降噪裝置。

背景技術

通風管路結構作為輸送物質的通道，廣泛存在于軍事裝備的空調通風、發動機進排氣、燃氣輪機、機艙散熱等各個場合，是保證裝備內部與外部空氣流通必不可少的設備之一。管路系統的主要功能是輸送流體介質，但在流體介質隨管路運輸的同時，噪聲也會隨著管路進行傳播。通風管路噪聲主要由兩方面產生，一是管路中機械設備運行時產生的振動和噪聲隨管路進行傳播，二是管道內流動的氣體在經過彎頭、三通、變徑管、閥門和送回風口等截面積變化部位產生渦流、渦阻現象也將引起結構振動產生噪聲。通風管路噪聲將直接影響與之相關的軍事設備的安全性和可靠性，影響戰斗人員居住環境的舒適性，危害其身體健康，尤其是低頻噪聲，攜帶能量較大、線譜明顯、傳播距離較遠，對海軍艦船、殲擊機的隱身性和生命力構成直接威脅。

通風管路的降噪設計最主要是在噪聲傳播路徑上對噪聲進行控制。目前，抑制通風管路噪聲主要采用以下兩種方法：一種是利用吸聲原理，在管路內壁貼附吸聲材料(如多孔材料、泡沫材料等)或安裝吸聲結構(如微穿孔板等)。但是傳統的利用吸聲材料的噪聲控制方法對低頻噪聲抑制效果有限，在工程應用上有一定局限性。另外一種是利用消聲原理，在管路上安裝消聲器，在工程上有著廣泛的應用。傳統的管路消聲器根據消聲原理的不同可分為抗性消聲器，阻性消聲器，阻抗復合式消聲器等。傳統的管路消聲器設計目前還存在著一些不足，例如抗性消聲器要對低頻噪聲進行有效控制則需要較大的空間體積，且消聲頻帶窄，阻抗復合式消聲器主要針對中高頻噪聲進行控制，低頻噪聲衰減能力較差。因此，目前通風管路噪聲控制急需設計一種新型的通風管路降噪裝置，以滿足工程、軍事裝備需求。

近年來，聲物理學和凝聚態物理學領域提出和發展的超材料結構為解決通風管路低頻噪聲問題提供了新思路。隨著聲學超材料在結構減振降噪方面研究的不斷深入，把超材料的設計思想應用于管路噪聲控制得到了廣泛的關注。

聲學超材料是人工微結構按一定方式排列而成的、具有超常物理特性的人工復合材料或結構。這些超常物理特性包括低頻帶隙、低頻超常吸收、超常材料參數(負質量密度、負彈性模量等)、強色散等等。聲學超材料的核心思想是通過亞波長尺度的微結構設計(即結構尺寸遠小于聲波傳播的波長)實現對彈性波的調制，并產生超常物理效應。這些超常物理效應可在通風管道噪聲控制中得到應用，有望實現傳統材料/結構所不具備的噪聲控制特性，對裝備通風管路系統噪聲控制具有重要的理論意義和應用價值。

發明內容

針對現有技術存在的缺陷和不足，本發明的目的是提供一種聲學超材料元胞及包含它的超材料通風降噪裝置。

為了實現上述技術目的，本發明采用的技術方案為：

聲學超材料元胞，包括：

第一聲學元胞，其為環形腔體結構，包括第一聲學腔體和聲學開口，第一聲學腔體為第一聲學元胞其內部的環形空腔；

第二聲學元胞，其為與第一聲學元胞同軸設置且緊密相連的另一環形腔體結構，包括第二聲學腔體、高孔隙吸能介質和穿孔板，第二聲學腔體為第二聲學元胞其內部的環形空腔，第二聲學腔體內填充有高孔隙吸能介質；