一种可调背腔高度的双层蜂窝-微穿孔结构及其设计方法与流程

本发明属于利用蜂窝-微穿孔板复合结构设计的一种中低频、宽频带降噪结构和方法，尤其涉及一种可调背腔高度的双层蜂窝-微穿孔结构及其设计方法。

背景技术：

微穿孔板吸声结构是在普通穿孔板结构的基础上发展起来的,它的主要特点就是把穿孔直径减小到毫米以下,利用穿孔本身的声阻达到控制吸声结构相对声阻率的目的,从而可以取消穿孔板后的吸声材料,使吸声结构大大简化。蜂窝夹层结构具有比强度高、比刚度大、抗疲劳性能良好、表面平整光滑等特点在航空领域等被广泛使用，将两者组合起来的蜂窝-微穿孔板结构拥有优良力学性能的同时也拥有较好的吸声效果。

单层微穿孔板吸声结构除吸声峰值外的吸声系数低，有效吸声频带窄，有时并不能很好的满足实际应用的需要，而双层微穿孔板吸声结构可以看成是两个互相耦合的共振吸声结构，利用双层微穿孔板结构可以得到更高的吸声系数和更宽的吸声频带。

由微穿孔板吸声原理可知，微穿孔板结构的板厚空腔深度直接影响结构的吸声性能即吸声频率和吸声系数。为了改良结构吸声性能，将双层蜂窝-微穿孔结构的一层微穿孔板只保留垂直上下的自由度，设置成可以上下调节的。这样通过改变该层微穿孔板的位置便可以实现微穿孔板板厚空腔高度的变化达到对不同频率噪声的吸收。

技术实现要素：

本发明针对蜂窝-微穿孔结构吸声结构，设计了一种可调背腔高度的双层蜂窝-微穿孔结构，通过改变蜂窝芯内含微穿孔板的高度，从而实现结构对不同频率噪声的吸收，改善了吸声效果的同时也提高了蜂窝-微穿孔结构在降噪中的应用。

本发明通过如下技术方案实现。

一种可调背腔高度的双层蜂窝-微穿孔结构，上面板、下面板、夹在上面板与下面板之间的蜂窝芯，其特征在于，所述上面板为微穿孔面板，所述蜂窝芯内设有高度可调节的微穿孔板，所述微穿孔板上设有调节凸台，所述蜂窝芯内设有调节螺杆，所述调节螺杆和调节凸台内设有相互配合的外螺纹和内螺纹，所述调节螺杆的一端穿过所述下面板且该端设置有用于控制所述调节螺杆的调节旋钮，所述蜂窝芯的内壁上设置有凸条，所述微穿孔板的外侧设置有与所述凸条相配合的凹槽，所述凸条与所述蜂窝芯的轴线平行，通过旋转调节旋钮改变上面板与微穿孔板之间的距离，从而改变结构共振频率，吸收不同频率的噪声。

优选的，所述下蜂窝芯为采用密排圆形排布。

优选的，所述调节螺杆的底部穿过所述下面板，所述调节螺杆的底部与所述下面板间隙配合构成自锁结构，自锁结构的中间窄两端宽。

优选的，所述调节螺杆的螺纹为右旋矩形螺纹。

优选的，所述调节旋钮上设置有刻度盘。

一种可调背腔高度的双层蜂窝-微穿孔结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，根据马大猷院士的微穿孔板理论以及计算机模拟验证空腔高度的改变对于微穿孔的吸声效果的影响，在声波垂直入射时的吸声系数为：

微穿孔吸声体在共振时吸声系数达到最大值，最大吸声系数值为：

共振频率f0满足：

2πf0m-cot(2πf0d/c)＝0(3)

其中分别声阻r和声质量m分别为：

在以上各式中，k为穿孔板常数

μ为空气的运动黏度系数(1.48×10^-5m²/s),t为板厚，d为穿孔直径，d为空腔高度，p为穿孔率，f为声音频率，板后空腔的声阻抗率为

zd＝-jρccot(ωd/c)(7)

设双层微穿孔吸声体两层微穿孔板m1，r1和m2，r2，其后空腔各为d1和d2，根据其等效电路，可求得双层串联结构的相对声阻抗

由上述理论公式可知，双层微穿孔板结构阻抗值的大小受微穿孔板的参数和空腔高度d1、d2的影响，假设微穿孔板参数是确定的，则d1和d2的数值直接影响结构的阻抗值，即改变微穿孔板空腔高度d就可以调节微穿孔板结构的吸声性能。

第二步，基于上述阻抗值随空腔高度d1和d2的变化规律，设计一种可调背腔高度的双层蜂窝-微穿孔结构，结构采用密排圆形蜂窝芯，通过改变蜂窝芯内部微穿孔板的位置，达到改变板后空腔的声阻抗率的目的，从而实现对不同频率噪声的吸收。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、发明所述的双层蜂窝-微穿孔结构可以针对不同频率的噪声，通过改变背腔高度改变结构的共振频率实现对噪声的最好吸收；

2、相比单层蜂窝-微穿孔结构，发明所述的双层蜂窝-微穿孔结构拥有更好的吸声效果；

3、发明所述的双层蜂窝-微穿孔结构制造简单，操作简单，在降噪领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1是普通的密排圆形蜂窝-微穿孔结构；

图2是本发明的蜂窝芯胞元结构示意图；

图3是本发明的蜂窝芯胞元内部结构示意图；

图4是本发明自锁结构示意图：

图5是本发明蜂窝芯侧壁俯视图；

图6是本发明内部微穿孔板俯视图；

图7是本发明凸台示意图；

图8是本发明螺杆结构示意图；

图9是本发明控制螺杆旋转的旋钮结构示意图；

图10是改进后可调背腔高度的蜂窝-微穿孔结构；

图11是实施例吸声效果图；

图中：1、上面板，2、蜂窝芯，3、下面板，4、螺杆，5、微穿孔板，6、凸台，7、旋钮，8、凸条，9、凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，一块普通的密排圆形蜂窝-微穿孔由上面板1、密排圆形蜂窝芯2、下面板3构成，其中上面板为一定穿孔率的微穿孔板，蜂窝芯采用密排圆形结构，下面板为普通金属薄板。

本发明对普通的蜂窝芯夹层结构进行改进，将蜂窝芯结构设置成内含螺杆和微穿孔板的结构。

如图2至图10所示，一种可调背腔高度的双层蜂窝-微穿孔结构，上面板1、下面板3、夹在上面板1与下面板3之间的蜂窝芯2，其特征在于，所述上面板1为微穿孔面板，所述蜂窝芯2内设有高度可调节的微穿孔板5，所述微穿孔板5上设有调节凸台6，所述蜂窝芯2内设有调节螺杆4，所述调节螺杆4和调节凸台6内设有相互配合的外螺纹和内螺纹，所述调节螺杆4的一端穿过所述下面板3且该端设置有用于控制所述调节螺杆4的调节旋钮7，所述蜂窝芯2的内壁上设置有凸条8，所述微穿孔板5的外侧设置有与所述凸条8相配合的凹槽9，所述凸条8与所述蜂窝芯2的轴线平行，通过旋转调节旋钮7改变上面板1与微穿孔板5之间的距离，从而改变结构共振频率，吸收不同频率的噪声。凸条8和凹槽9限制了微穿孔板5的自由度，以至于微穿孔板5只能沿着螺杆上下移动，而不能随螺杆转动。

作为优选的实施方案，所述下蜂窝芯2为采用密排圆形排布。

作为优选的实施方案，所述调节螺杆4的底部穿过所述下面板3，所述调节螺杆4的底部与所述下面板3间隙配合构成自锁结构，自锁结构的中间窄两端宽。

作为优选的实施方案，所述调节螺杆4的螺纹为右旋矩形螺纹。

作为优选的实施方案，所述调节旋钮7上设置有刻度盘。

单个可调背腔高度的双层蜂窝-微穿孔结构胞元如图2、图3所示。图2是单个可调背腔高度的双层蜂窝-微穿孔结构胞元结构示意图，蜂窝芯2为采用密排圆形排布。图3是可调背腔高度的双层蜂窝-微穿孔结构胞元内部结构示意图。图4是本发明自锁结构示意图，安装时，只需将螺杆4顶入蜂窝芯2内部形成自锁结构，便可保证螺杆4不会掉出。图5是本发明蜂窝芯俯视图，图6是本发明内部微穿孔板俯视图，微穿孔板5外侧的凹槽与蜂窝芯2内壁的凸起相配合以限制微穿孔板5的自由度，以至于微穿孔板5只能沿着螺杆上下移动。图7是本发明凸台示意图，图8是本发明螺杆示意图，微穿孔板5下方的凸台6内置螺纹孔，螺纹孔大小与螺杆4螺纹相配合。图9是本发明旋钮示意图，通过上面的刻度可以控制蜂窝芯内部微穿孔板5上升的高度。

一种可调背腔高度的双层蜂窝-微穿孔结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，根据马大猷院士的微穿孔板理论以及计算机模拟验证空腔高度的改变对于微穿孔的吸声效果的影响，在声波垂直入射时的吸声系数为：

微穿孔吸声体在共振时吸声系数达到最大值，最大吸声系数值为：

共振频率f0满足：

2πf0m-cot(2πf0d/c)＝0(3)

其中分别声阻r和声质量m分别为：

在以上各式中，k为穿孔板常数

μ为空气的运动黏度系数(1.48×10^-5m²/s),t为板厚，d为穿孔直径，d为空腔高度，p为穿孔率，f为声音频率，板后空腔的声阻抗率为

zd＝-jρccot(ωd/c)(7)

设双层微穿孔吸声体两层微穿孔板m1，r1和m2，r2，其后空腔各为d1和d2，根据其等效电路，可求得双层串联结构的相对声阻抗

由上述理论公式可知，双层微穿孔板结构阻抗值的大小受微穿孔板的参数和空腔高度d1、d2的影响，假设微穿孔板参数是确定的，则d1和d2的数值直接影响结构的阻抗值，即改变微穿孔板空腔高度d就可以调节微穿孔板结构的吸声性能。

第二步，基于上述阻抗值随空腔高度d1和d2的变化规律，设计一种可调背腔高度的双层蜂窝-微穿孔结构，结构采用密排圆形蜂窝芯，通过改变蜂窝芯内部微穿孔板的位置，达到改变板后空腔的声阻抗率的目的，从而实现对不同频率噪声的吸收。

实施例：

单个可调背腔高度的双层蜂窝芯胞元如图3、图4和图5所示。其中各结构尺寸如下：蜂窝芯2外径29mm，内径28mm，高度60mm；螺杆4为右旋矩形螺纹，大径4mm，小径2mm，螺距4mm；微穿孔板1板厚1mm，孔径0.5mm，穿孔率1％；微穿孔板5板厚1mm，孔径0.5mm，穿孔率1％。微穿孔板5的厚度仅为1mm，故在其下方设计高度5mm，直径5mm的凸台7。凸台7内置螺纹孔，大小与螺杆4螺纹相配合。本实施例计算微穿孔板5距离蜂窝芯底部高度10mm、微穿孔板5距离蜂窝芯底部高度30mm和微穿孔板5距离蜂窝芯底部高度50mm三种情况下的吸声系数，结构设置成直径29mm的的圆柱形以方便在阻抗管中进行测量。

图11为三种情况下结构的吸声效果，第一种情况即微穿孔板5距离蜂窝芯底部高度10mm结构的吸声系数，此时结构的d1和d2分别为50mm和10mm；第二种情况微穿孔板5距离蜂窝芯底部高度30mm结构的吸声系数，此时结构的d1和d2均为30mm；第三种情况微穿孔板5距离蜂窝芯底部高度50结构的吸声系数，此时结构的d1和d2分别为10mm和50mm。由该图可知，本发明所述的背腔高度可调的双层蜂窝-微穿孔结构在低频、中频、中高频对噪声有着良好的吸收效果，而且通过改变蜂窝芯内部微穿孔板距离蜂窝芯底部的高度，从而实现结构对不同的频率的最好吸收。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

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