技术领域
[0001] 本
发明涉及低频噪音处理技术领域，具体涉及一种可定制宽频的高效
通风吸声器有限元模拟及演示验证方法。
背景技术
[0002] 噪音消除在我们的日常生活中起着重要的作用，特别是对于低频噪声(在50到1000Hz之间)，由于其穿透
力高，目前实现低频噪声的有效吸声仍是一项非常艰巨的工作。
[0003] 在过去的二十年中，已经提出了各种声学超材料吸收器来克服天然吸声材料在处理低频声音(<1000Hz)时的固有局限性。一旦传输受阻，它们就会在定制的工作
频率上产生高效率的吸收。与传统的多孔材料相比，它们可以在潮湿和狭窄空间等恶劣环境中去控制噪音并改善声音环境。然而，在日常生活和工业中，噪声的产生通常伴随着不稳定的
流体流动，特别是与管道，
喷嘴和
涡轮机内部或周围的
湍流有关。此外，流体必须具有自由通过的通道，以使相应的设备、装置或设施正常工作。这样的实际情况使许多先前的超材料吸收器无法做到，因为它们通常需要完全密封流动通道以消除传输。否则，如果有传输通道，吸收率可能会大大降低，通常不能超过50％。最近，被提出的几种通风的超材料吸收器，它们的性能(包括工作频率，带宽和最大吸收)仍然不令人满意，主要归因于单个亚
波长散射的最大吸收截面仅为其最大散射截面的四分之一所致。因此，由亚波长散射组成的通风声学超材料的吸收与其反射相比通常很小。
发明内容
[0004] 本发明旨在提供一种专用于低频噪音处理的有限元模拟及验证方法，它能根据一种新设计的宽频高效通风吸声器的结构建立3D仿真模型和通风管道模型,进行不同宽度的低频噪音的有限元模拟，从而对宽频高效通风吸声器定制出最佳的尺寸参数，并结合样本进行演示验证实验，实现对于单频的高效吸收(平均吸收率>95％)和通风(>80％的风速比)，对于宽频的高效吸收(平均吸收率>70％)和通风(>70％的风速比)，以克服现目前声学超材料需要完全密封流动通道以实现完美声吸收的
缺陷，适用于
空调、排气罩和流道等充满流体的环境的噪声控制。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：一种可定制宽频的高效通风吸声器有限元模拟及演示验证方法，包括以下步骤：
[0006] 第一步，根据高效通风吸声器的结构及参数建立3D仿真模型，并在COMSOL中建立通风管道模型，再将所建立的3D仿真模型放置在建立的管道模型中；
[0007] 所述高效通风吸声器包括两个前后并排对称设置的第一分列管
谐振腔和第二分列管谐振腔，每个分列管
谐振器由内框、外框构成，整体呈“回”字形，且第一、第二分列管谐振腔的左右两侧均配备有盖板，从而在内外框之间形成吸声通道；在第一分列管谐振腔的外框前
侧壁中部、内框前侧壁中部、外框后侧壁中部，在第二分列管谐振腔的外框前侧壁中部、内框后侧壁中部、外框后侧壁中部分别设置有“一”字形的
水平吸声窄缝；
[0008] 第二步，对所建立的3D仿真模型赋予材料特性；
[0009] 第三步，对所建立的3D仿真模型设置物理场，将吸声器外区域设置为声压物理场，将吸声器内部区域设置为热粘性物理场，将吸声器的两个内外区域交界面设置为热声耦合边界；
[0010] 第四步，对所建立的3D仿真模型进行网格划分，使用最小单元0.1mm—0.3mm，最大单元20mm—30mm去构建网格；
[0011] 第五步，利用COMSOL
软件，继续采用控制变量法进行高效通风吸声器的拓展模拟，鉴于3D仿真模型的吸声效果与长度a、高度b、通道宽w-chan、窄缝宽w-slit四个参数有关，将3D仿真模型的a、b,、w-chan、w-slit这四个参数分别在[起始数值，步长，终止数值]中进行参数化扫描，单位为mm，根据参数化扫描结果，最终确定a，b，w-slit,w-chan对吸声效果以及吸声频率的影响曲线，以确定实现吸声效果>95％的参数范围；
[0012] 第六步，制作高效通风吸声器准备进行演示实验；
[0013] 按照3D仿真模型最终确定的参数范围，采用光敏
树脂3D
打印机制造高效通风吸声器样品；
[0014] 第七步，声学测量演示实验；
[0015] 样品的声学测量在方形阻抗管中进行，并由全频扬声器、四个麦克风、功率
放大器和
数据采集分析仪配套完成，方形阻抗管由两个
铝制方管组成，使用厚度为3mm—5mm的铝板作为刚性
背板，以模拟声学硬边界终端，拆下铝板后，方形阻抗管中的声音会向外
辐射，从而模拟出一个开放边界的声学终端，在测量中充当两个不同的终端负载；
[0016] 通过四麦克风测透射的方法将样品放置在方形阻抗管中，将全频扬声器放置在方形阻抗管的一端头处，将刚性背板放置在方形阻抗管的另一端头处，将四个麦克风分别固定在方形阻抗管上，进行吸声效果的验证；
[0017] 第八步，通风测量演示实验；
[0018] 样品的通风测量也在方形阻抗管中进行，并由
电风扇、
风速计配套完成，风速计用于方形阻抗管出口处的气流速度，而电风扇则位于入口处；
[0019] 通过四麦克风测透射的方法将样品放置在方形阻抗管中，在入口处放置电风扇，出口处放置风速计，将方形阻抗管的截面分为3*3的9个区域，将风速计分别放置在这9个区域中，计算读取放置样品时的平均风速；再将方形阻抗管中的样品取出，以相同的方式计算出没有放置样品时的平均风速，将风速比g定义为放置样品时的平均风速除与未放置样品时的平均风速的比率。
[0020] 优选为，在第六步中，采用的所述
3D打印机精度为0.1mm，光敏树脂的
弹性模量为2.46GPa，
密度为1.10g/cm3。
[0021] 优选为，在第七步中，所述铝制方管的内截面为147×147mm2，管厚度为5mm；刚性背板采用厚度为4mm的铝板；全频扬声器采用中国M5N，HiVi；四个麦克风采用中国BSWA，MP418；
功率放大器采用中国Aigtek，ATA 304；数据采集分析仪采用中国BSWA，MC3242。
[0022] 优选为，在第八步中，所述电风扇的最大风量为3.7×103m3/h，风速计采用中国TM856，TECMAN，风扇和阻抗管之间的空隙用海绵密封以构成通风
管道系统。
[0023] 本发明的有益效果是：宽频高效通风吸声器采用两个分别呈“回”字形的弱耦合分列管谐振腔，并结合盖板形成的吸声通道、多个“一”字形的水平吸声窄缝，使每个吸声单元构成一个类似于
弹簧的刚性的损耗
振荡器，用于安装在横截面更大的开放式气流通道内，能实现对于单频的高效吸收(平均吸收率>95％)和通风(>80％的风速比)，对于宽频的高效吸收(平均吸收率>70％)和通风(>70％的风速比)，克服了现目前声学超材料需要完全密封流动通道以实现完美声吸收但无法满足通风的技术
瓶颈，特别适用于空调、排气罩和流道等充满流体的环境的噪声控制；本发明通过有限元模拟及3D打印机制造的样品验证，对于低频
声波，寻找对于特定单频或宽频吸声的高效通风吸声器的最佳尺寸范围，从而实现宽频高效通风吸声器的可定制。
附图说明
[0024] 图1是高效通风吸声器立体图。
[0025] 图2是高效通风吸声器的左/右侧视图(不包括盖板)。
[0026] 图3是多个高效通风吸声器安装在气流通道内的断面图。
[0027] 图4是高效通风吸声器的理论
支撑示意图。
[0028] 图5是声学测量演示实验状态。
[0029] 图6是通风测量演示实验状态。
具体实施方式
[0030] 下面通过
实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
[0031] 结合图1、图2所示，一种高效通风吸声器，由两个前后并排对称设置的第一分列管谐振腔1和第二分列管谐振腔2构成。每个分列管谐振器1由内框、外框构成，整体呈“回”字形。第一分列管谐振腔1、第二分列管谐振腔2的左右两侧均配备有盖板(图中未示出)，从而在内外框之间形成吸声通道。
[0032] 在第一分列管谐振腔1的外框前侧壁中部、内框前侧壁中部、外框后侧壁中部，在第二分列管谐振腔2的外框前侧壁中部、内框后侧壁中部、外框后侧壁中部分别设置有“一”字形的水平吸声窄缝。
[0033] 如图3所示，多个高效通风吸声器A固定安装在开放通风的气流通道B内，高效通风吸声器A的设置数量根据气流通道B的横断面尺寸确定。
[0034] 高效通风吸声器A的横断面小于气流通道B的横截面，从而在气流通道B的内壁与高效通风吸声器A的外壁之间形成气流通过空间C。高效通风吸声器A由弱耦合的分裂管谐振腔组成，其吸声及通风效果通过数值计算和实验测量得以证明，能实现低频的高效吸收(>95％)和通风(>80％的风速比)，通过优化堆叠具有不同谐振频率的高效通风吸声器A来实现宽带吸收。在每个高效通风吸声器A的上方形成气流通过空间C，盖板3设置在高效通风吸声器A的左右两侧，正好将高效通风吸声器A的左右两端封住。
[0035] 下面对高效通风吸声器进行理论说明。
[0036] 如图4所示，每个高效通风吸声器(以下简称为“UVMA单元”)构成一个类似于弹簧的刚性的损耗振荡器。
[0037] (a)UVMA单元的横截面(xz平面)，其有效模型包括有损
质量和弹簧。下标表示每个分列管谐振腔(1,
输入侧；2,
输出侧)。(b)由(S11)等式对UVMA单元的模拟(实线)和拟合(散射)吸收
光谱(wchan＝1.5mm和wchan＝3.5mm时)。(c)从模拟中获得的比率κc/(ηr+ηl)。(d)从模拟中获得的吸收峰的频率。
[0038] Note 1.耦合损耗振荡器的有效模型
[0039] 为了建立一个有效的模型来分析两个谐振器之间的相互作用，我们将UVMA单元建模为两个耦合的损耗振荡器，每个振荡器的质量为m，弹簧常数为k，如图4(a)所示。用该方程描述了耦合损耗振荡器在外力作用下的运动
[0040]
[0041] 下标代指的不同的谐振器(1,input side；2,output side),xi表示的振幅,ηl代表的热粘损耗,ηr代表的辐射损耗,ηc代表两个谐振器之间的辐射耦合,andFi是作用在第i个谐振器上的力模拟了对应的谐振器.可以模拟单组的耦合谐振器，或者耦合谐振器的阵列，-iωt周期性导致了ηr和ηc的不同。进一步分析，我们假设时域波长的因子e ，将这个方程转化为频域
[0042]
[0043] 与振幅的比率Xij定义为Xij＝xi/xj,,因此
[0044]
[0045] 由此，我们得到x1和x2的表达式
[0046]
[0047] 可以推出
[0048]
[0049] 力的比值Fij＝Fi/Fj.且X12＝1/X21,解方程Eq.(S5)得到了X21的显式方程[0050]
[0051] 参数 固有频率， 是临界阻尼系数.然后求一段时间内振子的平均耗散功率
[0052]
[0053] 对于单边入射，它可以看作是对称入射和反对称入射的线性
叠加,因此，我们将外力分别表示为F1＝pS0和F2＝0，其中S0是谐振器的有效面积，p是入射声压。F21＝0,则耗散功率为
[0054]
[0055] 和
[0056]
[0057] 另一方面，其入射功率可以被表示为
[0058]
[0059] 其中Sinc是入射通道的面积，Z是声阻抗。因此，振荡器的吸收系数等于耗散功率与入射功率之比
[0060]
[0061] 是无透射时的参考辐射阻尼衰减
[0062] 显然，最大或最小吸收发生在满足条件的频率上
[0063]
[0064] 为了有可能得到直观的可解析分析，我们考虑深亚波长情况，使得ηr为纯实数，ηc＝iκc为纯虚数。经过繁琐的代数运算后，发现(S12)能直接得到结果
[0065] ω＝ω0 (S13)
[0066] 其它的解被这个方程所决定
[0067]
[0068] 事实上,当方程Eq.(S14)有实数解,吸收谱会在ω0处出现两个峰.存在的实数解推出了这个不等式
[0069]
[0070] 其中,
[0071]
[0072] 得到
[0073]
[0074] 经过一系列代数变换，得到
[0075]
[0076] 其中
[0077]
[0078] 最大的吸收Amax是
[0079]
[0080] 方程Eqs.(S16)和(S19)确认在图3处观察到的最大吸收的分裂是由于两个谐振器的最大的耦合辐射
[0081] 另一方面,如果辐射耦合κc变得足够小,例如
[0082]
[0083] 方程Eq.(S14)没有实数解，这两个吸收峰将会发生简并。相应的,这个最大吸收Amax将会在ω0处出现,其吸收值等于
[0084]
[0085] Note 2.Emergence of 90°-
相位差的出现与吸声峰的合并
[0086] 正如上面所提到的，两个吸收峰的合并使得最大的吸收值出现在ω0.对于ω0附近的(
角)频率,我们指的是ω＝ω0+δω,单侧入射的振动率可以被表示为
[0087]
[0088] 我们忽略其高阶项.X21,0的相位在共振ω0恰好是-90°,第二个谐振器的相位滞后于第一个入射波入射的谐振器。
[0089] 一种可定制宽频的高效通风吸声器有限元模拟及演示验证方法，包括以下步骤：
[0090] 第一步，根据高效通风吸声器的结构及参数建立3D仿真模型，并在COMSOL中建立通风管道模型，再将所建立的3D仿真模型放置在建立的管道模型中；
[0091] 第二步，对所建立的3D仿真模型赋予材料特性；
[0092] 第三步，对所建立的3D仿真模型设置物理场，将吸声器外区域设置为声压物理场，将吸声器内部区域设置为热粘性物理场，将吸声器的两个内外区域交界面设置为热声耦合边界；
[0093] 第四步，对所建立的3D仿真模型进行网格划分，使用最小单元0.1mm—0.3mm，最大单元20mm—30mm去构建网格；
[0094] 第五步，利用COMSOL软件，继续采用控制变量法进行高效通风吸声器的拓展模拟，鉴于3D仿真模型的吸声效果与长度a、高度b、通道宽w-chan、窄缝宽w-slit四个参数有关，将3D仿真模型的a、b,、w-chan、w-slit这四个参数分别在[起始数值，步长，终止数值]中进行参数化扫描，单位为mm，根据参数化扫描结果，最终确定a，b，w-slit,w-chan对吸声效果以及吸声频率的影响曲线，最终确定实现吸声效果>95％的参数范围；
[0095] 第六步，制作高效通风吸声器准备进行演示实验；
[0096] 按照3D仿真模型最终确定的参数范围，采用光敏树脂3D打印机制造高效通风吸声器样品；
[0097] 第七步，声学测量演示实验；
[0098] 如图5所示，样品D的声学测量在方形阻抗管4中进行，并由全频扬声器5、四个麦克风6、功率放大器和数据采集分析仪(图中未示出)配套完成，方形阻抗管由两个铝制方管组成，使用厚度为3mm—5mm的铝板作为刚性背板7，以模拟声学硬边界终端，拆下铝板后，方形阻抗管中的声音会向外辐射，从而模拟出一个开放边界的声学终端，在测量中充当两个不同的终端负载；
[0099] 通过四麦克风测透射的方法将样品放置在方形阻抗管中，将全频扬声器放置在方形阻抗管的一端头处，将刚性背板放置在方形阻抗管的另一端头处，将四个麦克风分别固定在方形阻抗管上，进行吸声效果的验证；
[0100] 第八步，通风测量演示实验；
[0101] 如图6所示，样品D的通风测量也在方形阻抗管4中进行，并由电风扇8、风速计9配套完成，风速计用于方形阻抗管出口处的气流速度，而电风扇则位于入口处；
[0102] 通过四麦克风测透射的方法将样品放置在方形阻抗管中，在入口处放置电风扇，出口处放置风速计，将方形阻抗管的截面分为3*3的9个区域，将风速计分别放置在这9个区域中，计算读取放置样品时的平均风速；再将方形阻抗管中的样品取出，以相同的方式计算出没有放置样品时的平均风速，将风速比g定义为放置样品时的平均风速除与未放置样品时的平均风速的比率。
[0103] 在第六步中，采用的3D打印机精度为0.1mm，光敏树脂的弹性模量为2.46GPa，密度为1.10g/cm3。
[0104] 在第七步中，铝制方管的内截面为147×147mm2，管厚度为5mm；刚性背板采用厚度为4mm的铝板；全频扬声器采用中国M5N，HiVi；四个麦克风采用中国BSWA，MP418；功率放大器采用中国Aigtek，ATA 304；数据采集分析仪采用中国BSWA，MC3242。
[0105] 在第八步中，电风扇的最大风量为3.7×103m3/h，风速计采用中国TM856，TECMAN，风扇和阻抗管之间的空隙用海绵密封。
[0106] 如图3所示，
框架上方的空腔区域允许各种流体(例如空气或水)自由通过结构。假定该结构浸没在空气中。入射到UVMA单元上的声波被完美吸收，从而同时实现有效的吸收和通风。如图所示，UVMA单元
包装成晶体格子形状，以流体流动方向为z向，以高度方向为x向，以宽度方向为y向。沿x和y方向的晶格常数分别为L和L/4由四个UVMA单元组成的通风吸声结构，展示了具有反对称特性的分列管谐振器。在低频下工作，确定UVMA单元的适当几何参数，使UVMA单元对于低频声波应同时具有高效的吸收和通风功能。然后使用图5和图6所示的设置进行实验验证。
[0107] UVMA设计策略的数值研究
[0108] 为了研究几何参数对UVMA吸声性能的影响，进行了全
波数值模拟。由于
能量守恒，取复数透射系数t和反射系数r，取吸收系数A可以得到A＝1-|t|2-|r|2。关键的几何参数(在图1—图3中表示)是长度a，高度b，通道w-chan的宽度和窄缝隙w-slit的宽度，它们有效地改变了UVMA的声学性能。首先，在确定其他参数(b＝40mm，wchan＝1.4mm，wslit＝1.4mm)的同时考虑长度a。随着长度a的增加，共振向低频移动，吸收接近于1。接下来，考虑高度b，随着高度b的增加，共振向低频移动，吸收率也接近于1。对于通道w-chan和缝隙w-slit的宽度而言，随着通道wchan或狭缝w-slit宽度的减小，UVMA的吸声率显着提高，并且共振也向低频移动。当w-chan变得足够小时，两个中等吸收共振(～60％)将合并为一个接近统一的峰。因此，必须采用非常窄的通道和狭缝(<2.0mm)以确保有效吸收。总的来说，可以得出结论，UVMA吸声率总是高效的(>80％)，同时其共振频率可以微小地移动，例如，调整长度a和高度b，同时保持窄通道w-chan和狭缝w-slit，这表明有可能针对不同的工作频率和通风条件优化吸收器。
[0109] 进行UVMA单元声学特性的实验测量时，考虑了两个样品，分别标记为样品I(a＝100毫米，b＝40毫米，w-chan＝1.4毫米，w-slit＝1.4毫米)和样品II(a＝150毫米，b＝45毫米，w-chan＝1.4毫米，w-slit＝1.4毫米)。两个样品的测量透射率和反射率，与模拟结果非常吻合。反射光谱和
透射光谱都在共振频率附近出现下降，这意味着高效吸收。模拟和测量的吸收表明彼此之间存在定量一致性。在实验中，对于样品I(II)，在637Hz(472Hz)下测得的吸收率达到95.6％(96.3％)。作为参考，还测量了两种最优质吸声海绵(Basotect G+，德国巴斯夫)的声学性能。它们被标记为
泡沫I和泡沫II，分别具有与样品I和样品II相同的尺寸，与市售泡沫相比，UVMA单元在共振附近清晰显示出卓越的声学性能。如果数据以dB为单位绘制，则更具有优势。
[0110] 对于定制宽带声吸收，声音响应的因果性质强加了一个基本的不等式，该不等式与声音吸收中两个最重要的方面有关：吸收谱和吸收体长度。
[0111]
[0112] 其中amin是最小的吸收厚度，B0是背景流体(空气)的体积模量，Beff是超材料在静态极限内的有效体积模量，A(λ)是吸收光谱，而λ是声波长度。对于由有限数量(N)的吸收单元组成的宽带吸收器，其谐振频率应按指数间隔以获得最佳性能。
[0113]
[0114] 因此，谐振频率应选择为：n＝1至N，f0是截止频率，而φ是由目标频带确定的系数。通过这种关系，在目标频带中构建了宽带UVMA单元。考虑到吸收和通风之间的权衡，并保持有效的通风，考虑了由七个单元组成的宽带UVMA。例如，以478-724Hz频带为目标，并将单元的谐振频率选择为478Hz，512Hz，549Hz，588Hz，630Hz，676Hz和724Hz。在模拟中，工作带宽为465-765Hz(定义为吸收率超过50％的频率)，对应于48.8％的较大带宽系数。同时，在实验中，工作频率带宽为476-726Hz，对应的带宽系数为41.6％。设计的吸收器已经成功
覆盖了目标频段，该频段的模拟(测量)平均吸收率为94.3％(93.9％)。微小的差异可以归因于一方面的实验过程中的制造和测量误差，以及另一方面的模拟中对固体的无限声阻抗的假设。尽管如此，以52.4％的开放面积比率，结果证实了堆叠方案已形成了宽带。
[0115] 带宽和平均吸收之间存在明显的权衡。如果改用较窄的频段(例如478-620Hz)，则吸收率会提高。使用
选定的更近的谐振频率(478Hz，499Hz，521Hz，544Hz，568Hz，593Hz，620Hz)，目标频段中的模拟(测量)平均吸收变为95％(96.2％)。此外，可以瞄准多个不连续的频带。例如，我们将478-550Hz和640-690Hz这两个频段作为目标吸声，选择了第一频段的谐振频率为(478Hz，501Hz，525Hz，550Hz)，而(640Hz，665Hz，690Hz)作为第二个频段的谐振频率。双谱带的平均吸收率为83.1％(78.1％)。结果证实，可以设计具有定制工作频段的UVMA，同时允许声音从所需的频率通过。
[0116] UVMA单元的通风性能以其风速比来表征，风速比定义为有风和无风时的风速之比，证明了该结构在保持几乎完美的低频吸声的同时实现了高效通风。
