CN108344803A - 利用comsol和谐振腔模型进行低频噪音处理的研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用COMSOL和谐振腔模型进行低频噪音处理的研究方法，步骤一、制作不同规格的谐振腔模型；步骤二、将第一检测组分别放入B&K型4206阻抗管进行隔声量测试，将第二检测组分别放入B&K型4206阻抗管进行隔声量测试；步骤三、利用COMSOL软件进行谐振腔吸声的理论模拟，直至COMSOL软件拟合的理论数据与步骤二的实验数据基本一致；步骤四、利用COMSOL软件，继续采用控制变量法进行谐振腔吸声的拓展模拟，并最终确定膜厚、直径对吸声效果的影响曲线。这种可调参数的薄膜型谐振腔，通过改变模型的尺寸和弹性膜的厚度来调节峰值的吸收频率和吸收系数，结合COMSOL软件进行理论模拟，将以最小的空间、材料和最低的成本实现特定频率的特异性吸收。
Description
技术领域
本发明低频噪音处理技术领域，具体涉及一种利用COMSOL和谐振腔模型进行低频噪音处理的研究方法。
背景技术
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500Hz之间)。由于其穿透力高，目前实现低频噪声的有效吸收仍是一项非常艰巨的工作。吸声的常规材料，例如砖、混凝土墙，可以对中高音频频率提供噪声衰减。然而，完全吸收约300Hz的噪音需要其近半米的厚度。随着新材料的吸声性能的发展，例如多孔纤维材料、带孔或微孔的多孔板，其表面背后具有一定深度调谐腔，所需的材料厚度降低到四分之一波长，能够实现可观的吸收。但随着几何尺寸变小，常会导致与入射波不完美的阻抗匹配。
膜谐振器，是一种未来被寄予厚望能够实现低频噪音吸收的结构。各种形式的膜谐振器已经被证明能够通过杂交共振来实现亚波长的完美吸收，但是目前的膜谐振器都是利用膜上贴硬币来制造区别弹性模的杂化本征态。
我们在实验中发现，仅仅依靠弹性模的吸收器也可以达到低频的完美吸收，我们希望沿用将弹性薄膜固定在内空的柱形刚性框架的谐振腔模式。这种模式下的模型几何形状简单，易于大规模生产应用，参数变量少，易于利用控制变量法来研究它和吸声频率的关系，从而为低频噪音环境治理提供一种全新的研究方法。
发明内容
为此，本发明旨在提供一种利用COMSOL和谐振腔模型进行低频噪音处理的研究方法，包括以下步骤：
步骤一、制作不同规格的谐振腔模型；
谐振腔模型包括谐振腔体和谐振腔盖，谐振腔体采用PLA材料3D打印机制成，谐振腔体为一端敞开的中空圆柱体，所述谐振腔盖采用均匀拉伸的弹性薄膜制成，谐振腔盖正好盖在谐振腔体敞口端并采用硅胶固定，从而围成一个封闭谐振腔模型；谐振腔模型的三个参数为高度h、直径d、膜厚a；
谐振腔模型的高度h、直径d固定不变，膜厚a分别选取0.2mm、0.3mm和0.4mm，制作三个不同膜厚的第一检测组；
谐振腔模型的高度h、膜厚a固定不变，直径d分别选取6cm、9cm，制作两个不同直径的第二检测组；
步骤二、将第一检测组分别放入B&K型4206阻抗管进行隔声量测试，并获得第一组实验数据，以分析膜厚对吸声效果的影响；将第二检测组分别放入B&K型4206阻抗管进行隔声量测试，并获得第二组实验数据，以分析直径对吸声效果的影响；
步骤三、利用COMSOL软件进行谐振腔吸声的理论模拟，包括：(1)根据谐振腔体的结构参数建立谐振腔体的3D仿真模型；(2)对所述3D仿真模型赋予材料特性；(3)对所述3D仿真模型进行网格划分；(4)将步骤二中的实验数据与COMSOL软件拟合的理论数据进行比较,判断理论数据与实验数据是否一致，若是，则将该3D仿真模型对应的参数作为谐振腔体的设计参数并跳至步骤四；若否，则调整所述3D仿真模型的参数并重复步骤三，直至COMSOL软件拟合的理论数据与步骤二的实验数据基本一致；
步骤四、利用COMSOL软件，继续采用控制变量法进行谐振腔吸声的拓展模拟：将谐振腔模型的高度固定在6cm，将膜厚a的范围扩大至0.2mm～1mm，且由小到大每次增加0.1mm，将直径d的范围扩大至4cm～13cm，且由小到大每次增加1cm进行模拟，并最终确定膜厚、直径对吸声效果的影响曲线。
本发明的有益效果是：这种可调参数的薄膜型谐振腔，它由开放的谐振腔和薄膜构成，通过改变模型的尺寸和弹性膜的厚度来调节峰值的吸收频率和吸收系数。结合COMSOL软件进行理论模拟，其实验数据与理论基本完全吻合，将以最小的空间、材料和最低的成本实现特定频率的特异性吸收。
附图说明
图1是谐振腔模型的结构示意图。
图2是固定高度和直径下，三种不同膜厚下，吸声系数A与相应频率f的关系曲线。
图3是固定高度和膜厚下，两种不同直径下，吸声系数A与相应频率f的关系曲线。
图4是0.2mm～1mm膜厚范围的吸声系数A与相应频率f的关系曲线。
图5是0.2mm～1mm膜厚范围的频率带宽与膜厚的函数关系曲线。
图6是0.2mm～1mm膜厚范围的吸收峰频率与膜厚的函数关系曲线。
图7是4～13cm直径范围的吸声系数A与相应频率f的关系曲线。
图8是4～13cm直径范围的频率带宽与直径的函数关系曲线。
图9是～13cm直径范围的吸收峰频率与直径的函数关系曲线。
图10是膜厚实验和模拟结果为0.4mm，在314Hz附近达到完美的吸收示意图。
图11是膜厚实验和模拟结果为0.8mm，在199Hz附近达到完美的吸收示意图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
一种利用COMSOL和谐振腔模型进行低频噪音处理的研究方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制作不同规格的谐振腔模型；
如图1所示，谐振腔模型由谐振腔体和谐振腔盖两部分组成。谐振腔体采用PLA材料3D打印机制成，谐振腔体为一端敞开的中空圆柱体。谐振腔盖采用均匀拉伸的弹性薄膜制成，谐振腔盖正好盖在谐振腔体敞口端并采用硅胶固定，从而围成一个封闭谐振腔模型。谐振腔模型的三个参数为高度h、直径d、膜厚a。
为了采用控制变量法进行谐振腔模型的实验，需要制作不同规格的谐振腔模型。在谐振腔模型的高度h、直径d、膜厚a三个结构尺寸参数中，高度h对吸声效果的影响几乎可以忽略不计，并且在实际应用中谐振腔模型的高度h受空间限制，因此不进行谐振腔模型的高度h的吸声实验，只进行直径d、膜厚a对噪音的吸声实验。
具体为：谐振腔模型的高度h＝6cm、直径d＝6cm固定不变，膜厚a分别选取0.2mm、0.3mm和0.4mm，制作三个不同膜厚的第一检测组。
另外，谐振腔模型的高度h＝6cm、膜厚a＝0.4mm固定不变，直径d分别选取6cm、9cm，制作两个不同直径的第二检测组。
步骤二、将第一检测组分别放入B&K型4206阻抗管进行隔声量测试，并获得第一组实验数据，以分析膜厚对吸声效果的影响。如图2中实线所示：随着膜厚增加，最佳吸声峰频率显著降低，吸声系数增加，频带宽度降低。
将第二检测组分别放入B&K型4206阻抗管进行隔声量测试，并获得第二组实验数据，以分析直径对吸声效果的影响。如图3中实线所示：随着直径增加，最佳吸声峰频率略有降低，吸声系数略有增加，频带宽度明显增加。所述步骤二中，最好利用双麦克风获得第一组、第二组实验数据。
步骤三、利用COMSOL软件进行谐振腔吸声的理论模拟，包括：(1)根据谐振腔体的结构参数建立谐振腔体的3D仿真模型；(2)对所述3D仿真模型赋予材料特性；(3)对所述3D仿真模型进行网格划分；(4)将步骤二中的实验数据与COMSOL软件拟合的理论数据进行比较,判断理论数据与实验数据是否一致，若是，则将该3D仿真模型对应的参数作为谐振腔体的设计参数并跳至步骤四；若否，则调整所述3D仿真模型的参数并重复步骤三，直至COMSOL软件拟合的理论数据与步骤二的实验数据基本一致。
COMSOL软件计算的理论数据特性如图2中虚线所示：随着膜厚增加，最佳吸声峰频率明显降低，吸声系数和频带基本不变。理论数据与实验数据基本一致，从而我们得出结论：在其它参数固定的情况下，完全吸声峰频率随着膜厚的增加而减小，与膜厚成反比。
COMSOL软件计算的理论数据特性如图3中虚线所示：随着直径增加，最佳吸声峰频率降低，频带宽度明显增加，吸声系数基本不变。理论数据与实验数据基本一致，从而我们得出结论：在其它参数固定的情况下，完全吸声峰频率随着直径的增加而增加，与直径成正比。
通过以上步骤，可以得出初步结论，与实验模式相比，理论吸声的整体趋势似乎比较完美，这种现象可能是由人为操作引起的实验误差，外部环境的干扰，膜的弹性等不均匀性，固定膜对框架的紧密度，3D印刷模型的误差等引起的。理论模拟和实验测量的结合表明了上述结论的正确性，这是我们初步探索的伟大开始。
步骤四、利用COMSOL软件，继续采用控制变量法进行谐振腔吸声的拓展模拟。根据之前从实验和理论计算两个方面对规律的探索，我们可以看到，实验和理论实现了完美的一致。因此，为了验证上述结论是否通用，将谐振腔模型的高度固定在6cm，将膜厚a的范围扩大至0.2mm～1mm，且由小到大每次增加0.1mm，将直径d的范围扩大至4cm～13cm，且由小到大每次增加1cm进行模拟，并最终确定膜厚、直径对吸声效果的影响曲线。
膜厚变化对吸声效果的拓展：图4—图6显示出不同膜厚度的仿真结果和数据分析；其中，图4表明随着膜厚的增加，吸收峰向左移动，带宽逐渐变小；图5和图6显示了模拟结果的具体分析，带宽(相应吸声系数为最大值得50％额两个频率之间的差异)和吸声峰频率随膜厚的增加而减小。
直径变化对吸声效果的拓展：图7—图9显示出不同直径的仿真结果和数据分析；其中，图7示出了与模型的不同直径相对应的全部声吸收图像；我们可以发现，图8中有两个极值点，当直径小于6cm时，带宽随直径增加而减小。相反，当直径在6cm到9cm的范围内变化时，带宽随直径增加逐渐增加。当直径大于10cm时，带宽稳定在约150Hz。如图9，吸收峰值频率在300Hz附近波动，在图9中存在一个极值点，其对应的横坐标是8cm，在极值点左侧，吸收峰值频率随着直径的增加而减小，然而，当直径在8厘米到9厘米之间时，吸收峰值频率随着直径的增加而变大。
上述分析改进了吸声效果与膜厚度、直径的关系，为进一步探索其应用领域提供了重要意义。
我们发现，基于实验的探索和结论以及上述理论计算，模型的吸收峰值频率随膜厚的变化规律变化，显示出e指数函数。
y＝A×exp(-x^t2/t1)+y0
(A＝323.64208,t1＝0.15885,t2＝1.96122,y0＝193.013434)，y为吸收峰值频率，x为膜厚。
变配电机房和空调是低频噪音的主要来源，前者的噪声频率约为199Hz，后者的噪声频率约为314Hz。对于谐振腔模型(直径为9cm，高度为6cm)，根据上述公式计算，膜的厚度应设为0.4mm和0.8mm，以在相关频率下实现完美吸收。然后，我们模拟不同膜厚度的两个模型进行验证，结果如图10和图11所示。在199Hz和314Hz附近有明显的吸收峰，两个模型的实验结果与模拟结果吻合良好。
我们通过大量的实验数据和理论模拟，找出由均匀拉伸的弹性膜和中空圆柱形框架组成的谐振腔模型的吸声特性的一般规律。简而言之，吸收峰值频率与膜厚之间的关系为e指数，带宽随着直径在一定高度范围内的增加而减小。另外，对于冰箱(特定频率199hz)和空调风扇(特定频率为314hz)的噪声吸收，我们发现相应的谐振腔模型尺寸为：高度6cm、直径9cm、膜厚0.4mm和高6cm、直径9cm、膜厚0.8mm。同时发现该模型可以通过COMSOL软件进行装配。这意味着我们的模型可以有效地应用于解决现实生活中的噪声污染问题。可以看出，我们通过实验获得的模型吸声特性与相应参数的关系与理论结果一致。另一方面，由于我们的模式及其相应的法则是相对易于管理和简单的，更容易被引入到各个领域的实际应用中。模型的尺寸至少为其空气中的波长的1/15，目前已经能够针对空调风机和变电站的低频噪音等进行特异性吸收，作为吸声器的应用前景十分令人期待。
Claims (4)
1.一种利用COMSOL和谐振腔模型进行低频噪音处理的研究方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制作不同规格的谐振腔模型；
谐振腔模型包括谐振腔体和谐振腔盖，谐振腔体采用PLA材料3D打印机制成，谐振腔体为一端敞开的中空圆柱体，所述谐振腔盖采用均匀拉伸的弹性薄膜制成，谐振腔盖正好盖在谐振腔体敞口端并采用硅胶固定，从而围成一个封闭谐振腔模型；谐振腔模型的三个参数为高度h、直径d、膜厚a；
谐振腔模型的高度h、直径d固定不变，膜厚a分别选取0.2mm、0.3mm和0.4mm，制作三个不同膜厚的第一检测组；
谐振腔模型的高度h、膜厚a固定不变，直径d分别选取6cm、9cm，制作两个不同直径的第二检测组；
步骤二、将第一检测组分别放入B&K型4206阻抗管进行隔声量测试，并获得第一组实验数据，以分析膜厚对吸声效果的影响；将第二检测组分别放入B&K型4206阻抗管进行隔声量测试，并获得第二组实验数据，以分析直径对吸声效果的影响；
步骤三、利用COMSOL软件进行谐振腔吸声的理论模拟，包括：(1)根据谐振腔体的结构参数建立谐振腔体的3D仿真模型；(2)对所述3D仿真模型赋予材料特性；(3)对所述3D仿真模型进行网格划分；(4)将步骤二中的实验数据与COMSOL软件拟合的理论数据进行比较,判断理论数据与实验数据是否一致，若是，则将该3D仿真模型对应的参数作为谐振腔体的设计参数并跳至步骤四；若否，则调整所述3D仿真模型的参数并重复步骤三，直至COMSOL软件拟合的理论数据与步骤二的实验数据基本一致；
步骤四、利用COMSOL软件，继续采用控制变量法进行谐振腔吸声的拓展模拟：将谐振腔模型的高度固定在6cm，将膜厚a的范围扩大至0.2mm～1mm，且由小到大每次增加0.1mm，将直径d的范围扩大至4cm～13cm，且由小到大每次增加1cm进行模拟，并最终确定膜厚、直径对吸声效果的影响曲线。
2.按照权利要求1所述的利用COMSOL和谐振腔模型进行低频噪音处理的研究方法，其特征在于：所述步骤一中第一检测组的谐振腔模型的高度h为6cm，直径d为6cm。
3.按照权利要求2所述的利用COMSOL和谐振腔模型进行低频噪音处理的研究方法，其特征在于：所述步骤一中第二检测组的谐振腔模型的高度为6cm，膜厚a为0.4mm。
4.按照权利要求1所述的利用COMSOL和谐振腔模型进行低频噪音处理的研究方法，其特征在于：所述步骤二中，利用双麦克风获得第一组、第二组实验数据。
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