CN115188356A - 一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，包括上面板和下面板，所述上面板位于所述下面板上方，且所述上面板和所述下面板平行设置，所述上面板和所述下面板之间设置有夹层结构，所述夹层结构上开设有若干空腔，若干所述空腔内均设置有声管组件，所述上面板上开设有若干微穿孔，所述微穿孔与所述空腔连通，若干所述微穿孔与若干所述声管组件一一对应。本发明提高了结构的低频吸声性能，拓宽了结构的吸声带宽，在实现良好低频吸声性能的基础上，提升了冲击载荷下的能量吸收，同时减轻重量，保证结构的承载性能，具有优异的低频吸声性能与抗爆吸能的特性，具有更多的可调结构参数，可根据实际工况需求进行相应调节。

Description

一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构

技术领域

本发明涉及低频吸声技术领域，特别是涉及一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构。

背景技术

噪声控制是众多行业和领域必须面对的重要问题。近年来在船舶工程领域，舱室内噪声控制成为该领域迫切需要解决的难题。然而，船舶舱室噪声控制需要考虑的因素较多，噪声控制工程十分复杂。传统的噪声控制方式包括吸声、隔声、使用***、隔离与降低振动等，其机理是噪声声波与声学材料或结构的相互作用、消耗声能从而降低噪声。对于船舶舱室而言，吸声处理方式多是在舱壁上加装吸声材料，其中多孔材料成为应用最为广泛的吸声材料。多孔材料虽然对中高频噪声具有良好的吸收效果，但是对低频噪声的吸声效果有限。

夹层结构通常因其高比刚度/强度而被广泛应用于航空航天、海洋工业、公路桥梁等多个工程领域。为了提高夹层结构的力学性能和能量吸收的能力，研究者提出了许多具有不同截面形状的蜂窝结构。蜂窝结构因其具有优异的耐冲击性能而经常被用于能量吸收。然而，常规蜂窝结构的吸能特性具有局限性，因此，引入基于蜂窝顶点或边界的分级蜂窝，与传统蜂窝结构相比，可以提高结构的能量吸收特性。

此外，在海洋环境下，舰船结构的内部更易腐蚀，影响舰船结构使用寿命。因此，亟需轻质、抗爆、吸声、承载多功能高度集成的吸声夹层结构，用来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，包括上面板和下面板，所述上面板位于所述下面板上方，且所述上面板和所述下面板平行设置，所述上面板和所述下面板之间设置有夹层结构，所述夹层结构上开设有若干空腔，若干所述空腔内均设置有声管组件，所述上面板上开设有若干微穿孔，所述微穿孔与所述空腔连通，若干所述微穿孔与若干所述声管组件一一对应。

优选的，所述夹层结构包括若干平行设置的格栅单元，所述格栅单元上下两端分别与所述上面板和所述下面板固定连接，若干所述格栅单元阵列式分布，相邻两所述格栅单元之间的间距相等，四个相邻的所述格栅单元围成多边形结构，所述空腔位于所述多边形结构内，所述格栅单元内设置有格栅孔。

优选的，所述声管组件包括开设在所述多边形结构内的声管腔体，所述声管腔体顶端固定连通有声管，所述声管顶端与所述微穿孔对应设置。

优选的，所述上面板、所述声管腔体、所述声管和所述空腔组成Helmholtz谐振腔。

优选的，所述格栅单元和所述格栅孔的高度为46mm-50mm。

优选的，位于外侧的若干所述格栅单元的外侧壁上设置有波纹型壁面，所述格栅孔的截面为圆形、四边形或八边形结构，所述空腔截面的平均外圆直径为14mm-16mm，所述格栅孔的截面内部平均直径为6mm-8mm。

优选的，所述声管腔体构型为圆柱型、波浪型或周期性阵列空腔。

优选的，所述声管腔体和所述声管的总高度为10mm-40mm。

优选的，所述上面板和所述下面板厚度均为0.9mm-1.1mm。

优选的，所述上面板、所述下面板、所述格栅单元和所述声管均采用结构钢、树脂或复合材料制备而成。

本发明公开了一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，具有以下技术效果：

1、本发明具有优异的低频宽带吸声性能，本发明在300Hz-1200Hz的一定范围内，吸声系数可以达到0.5以上，部分位置的吸声峰值可以达到0.9以上。

2、本发明具有良好的承载性能和轻量化性能，本发明的腔体和内插管结构由结构钢、树脂或复合材料等硬质材料制成，该结构具有良好的力学性能，是一种承载、轻量化的多功能结构。

3、本发明具有优异的抗爆吸能特性，本发明的格栅单元的壁面采用波纹型壁面，使得结构在纵向上具有比传统蜂窝结构更高的剪切强度，从而表现出高抗弯性。

4、本发明具有更多的可调结构参数和变量，本发明的夹层结构空腔部分的截面积大小、腔体高度、格栅单元波纹壁面的曲率大小、声管组件长度与直径均为可调结构参数，可以根据具体的使用场景及工况，对该结构进行合理的参数调整和选择。

5、本发明结构简单，易于制备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明声管腔体结构示意图，图(a)为圆柱型声管腔体，图(b)为周期性阵列空腔声管腔体，图(c)为波浪型声管腔体；

图3为本发明格栅单元剖视图，图(d)为波浪型波纹，图(e)为折线型波纹；

图4为本发明装置格栅孔顶面结构示意图，图(f)为圆形格栅孔，图(g)为八边形格栅孔，图(h)为四边形格栅孔；

图5为本发明不同形状格栅孔载荷-位移曲线；

图6为本发明低频段300Hz-1200Hz范围内的吸声系数变化曲线；

图7为本发明周期性阵列空腔结构示意图，图(i)为单空腔内插型扩缩管结构，图(j)为双空腔内插型扩缩管结构，图(k)为三空腔内插型扩缩管结构；

图8为本发明周期性阵列空腔结构和吸声系数示意图；

其中，1、上面板；2、下面板；3、微穿孔；4、格栅单元；5、格栅孔；6、声管腔体；7、声管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，包括上面板1和下面板2，上面板1位于下面板2上方，且上面板1和下面板2平行设置，上面板1和下面板2之间设置有夹层结构，夹层结构上开设有若干空腔，若干空腔内均设置有声管组件，上面板1上开设有若干微穿孔3，微穿孔3与空腔连通，若干微穿孔3与若干声管组件一一对应。

进一步优化方案，为了使装置具备抗暴吸能效果，夹层结构包括若干平行设置的格栅单元4，格栅单元4上下两端分别与上面板1和下面板2固定连接，若干格栅单元4阵列式分布，相邻两格栅单元4之间的间距相等，四个相邻的格栅单元4围成多边形结构，空腔位于多边形结构内，格栅单元4内设置有格栅孔5。

进一步优化方案，为了使装置具备吸声效果，声管组件包括开设在多边形结构内的声管腔体6，声管腔体6顶端固定连通有声管7，声管7顶端与微穿孔3对应设置。

进一步优化方案，为了提高装置的吸声效果，上面板1、声管腔体6、声管7和空腔组成Helmholtz谐振腔。

进一步优化方案，格栅单元4和格栅孔5的高度为46mm-50mm，格栅单元4和四周格栅孔5等高，高度根据实际应用情况对整体高度进行调节，不同高度格栅芯子对整体结构的吸声性能影响不大，但随着格栅芯子高度的增加，整体结构的重量也会随之增加，对结构轻量化性能产生影响。

进一步优化方案，为了保证结构具有良好的轻量化与承载性能的同时，提升结构的抗爆吸能特性，位于外侧的若干格栅单元4的外侧壁上设置有波纹型壁面，波纹型壁面为曲面型波纹或折线型波纹，格栅孔5的截面为圆形、四边形或八边形结构，截面的平均外圆直径为15mm，格栅孔5的截面内部平均直径为7mm。与传统的蜂窝结构相比，波纹蜂窝结构可以提高比能量吸收并降低初始峰值力。与相同质量的传统轻质结构相比，设计的波纹结构在作为冲击保护结构的能量吸收方面有更高的优越性。波纹壁面可以衍生为折线型壁面，其二者均可以提升整体结构能量吸收性能。格栅孔5的主要作用是提高结构冲击吸能，本申请中涉及的不同形状的等面积大小格栅孔5，不同形状孔对格栅结构的影响不大，参考图6。

进一步优化方案，为了改善Helmholtz谐振腔结构的声阻抗特性，声管腔体6构型为圆柱型、波浪型或周期性阵列空腔，周期性阵列空腔的空腔部分的平均外圆直径为2mm-10mm，其余部分声管7圆管的平均直径为2mm-6mm，决定了管内通过的空气柱的直径，通过调节内插型扩缩管的空腔部分和其它管的直径可以改变结构的亥姆霍兹共振特性，从而调节结构的吸声性能。内插型扩缩管的长度为20mm-40mm，扩缩管的长度决定了管内空气柱的高度，控制着结构的共振吸声特性。

参考图7-8，图(i)为单空腔扩缩管的内插型亥姆霍兹空腔谐振吸声结构，在129Hz-168Hz的吸声系数大于0.5，并在147Hz处达到完美吸声，吸声系数峰值为0.99，实现了对低频段声波的完美吸收。多边形腔体外圆直径30mm，腔体高度50mm，内插管总长度40mm，内插管上圆形截面空腔直径7mm，空腔长度36mm，内插管除空腔部分外长度均为2mm，内插管除空腔部分外直径均为3mm，壁厚均为0.5mm。

图(j)为双空腔扩缩管的内插型亥姆霍兹空腔谐振吸声结构，在124Hz-161Hz的吸声系数大于0.5，并在141Hz处达到完美吸声，吸声系数峰值为0.99，实现了对低频段声波的完美吸收。多边形腔体外圆直径30mm，腔体高度50mm，内插管总长度40mm，内插管上矩形截面空腔外圆直径7mm，圆形截面空腔直径7mm，空腔长度均为16.25mm，内插管除空腔部分外长度为3mm、3mm和4mm，内插管除空腔部分外直径均为3mm，壁厚均为0.5mm。

图(k)为三空腔扩缩管的内插型亥姆霍兹空腔谐振吸声结构，在102Hz-134Hz的吸声系数大于0.5，并在117Hz处达到吸声系数峰值，为0.9。多边形腔体外圆直径30mm，腔体高度50mm，内插管长度40mm，内插管上圆形截面空腔直径7mm，正三角形截面空腔内切圆直径7mm，矩形截面空腔外圆直径7mm，空腔长度均为11mm，内插管除空腔部分外长度均为3mm，内插管除空腔外直径均为3mm，壁厚均为0.5mm。

在低频时的亥姆霍兹谐振现象可以在一定频率范围内实现完美吸声。通过在内插管上设置大小、长度和位置不同的空腔，可以改善结构的声阻抗特性，形成类似***的亥姆霍兹谐振结构，使本发明在低频段内实现完美吸声。从吸声系数曲线可以看出该结构可以在一定的低频率范围内实现优异的低频吸声性能，并且通过不同的结构参数的设计可以实现对声学性能的调节。

声管腔体6的构型为Helmholtz谐振腔结构提供了额外的声容和声阻，从而提高了结构的低频吸声性能，拓宽了结构的吸声宽带。

进一步优化方案，声管腔体6和声管7的总高度为10mm-40mm。

进一步优化方案，上面板1和下面板2厚度均为1mm。

进一步优化方案，为了进一步保证结构具有良好的轻量化与承载性能的同时，提升结构的抗爆吸能特性，上面板1、下面板2、格栅单元4和声管7均采用结构钢、树脂或复合材料制备而成。

本发明提供一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，夹层结构包括格栅单元4和格栅孔5，四个相邻的格栅单元4组成八边形结构，格栅单元4上开设有格栅孔5，格栅单元4组成的八边形结构的截面的平均外圆直径为15mm，格栅孔5的截面平均外圆直径为7mm；夹层结构的整体高度为48mm；上面板1和下面板2厚度均为1mm；格栅单元4壁厚为0.5mm，格栅孔5到格栅单元4的壁厚为0.5mm，声管腔体6采用不同构型，声管腔体6和声管7的总长度为40mm，声管7顶端与上面板1上的微穿孔3同轴连通设置，内部孔径大小与微穿孔3的孔径大小相同，在保证良好低频吸声性能的同时，拓宽吸声频带，同时格栅单元4壁面采用波纹型壁面，格栅孔5采用不同形状的开孔，在保证结构轻量化与优异承载性能的同时，提升了结构对于外部冲击能量的吸收。

如图5所示，入射声波频率为450Hz-563Hz时，结构的吸声系数均超过0.5，入射声波频率为564Hz-665Hz时，结构的吸声系数均超过0.7，入射声波频率为666Hz-911Hz时，结构的吸声系数均超过0.8，入射声波频率为912Hz-1190Hz时，结构的吸声系数均超过0.9。在300Hz-1200Hz内，结构的平均吸声系数达到0.72。本发明在整体高度为50mm的情况下，结构在较宽的频带内具有优异的吸声性能。

本发明提供一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，对于硬质材料的应用保证了结构具有良好的承载性能，腔体结构在实现良好的低频吸声性能的前提下，减轻了结构的重量，保证了结构承载性能，解决了传统吸声结构普遍存在的带宽窄、低频吸声性能不佳、尺寸大、轻量化性能不佳的问题，以及常规格栅结构的能量吸收特性具有局限性的问题。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，其特征在于，包括上面板(1)和下面板(2)，所述上面板(1)位于所述下面板(2)上方，且所述上面板(1)和所述下面板(2)平行设置，所述上面板(1)和所述下面板(2)之间设置有夹层结构，所述夹层结构上开设有若干空腔，若干所述空腔内均设置有声管组件，所述上面板(1)上开设有若干微穿孔(3)，所述微穿孔(3)与所述空腔连通，若干所述微穿孔(3)与若干所述声管组件一一对应。

2.根据权利要求1所述的一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，其特征在于：所述夹层结构包括若干平行设置的格栅单元(4)，所述格栅单元(4)上下两端分别与所述上面板(1)和所述下面板(2)固定连接，若干所述格栅单元(4)阵列式分布，相邻两所述格栅单元(4)之间的间距相等，四个相邻的所述格栅单元(4)围成多边形结构，所述空腔位于所述多边形结构内，所述格栅单元(4)内设置有格栅孔(5)。

3.根据权利要求2所述的一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，其特征在于：所述声管组件包括开设在所述多边形结构内的声管腔体(6)，所述声管腔体(6)顶端固定连通有声管(7)，所述声管(7)顶端与所述微穿孔(3)对应设置。

4.根据权利要求3所述的一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，其特征在于：所述上面板(1)、所述声管腔体(6)、所述声管(7)和所述空腔组成Helmholtz谐振腔。

5.根据权利要求2所述的一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，其特征在于：所述格栅单元(4)和所述格栅孔(5)的高度为46mm-50mm。

6.根据权利要求2所述的一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，其特征在于：位于外侧的若干所述格栅单元(4)的外侧壁上设置有波纹型壁面，所述格栅孔(5)的截面为圆形、四边形或八边形结构，所述空腔截面的平均外圆直径为14mm-16mm，所述格栅孔(5)的截面内部平均直径为6mm-8mm。

7.根据权利要求3所述的一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，其特征在于：所述声管腔体(6)构型为圆柱型、波浪型或周期性阵列空腔。

8.根据权利要求3所述的一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，其特征在于：所述声管腔体(6)和所述声管(7)的总高度为10mm-40mm。

9.根据权利要求1所述的一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，其特征在于：所述上面板(1)和所述下面板(2)厚度均为0.9mm-1.1mm。

10.根据权利要求3所述的一种宽带吸声与抗爆吸能多功能夹层结构，其特征在于：所述上面板(1)、所述下面板(2)、所述格栅单元(4)和所述声管(7)均采用结构钢、树脂或复合材料制备而成。

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