[发明专利]一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料及设计方法

说明书

本发明公开一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料及设计方法，该空间梯度超构材料的基础结构为空间梯度超构单元，多个空间梯度超构单元以正切分布相对折射率对应的几何参数两两对称排列构成一个空间梯度超构组合，多个空间梯度超构组合根据目标管道径向形状尺寸排列构成空间梯度超构材料，该空间梯度超构材料置于目标管道外部用于目标管道内声波控制；本发明开公开了空间梯度超构材料的设计方法；该本发明空间梯度超构材料，主要可控制较高频率的噪声，能够对管道中目标频率附近声波在特定方向产生聚焦并减小振幅，而且具有结构简单设计实用的特点。

技术领域

本发明涉及一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料及设计方法，属于管道噪声控制技术领域。

背景技术

发动机管路系统是发动机系统的重要部件，管路系统所产生的高频噪声振动问题严重影响机械构件的安全性能，减振降噪是管路系统安全可靠性设计的关键。管道噪声是也环境噪声的重要组成部分，管道噪声通过管壁向周围空间辐射，严重干扰人们的工作生活甚至损伤附近工人的听力。

随着声子晶体和声学超构材料的发展，声学超构材料可以通过其亚波长局域共振单元可在特定频率范围内产生负质量密度、负弹性模量，即零或负有效声波折射率，展现出许多有趣的现象例如低频带隙、负折射、隐身、超透镜等。声学超构材料也将广泛应用于噪声处理中。

声波波前调制可通过声学结构器件改变声波的相位、振幅、振动频率等声学特征，从而得到所需要的声波，声波波前调制可应用于噪声控制中，将特定频率范围内的不规则高频噪声转换为低频较规则的声波，从而达到对噪声的控制效果。随着科学技术的不断进步，声波波前调制在航空航天、土木建筑、海洋探测、医学等领域的应用也越来越多。

基于上述内容，本发明根据管道噪声的传播特征、结合声波波前调制超构材料，提出了一种管道噪声控制的空间梯度超构材料及设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料及设计方法，具体设计管道外层空间梯度超构材料，并给出具体的设计方法，所设计的空间梯度超构材料，主要可控制较高频率的噪声，能够对管道中目标频率附近声波在特定方向产生聚焦并减小振幅，而且具有结构简单设计实用的特点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料，所述超构材料的基础结构为空间梯度超构单元1，多个空间梯度超构单元1以正切分布相对折射率对应的几何参数两两对称排列构成一个空间梯度超构组合2，多个空间梯度超构组合2根据目标管道径向形状尺寸排列构成空间梯度超构材料，该空间梯度超构材料置于目标管道外部用于目标管道内声波控制；每个所述空间梯度超构单元1包括一对沿法向固定于目标管道外壁面的栅栏1.1，以及固定在栅栏1.1上的多个管道周向隔板1.2所组成，且相邻的两个空间梯度超构单元共用邻边的栅栏1.1；空间梯度超构单元1的级数即管道周向隔板1.2的总数，空间梯度超构材料的阶数为包含空间梯度超构组合2的个数；每对栅栏1.1之间被多个管道周向隔板1.2构成的交指型结构分隔成曲折的声波传输通道。

空间梯度超构单元1通过曲折的声波传输通道延长声波传播路径，控制输出声波的相位；以目标频率声波波长λ为参考尺度，产生带隙效应完全控制入射声波；根据目标管道径向形状尺寸将若干组空间梯度超构组合2按照顺序沿目标管道外部周向排列，组成与控制管道外部形状大小相一致的空间梯度超构材料，在此过程中保证空间梯度超构单元1的通道宽度不变，单元壁厚可根据管道形状略微调整，以保证每个空间梯度超构单元1的声波折射率误差较小，能够对管道内噪声进行有效控制。

上述所述一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料设计方法，包括以下步骤：由于构成空间梯度超构材料的空间梯度超构单元1数量多，管面曲率产生的误差小，为方便计以直线型空间梯度超构单元及组合进行设计过程；