(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221086975 6.4 (22)申请日 2022.07.22 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 吴九汇　李敏　 (74)专利代理 机构 北京高沃 律师事务所 1 1569 专利代理师 王富强 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 113/10(2020.01) G06F 119/10(2020.01) (54)发明名称 气动降噪单元、 气动降噪超表 面及气动降噪 单元设计方法 (57)摘要 本发明提供一种气动降噪单元， 包括多个吸 声元胞， 多个吸声元胞 沿一直线并列排布且各元 胞参数不同， 每个吸声元胞包括变截面通道和空 腔， 变截面通道的一端和空腔连通， 另 一端为声 波入口； 变截面通道包括多个串联的子通道， 各 子通道截面积沿远离空腔方向递增。 本发明还提 供一种气动降噪超表面， 包括多个如上所述的气 动降噪单元， 且由气动降噪单元周期性阵列形 成。 本发明还提供一种如上所述的气动降噪单元 设计方法， 本发明提供的方案可减少声质量， 有 利于宽带控制， 并减少宽带控制时耦合吸声元胞 数目， 入射流作用下， 较传统赫姆霍兹减振器 (HR)的流动敏 感性低， 流量增加对结构声阻抗及 其峰值频率增幅的影响更小， 有利于更低频气动 噪声的有效控制。 权利要求书1页 说明书7页 附图4页 CN 115146391 A 2022.10.04 CN 115146391 A 1.一种气动降噪单元， 其特征在于： 包括多个吸声元胞， 多个所述吸声元胞沿一直线并 列排布， 相 邻的两个所述吸声 元胞之间的间距相同， 所述吸声 元胞包括变截面通道和空腔， 所述变截面通道的一端和所述空腔连通， 另一端为声波入口； 所述变截面通道包括多个串 联的子通道， 同一个所述变截面通道中的多个所述子通道的截面积沿着 远离所述空腔的方 向逐渐增大； 多个所述吸声元 胞的结构参数不完全相同或均不相同。 2.根据权利要求1所述的气动降噪单元， 其特征在于： 各所述子通道均为圆柱形通道， 同一个所述变截面 通道中的多个所述子通道同轴。 3.根据权利要求1所述的气动降噪单元， 其特征在于： 所述空腔的截面为正方形、 矩形、 三角形或圆形。 4.根据权利要求1所述的气动降噪单元， 其特征在于： 各所述子通道的直径不小于 0.5mm， 且不大于所述空腔边长 。 5.根据权利要求1所述的气动降噪单元， 其特征在于： 各所述空腔的截面形状大小相 同。 6.根据权利要求1所述的气动降噪单元， 其特征在于： 所述吸声元胞采用3D打印技术制 造。 7.一种气动降噪超表面， 其特征在于： 包括多个权利要求1～6任意一项所述的气动降 噪单元， 多个所述气动降噪单 元周期性阵列形成所述气动降噪超表面。 8.一种权利要求1～6任意 一项所述的气动降噪单 元的设计方法， 其特 征在于： 包括： 步骤一、 建立 流声耦合仿真模型准确预测气动噪声源的分布特性； 步骤二、 根据气动噪声源的分布特性得到噪声能量的分布范围， 根据噪声能量的分布 范围， 确定适应于该气动噪声源的气动降噪单 元由多少个吸声元 胞组成最优； 步骤三、 设计不同频 段对应的各吸声元 胞的结构参数使其 流动敏感性尽可能的低； 步骤四、 利用多个吸声元胞并联而成的气动降噪单元经周期性阵列构建气动降噪超表 面， 并对气动降噪超表面的气动降噪效果进行测试。 9.根据权利要求8所述的气动降噪单元的设计方法， 其特征在于： 在所述步骤三中， 通 过对各吸声元胞均进 行多种不同结构参数的仿 真， 然后分析吸声 元胞结构参数与吸声 元胞 流动敏感性之 间的关系， 设计吸声元胞的结构参数以实现各不同频段对应吸声元胞结构的 流动敏感性最小或接近于零， 即流量增加时结构界面处声阻抗及其峰值频率的增幅最小或 趋近于零。 10.根据权利要求8所述的气动降噪单元的设计方法， 其特征在于： 所述步骤二和步骤 三具体包括： 首先， 在无流动激扰时， 理论推导吸声元胞结构的面平均声阻抗计算公式， 理 论和仿真分析该吸声 元胞结构的声学特性并与相同条件下的传统的赫姆霍兹减振器对比， 详细分析变截面通道 参数、 空腔参数和相 邻吸声元胞之间的间距对该吸声 元胞结构带宽特 性的影响； 其次， 在 入射流作用下， 分析吸声元胞参数和流动速度变化对吸声 元胞结构的流 动敏感性的影响 并与传统的赫姆霍兹减振器对比； 然后， 考虑噪声源的能量分布范围， 结合 结构参数和流量对吸声元胞的带宽特性及峰值频率的影响， 就可确定宽带控制所需的吸声 元胞数目； 最后， 在确定吸声 元胞的数目后， 依据流量和结构参数对吸声 元胞流动敏感性的 影响， 设计吸声 元胞的结构参数以实现各不同频段对应吸声 元胞结构的流动敏感性最小或 接近于零， 即流 量增加时结构界面处声阻抗及其峰值频率的增幅最小或趋 近于零。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115146391 A 2气动降噪单元、 气动降噪超表面及气动降噪单元设计方 法 技术领域 [0001]本发明涉及气动降噪技术领域， 特别是涉及一种气动降噪单元、 气动降噪超表面 及气动降噪单 元设计方法。 背景技术 [0002]速度的不断提高使得空气与蒙皮表面间的相互作用越来越突出， 湍流边界层压力 波动引起的流激气动噪声控制问题在车辆动力学、 飞机座舱噪声、 流激振动等诸多工程应 用中具有重要意义。 近年来， 声 学超材料的迅速发展为低频噪声控制提供了新途径。 赫姆霍 兹减振器作为一种经典的吸声降噪结构， 其在噪声控制方面的广泛应用激发了对其声 学特 性的大量研究， 例如无流体流动的自由诱导下， 通常设计界面处减振器与介质的阻抗匹配 实现完美声吸收， 并采用多个失谐谐振器以及谐振器与微穿孔板结合实现连续宽带控制 。 然而， 在平均流量、 自持振荡和高速压力波动等实际情况中， 流激共振变得越来越显著。 脖 子界面剪切层形成的不稳定涡流是引起流激共振的主要原因， 而界面剪切层涡 流的大小及 其发展主要受减振器和流动特性的影响。 流激共振的控制通常采用主动和被动控制两种方 式， 主动控制主要 是通过涡 流发生器、 扬声器以及质量注入槽等抑制剪切层的不稳定性。 但 这种方式往往需要引入外部能源， 加之控制装置比较复杂， 因此其应用程度比较受限。 而被 动控制主要是通过改变 自身结构从而调节剪切层的固有属 性。 大量数据显示， 通过改变赫 姆霍兹减振器脖子的形状、 尺寸和结构均可以显著抑制界面处的压力波动并降低流声耦合 系统的不稳定性， 从而控制流激共振。 同时大量研究也表明， 减振器的声衰减随着流量的增 加而成比减小， 具体表现为声阻抗及其峰值频率的增加， 以及传输损耗的减少。 若将流体流 量增加引起声衰减的削弱使得声阻抗及其峰值频率的增幅显著增加定义为高流量敏感型 减振器， 反之将流体流量增加导致声阻抗及其峰值频率的增幅非常小或几乎为零称之为低 流量敏感型减振器。 换句话说， 随着流量不断增加， 流动对赫姆霍兹谐振器声衰减的削弱越 来越强， 采用阻抗匹配法实现流动噪声源的声吸收显然是不可行 的。 壁边界条件定义声阻 抗为边界处声压与声速的比值， 当边界处声阻抗为零时， 声压也将为零， 此时流场的压力脉 动将不再激发声压扰动。 然而， 流量的不断增加使得流动对减振器声衰减的影响越大， 阻抗 及其峰值频率的增幅也 随之越大， 可见， 减振器的高流动敏感性与流激气动噪声的控制是 相矛盾的。 赫姆霍兹减振器的敏感性越高， 流动对其声衰减的削弱作用越强， 声压抑制作用 越弱， 气动降噪的效果也更差。 若要实现气动噪声的有效控制就要解决流量增加对减振器 声衰减影响的高敏感性问题。 本发明针对流动与 物体表面相互作用引起的中低频流激气动 噪声源的宽带控制与传统赫姆霍兹减振器声衰减受流动影响的高敏感性及其窄带宽效率 之间的矛盾， 提出一种气动降噪单 元、 气动降噪超表面及气动降噪单 元设计方法。 发明内容 [0003]本发明的目的是提供一种气动降噪单元、 气动降噪超表面及气动降噪单元设计方 法， 以解决上述现有技术存在的问题， 可减少声质量使 可降噪的频带宽度显著增加， 有利于说　明　书 1/7 页 3 CN 115146391 A 3