本發(fā)明屬于吸聲降噪，具體為一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，大量的環(huán)境污染也隨之而來(lái)。噪聲逐漸成為危害人體健康的污染源之一。傳統(tǒng)的吸聲方式包括多孔材料吸聲和共振式吸聲，雖然可以在一定程度緩解噪聲問(wèn)題，但仍存在局限性。多孔吸聲材料一般是指含有空腔、通道或孔隙的固體，聲波在其中傳播時(shí)，與材料基體產(chǎn)生摩擦，從而實(shí)現(xiàn)聲能耗散的目的。多孔吸聲材料雖然在高頻噪聲的情況下吸聲效果表現(xiàn)優(yōu)異，卻難以吸收低頻聲波，工業(yè)制造過(guò)程中所遇到的噪聲具有隨機(jī)性強(qiáng)、寬頻的特點(diǎn)，多孔吸聲材料無(wú)法滿足這一要求；共振式吸聲結(jié)構(gòu)利用共振特性消耗能量，當(dāng)聲波與結(jié)構(gòu)的固有頻率相同時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生共振，從而吸收聲能。這種吸聲方式雖然在特定頻率上吸聲效果顯著，但其吸聲頻帶較窄，限制了其廣泛應(yīng)用。

2、穿孔板作為一種共振吸聲結(jié)構(gòu)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)保、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)被學(xué)者廣泛研究，穿孔板的缺點(diǎn)則是吸聲頻帶較窄,也是長(zhǎng)期以來(lái)它在吸聲領(lǐng)域不可替代多孔材料的原因。因此，有必要設(shè)計(jì)一種具有寬頻帶吸聲能力的吸聲結(jié)構(gòu)。

3、公開(kāi)號(hào)為cn115731912a提供的一種微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，基于折疊腔和入射腔構(gòu)成的折疊空腔和微穿孔板耦合共振吸聲原理，采用了亞波長(zhǎng)吸聲結(jié)構(gòu)，入射聲波正方向垂直通過(guò)微穿孔板進(jìn)入折疊空腔，由于低頻聲波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)超通道橫截面尺寸，聲波在折疊通道內(nèi)自由傳播，并與穿孔板共同作用產(chǎn)生耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)吸聲。但是由于共振特性的限制，其峰值帶寬較窄，無(wú)法滿足寬帶吸聲的要求，且隨著吸聲頻帶加寬，結(jié)構(gòu)的整體厚度也加厚，無(wú)法達(dá)到節(jié)省空間的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，該吸聲結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的吸聲效果。該3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法通過(guò)實(shí)心試件測(cè)量與仿真的方法相結(jié)合，可以預(yù)先得到目標(biāo)外尺寸的最佳吸聲性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合3d打印技術(shù)，即可得到目標(biāo)外尺寸的最佳吸聲系數(shù)的3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2、本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)方案是：設(shè)計(jì)一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，其特征在于，其外部形狀為圓柱體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體包括頂部穿孔板(100)、內(nèi)部穿孔板(200)、側(cè)壁(4)及底板(5)，頂部穿孔板(100)與底板(5)平行，頂部穿孔板(100)、側(cè)壁(4)、底板(5)從上到下銜接在一起，形成圓柱體；在頂部穿孔板(100)與底板(5)之間的空腔(300)內(nèi)至少設(shè)置有一個(gè)與頂部穿孔板(100)平行的內(nèi)部穿孔板(200)；

3、空腔(300)的靠近頂部穿孔板(100)一側(cè)的腔體為入射空腔(310)，其余部分腔體為內(nèi)部空腔(320)，入射空腔(310)與內(nèi)部空腔(320)的橫截面面積相同；

4、頂部穿孔板(100)上的通孔(110)與內(nèi)部穿孔板(200)上的通孔(210)的尺寸與數(shù)量均相同且位置沿上述圓柱體的軸向正對(duì)。

5、進(jìn)一步的，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述設(shè)計(jì)方法適用于如上所述的3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，所述設(shè)計(jì)方法包括下述步驟：

6、s1:利用粉末3d打印機(jī)制造目標(biāo)外尺寸的實(shí)心圓柱體水泥基試件，然后對(duì)得到的目標(biāo)外尺寸的實(shí)心圓柱體水泥基試件進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)量，得到其吸聲系數(shù)曲線；

7、s2:用jca模型描述s1中的實(shí)心圓柱體水泥基試件的聲學(xué)特性，吸聲系數(shù)α計(jì)算公式如下：

8、

9、式中：ρeq為動(dòng)態(tài)質(zhì)量密度，α∞為曲折因子，ρ0為空氣平衡態(tài)密度，j為虛數(shù)單位，且j2＝-1，ω為角頻率，∧為粘性特征長(zhǎng)度，∧'為熱特征長(zhǎng)度，σ為流阻率，γ為空氣比熱比，pr為普朗克系數(shù)，p0為空氣壓力，c0為空氣中的聲速，為多孔材料的孔隙率，η為空氣動(dòng)力粘度；其中，ρ0、γ、pr、p0、c0、η為已知量；

10、s3:通過(guò)壓汞法測(cè)試得到s1中的實(shí)心圓柱體水泥基試件孔隙率然后將s1中吸聲系數(shù)曲線的聲波頻率范圍按固定間隔從0hz開(kāi)始選擇離散頻率點(diǎn)，將頻率點(diǎn)fi對(duì)應(yīng)的吸聲系數(shù)定義為amea(fi)，即測(cè)量得到的吸聲系數(shù)值；將在頻率點(diǎn)fi由jca模型計(jì)算得到的吸聲系數(shù)定義為即仿真得到的吸聲系數(shù)值，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為：

11、

12、式中，fi為聲波頻率值；為流阻率σ、曲折因子α∞、粘性特征長(zhǎng)度∧和熱特性長(zhǎng)度∧'的數(shù)組，即目標(biāo)參數(shù)數(shù)組；為目標(biāo)函數(shù)，amea(fi)為實(shí)際測(cè)量得到的吸聲系數(shù)值，為仿真計(jì)算得到的吸聲系數(shù)值；n為選擇的離散頻率點(diǎn)的數(shù)量；

13、將孔隙率的值、頻率點(diǎn)fi代入jca模型中，利用nelder-mead方法，通過(guò)迭代搜索來(lái)尋找目標(biāo)函數(shù)的最小值對(duì)應(yīng)的目標(biāo)參數(shù)數(shù)組的取值，即最優(yōu)的目標(biāo)參數(shù)數(shù)組的取值；

14、s4:根據(jù)s1中的實(shí)心圓柱體水泥基試件的目標(biāo)外尺寸、s3中得到的孔隙率以及最優(yōu)的目標(biāo)參數(shù)數(shù)組的取值，并結(jié)合s2中的已知量，根據(jù)如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，設(shè)定側(cè)壁(4)的厚度、底板(5)的厚度，在comsol中進(jìn)行幾何建模，對(duì)具有目標(biāo)外尺寸下的不同內(nèi)部細(xì)節(jié)尺寸的3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能進(jìn)行仿真模擬，以獲得最佳吸聲性能的仿真多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的內(nèi)部細(xì)節(jié)尺寸數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的最佳頻率范圍；所述內(nèi)部細(xì)節(jié)尺寸包括頂部穿孔板(100)的穿孔率、頂部穿孔板(100)上的通孔的直徑、頂部穿孔板(100)的厚度、內(nèi)部穿孔板(210)的厚度及個(gè)數(shù)、入射空腔厚度；

15、s5:根據(jù)s1中的實(shí)心圓柱體水泥基試件的目標(biāo)外尺寸，結(jié)合s4中得到的最佳吸聲性能的仿真多層穿孔板結(jié)構(gòu)的內(nèi)部細(xì)節(jié)尺寸數(shù)據(jù)，及設(shè)定的側(cè)壁(4)的厚度、底板(5)的厚度，建立3d模型，利用粉末3d打印機(jī)進(jìn)行制造，得到所述的3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，首先水泥基材料內(nèi)部存在大量的孔隙結(jié)構(gòu)，是一種具有聲能吸收能力的多孔材料；其次，頂部穿孔板的存在使得聲波進(jìn)入3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生共振，實(shí)現(xiàn)聲波耗散；內(nèi)部穿孔板上的通孔與進(jìn)入3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)聲波產(chǎn)生摩擦耗能，消散聲波；除此之外，3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得聲波在傳播過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)多次反射和干涉。入射空腔、內(nèi)部穿孔板可以對(duì)聲波進(jìn)行一定程度的吸收和反射，而內(nèi)部空腔則起到調(diào)節(jié)聲波傳播路徑和增強(qiáng)吸聲效果的作用，這種多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)在寬頻帶范圍內(nèi)可以表現(xiàn)出良好的吸聲性能。并且，本發(fā)明3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法通過(guò)實(shí)心試件測(cè)量與仿真的方法相結(jié)合，可以預(yù)先得到目標(biāo)外尺寸的最佳吸聲性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合3d打印技術(shù)，即可得到目標(biāo)外尺寸的最佳吸聲系數(shù)的3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)特征：

1.一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，其特征在于，其外部形狀為圓柱體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體包括頂部穿孔板(100)、內(nèi)部穿孔板(200)、側(cè)壁(4)及底板(5)，頂部穿孔板(100)與底板(5)平行，頂部穿孔板(100)、側(cè)壁(4)、底板(5)從上到下銜接在一起，形成圓柱體；在頂部穿孔板(100)與底板(5)之間的空腔(300)內(nèi)至少設(shè)置有一個(gè)與頂部穿孔板(100)平行的內(nèi)部穿孔板(200)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，其特征在于，該3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)為一體式構(gòu)造，采用3d打印技術(shù)制造，所用打印材料為水泥基多孔吸聲材料。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，其特征在于，該3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)為直徑為30mm、厚度為35mm的圓柱體。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，其特征在于，頂部穿孔板(100)上的通孔(110)的直徑為3mm。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，其特征在于，側(cè)壁(4)的厚度為1.5mm，底板(5)的厚度為5mm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述頂部穿孔板(100)的穿孔率為6％、9％、12％或16％。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述頂部穿孔板(100)厚度為3mm～12mm，內(nèi)部穿孔板(200)厚度為3mm～12mm。

8.一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述設(shè)計(jì)方法適用于如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，所述設(shè)計(jì)方法包括下述步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，s3中，固定間隔為100hz。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種3d打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，s3中，n為50。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)一種3D打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，該3D打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)利用水泥基材料內(nèi)部存在大量的孔隙結(jié)構(gòu)，結(jié)合頂部穿孔板的設(shè)計(jì)，使得聲波進(jìn)入3D打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生共振、摩擦、反射和干涉，而內(nèi)部空腔則起到調(diào)節(jié)聲波傳播路徑和增強(qiáng)吸聲效果的作用，這種多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得3D打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)在寬頻帶范圍內(nèi)可以表現(xiàn)出良好的吸聲性能。并且，本發(fā)明3D打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法通過(guò)實(shí)心試件測(cè)量與仿真的方法相結(jié)合，可以預(yù)先得到目標(biāo)外尺寸的最佳吸聲性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合3D打印技術(shù)，即可得到目標(biāo)外尺寸的最佳吸聲系數(shù)的3D打印水泥基多層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。

技術(shù)研發(fā)人員：李之建,華雪珂,馬國(guó)偉,王里
受保護(hù)的技術(shù)使用者：河北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15