(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 202210874467.3 (22)申请日 2022.07.25 (66)本国优先权数据 202210871831.0 202 2.07.24 CN (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　袁小阳　 (74)专利代理 机构 青岛华慧泽专利代理事务所 (普通合伙) 37247 专利代理师 马千会 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/10(2020.01) (54)发明名称 低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表 面及其设计方法 (57)摘要 本发明属于振动与噪声控制技术领域， 具体 涉及低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表 面及其设计方法。 低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气 动降噪超表 面， 由多个吸声元胞并联构成的基本 单元经周 期性阵列形成， 吸声元胞包括空腔、 与 空腔连接的莲蓬头颈部； 莲蓬头颈部由多层圆柱 孔和薄腔构成， 每层孔的数目及其等效截面积自 下而上逐渐递增； 不同层的孔与孔之间通过薄腔 连接， 最下层孔连接空腔上端开口， 薄腔与空腔 截面参数相同。 本发明将传统赫姆霍兹减振器的 单一颈改进为莲蓬头多层孔结构， 通过增大上层 孔的数目和直径实现更大宽带控制， 同时减小下 层孔的数目和直径， 或增大其长度实现更低频控 制。 并通过基本单元周期性阵列形成低频宽带气 动降噪超表面结构。 权利要求书1页 说明书6页 附图4页 CN 115391910 A 2022.11.25 CN 115391910 A 1.低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面， 由多个吸声元胞并联构成的基本单元 经过周期性阵列形成， 其特征在于： 所述吸声元胞包括空腔、 与所述空腔连接的莲蓬头颈 部； 所述的莲蓬头颈部由多层圆柱孔构成， 每层孔的数目及其等效截面积自下而上逐渐递 增； 不同层的孔与孔之间通过薄腔连接， 最下层的孔连接空腔上端开口。 2.根据权利要求1所述的低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面， 其特征在于： 所 述圆柱孔的层数不少于两层， 每一层圆柱孔的直径不小于0.5  mm， 且不大于空腔的最小边 长。 3.根据权利要求1所述的低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面， 其特征在于： 所 述空腔和薄腔的截面保持一 致， 截面的形状选自正方 形、 矩形、 圆形或三角形。 4.根据权利要求1所述的低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面， 其特征在于： 在 一个基本单元中， 不同吸声元 胞的同一层圆柱孔的数目可相同或者 不相同。 5.根据权利要求4所述的低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面， 其特征在于： 在 一个基本单元中， 不同吸声元胞 的最上一层圆柱孔的数目可相同或者不相同， 且其等效截 面积尽可能最大。 6.如权利要求1 ‑5任一项所述的低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪超表面的设计方 法， 其特征在于， 包括： （1） 对气动噪声源能量分布进行仿真预测， 确定噪声控制的频谱特性范围和噪声能量 幅值； （2） 通过理论计算并仿真分析无流动激扰时单个吸声元胞的宽带特性并与HR比较， 分 析影响结构带宽特性的因素， 吸声元胞的结构参数包括： 每一层圆柱孔的数目、 孔的直径、 孔的长度、 空腔的长和宽、 空腔和薄腔的深度， 根据噪声源的分布范围和能量幅值结合结构 的带宽特性和低频特性确定实现宽带控制所需的基本单元的吸声元胞数目和每个吸声元 胞控制的峰值频率； （3） 通过流场和声场耦合仿真分析结构参数和流量对单个吸声元胞的声学特性的影 响， 设计并确定吸声元胞 的结构参数， 使其满足流量增加时结构声阻抗及其峰值频率的增 幅尽可能小， 以实现速度更高时更低频气动噪声的有效控制；  （4） 将所需数目的吸声元胞并联耦合， 构成一个气动降噪的基本单元， 再将该基本单 元经过周期性阵列得到多元 胞耦合的低频宽带莲蓬头 颈赫姆霍兹气动降噪超表面结构。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115391910 A 2低频宽带莲蓬 头颈赫姆霍兹气动降噪超表面及其设计方 法 技术领域 [0001]本发明属于振动与噪声控制技术领域， 具体涉及低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动 降噪超表面及其设计方法。 背景技术 [0002]高速运动的物体与空气相互作用， 在不规则表面发生分流现象， 形成复杂的涡流， 产生较大的脉动压力进而产生气动噪声。 湍流边界层中壁压波动引起的气动声学问题在车 辆动力学、 飞机机舱噪声及流激振动等许多工程应用中具有重要意义。 控制运动物体周围 的流场和物体表面的脉动压力是研究气动噪声的基础。 低频和宽带控制是振动与噪声控制 中的重要课题， 赫姆霍兹减振器作为吸声降噪结构的典型代表， 研究者们展开了对其声学 特性的广泛研究， 包括其优良的低频控制能力， 以及通过多个失谐单元或者与微穿孔板结 合实现宽带控制等。 然而结构的共振 峰频率和带宽均与声质量成反比， 赫姆霍兹减振器的 低频控制和多孔结构的宽带控制始终是相矛盾的， 采用多孔设计使得声质量减小， 带宽变 宽的同时必 然引起共振峰向更高频移动， 而为 实现更低频控制， 则只能增大结构尺寸。 为消 除同一结构实现宽带控制与低频控制之 间的这种矛盾， 设计一种可同时满足低频和宽带控 制的新型超薄赫姆霍兹减 振器结构显得 尤为重要。 [0003]具有优异低频性能的声学超材料近年来发展迅速， 与 刚性壁面相反， 通常设计界 面处声阻抗与背景介质阻抗匹配以最大限度地吸收声能。 然而， 当存在平均流动、 自持振荡 和高速压力波动等 实际应用中， 入射声波会在结构界面剪切层处形成不稳定的涡 流。 此时， 界面处的声阻抗不仅取决于壁面材料的特性， 更多地受到界面平均流动特性和流动扰动参 数的影响。 以往研究表明， 赫姆霍兹减振器的声阻抗和基本谐振频率 随流量的增加而成比 增大， 此时结构的壁声阻抗无法再满足与介质阻抗相匹配的完美吸声 条件同时也不利于低 频控制。 根据边界阻抗定义可知， 声阻抗接近于零的边界处声压也接近于零， 此时流场中的 压力扰动对声压脉动的激发可从根本上得到抑制。 有效控制流激气动噪声则需要抑制由于 流量增加而引起的界面处阻抗值及其峰值频率的增加， 从而实现速度更高时更低频声压的 有效抑制 。 而流量增加时界面声阻抗显著增大 的直接原因是界面处平均声速的减小， 而峰 值频率的增加则是由于流量增加削弱了结构与外流场相互作用使得声质量减小造成的， 因 此， 如何改善结构与外流场之间的相互作用， 减小流量增加对结构界面处流体流动速度以 及声质量的影响是控制流激气动噪声需要解决的关键 问题。 大量数据表明， 通过改进赫姆 霍兹减振器的形状、 结构形式以及结构参数均可抑制流动的不稳定性并降低压力波动。 发明内容 [0004]基于现有技术中低频宽带流激气动噪声的控制， 以及赫姆霍兹减振器的低频与宽 带控制相矛盾的问题， 本发明提出一种超薄低频带宽莲蓬头颈赫姆霍兹型气动降噪超表面 结构及其设计方法。 [0005]本发明解决其技术问题采用的技术方案是： 低频宽带莲蓬头颈赫姆霍兹气动降噪说　明　书 1/6 页 3 CN 115391910 A 3