一种基于声学超材料的3d打印机噪声抑制结构
阅读说明：本技术 一种基于声学超材料的3d打印机噪声抑制结构 (3D printer noise suppression structure based on acoustics metamaterial ) 是由 杨天 杨天智 王晓宇 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：一种基于声学超材料的3D打印机噪声抑制结构,包括下底板、左挡板、后挡板、上框架及前、右、上降噪管组；上框架水平设在下底板正上方；左挡板竖直设在上框架的左边框与下底板之间；后挡板竖直设在上框架的后边框与下底板之间；前降噪管组竖直设在上框架的前边框与下底板之间；右降噪管组竖直设在上框架的右边框与下底板之间；上降噪管组水平设在上框架的前边框与后边框之间；后挡板的中部设有排尘风扇；所有降噪管结构相同且均采用同轴嵌套式双管结构,包括降噪内管和降噪外管,降噪内管和降噪外管的截面形状均为C形。本发明利用亥姆霍兹共振原理,仅通过结构自身几何特征即可实现对特定频段噪声的抑制,可实现降噪、冷却和排尘的功能结合。(A3D printer noise suppression structure based on an acoustic metamaterial comprises a lower bottom plate, a left baffle, a rear baffle, an upper frame, a front noise reduction pipe group, a right noise reduction pipe group and an upper noise reduction pipe group; the upper frame is horizontally arranged right above the lower bottom plate; the left baffle is vertically arranged between the left frame of the upper frame and the lower bottom plate; the rear baffle is vertically arranged between the rear frame of the upper frame and the lower bottom plate; the front noise reduction pipe group is vertically arranged between the front frame and the lower bottom plate of the upper frame; the right noise reduction pipe group is vertically arranged between the right frame and the lower bottom plate of the upper frame; the upper noise reduction pipe group is horizontally arranged between the front frame and the rear frame of the upper frame; the middle part of the rear baffle is provided with a dust exhaust fan; all the noise reduction pipe structures are the same and adopt coaxial nested double-pipe structures, including the noise reduction inner pipe and the noise reduction outer pipe, the cross-sectional shapes of the noise reduction inner pipe and the noise reduction outer pipe are both C-shaped. According to the invention, the Helmholtz resonance principle is utilized, the noise suppression of a specific frequency band can be realized only through the self geometric characteristics of the structure, and the combination of the functions of noise reduction, cooling and dust exhaust can be realized.)
技术领域
本发明属于降噪技术领域，特别是涉及一种基于声学超材料的3D打印机噪声抑制结构。
背景技术
目前，3D打印技术已经广泛应用于制造、医疗、建筑、航天等领域，但随着3D打印技术在实验室环境下的应用常态背景化，甚至日常生活家用化，暴露出的污染危害问题也愈发严重。
一方面，3D打印机在运行过程中会持续释放危害人类健康的有毒颗粒，这些存在于环境中的大量超细粒子(UFP)直径通常不超过100纳米，由于这些颗粒足够小，如果被人体吸入，会沉积在肺部或者直接被血液吸收，从而对健康构成危害。
另一方面，3D打印机会在运行过程中会持续产生低频弱噪声，这种持续的低频弱噪声往往是容易被忽视的污染，而持续的低频弱噪声会对人的神经系统、内分泌系统和心血管系统产生不良影响。
为此，3D打印机的粉尘和噪声污染问题开始被逐渐重视起来，但重视程度还远远不够，绝大多数的3D打印机仍在裸机状态下工作，因此对健康的危害仍在持续。
现有的降噪吸声结构在解决3D打印机噪声污染问题时，多利用噪声在材料中传播时的粘滞摩擦和热传导效应进行噪声的吸收，因此降噪效果比较差，而且现有的降噪吸声结构通常采用闭式腔体结构，这种闭式腔体设计很容易导致腔体内温度过热，因而只能通过强制对流进行通风冷却，但强制对流通风冷却系统的空间占用率较高，而且能耗也较高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于声学超材料的3D打印机噪声抑制结构，利用了亥姆霍兹共振原理，仅通过结构的自身几何特征即可实现对特定频段噪声的抑制，采用开式腔体设计，仅通过自然对流即可实现散热，同时实现了降噪、冷却和排尘的功能结合，并且还具有结构简单、安全可靠、节能环保的特点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于声学超材料的3D打印机噪声抑制结构，包括下底板、左挡板、后挡板、上框架、前降噪管组、右降噪管组及上降噪管组；所述下底板水平设置，所述上框架水平设置在下底板正上方；所述左挡板竖直设置在上框架的左边框与下底板之间；所述后挡板竖直设置在上框架的后边框与下底板之间；所述前降噪管组竖直设置在上框架的前边框与下底板之间；所述右降噪管组竖直设置在上框架的右边框与下底板之间；所述上降噪管组水平设置在上框架的前边框与后边框之间；在所述后挡板的中部设置有排尘风扇；所述前降噪管组、右降噪管组及上降噪管组内的降噪管结构相同，均采用同轴嵌套式双管结构，包括降噪内管和降噪外管，且降噪内管和降噪外管的截面形状均为C形。
在所述前降噪管组、右降噪管组及上降噪管组内，所述降噪内管的截面内半径记为r1，降噪内管的截面外半径记为r2，所述降噪外管的截面内半径记为R1，降噪外管的截面外半径记为R2，所述降噪内管和降噪外管的开口宽度相等且记为K，所述降噪内管和降噪外管的开口夹角为180°，且降噪外管的开口朝向3D打印机。
在所述前降噪管组、右降噪管组及上降噪管组内，降噪管的高度记为H，相邻降噪管之间的间距记为L，所述降噪外管的截面外半径记为R2，且L＝2R2；所述降噪管的高度H为50mm～500mm。
当噪声中心频率为1300Hz～1400Hz时，所述降噪内管的截面内半径r1为5mm，降噪内管的截面外半径r2为8.5mm～9.5mm，所述降噪外管的截面内半径R1为12mm～14mm，降噪外管的截面外半径R2为19mm，降噪内管和降噪外管的开口宽度K为4.5mm。
当噪声中心频率为1400Hz～1500Hz时，所述降噪内管的截面内半径r1为5mm，降噪内管的截面外半径r2为7.5mm～8.5mm，所述降噪外管的截面内半径R1为11mm～12mm，降噪外管的截面外半径R2为19mm，降噪内管和降噪外管的开口宽度K为5mm。
当噪声中心频率为1500Hz～1600Hz时，所述降噪内管的截面内半径r1为5mm，降噪内管的截面外半径r2为6.5mm～7.5mm，所述降噪外管的截面内半径R1为10mm～11mm，降噪外管的截面外半径R2为19mm，降噪内管和降噪外管的开口宽度K为5.5mm。
当噪声中心频率为1600Hz～1700Hz时，所述降噪内管的截面内半径r1为5mm，降噪内管的截面外半径r2为6mm～6.5mm，所述降噪外管的截面内半径R1为9mm～10mm，降噪外管的截面外半径R2为19mm，降噪内管和降噪外管的开口宽度K为6mm。
当所述降噪内管相对于降噪外管的回转角度可调时，通过调整降噪内管的回转角度，对降噪内管和降噪外管的开口夹角进行调节，以改变降噪管能够抑制的噪声中心频率。
当所述降噪内管的截面内半径r1为5mm、降噪内管的截面外半径r2为8.5mm、降噪外管的截面内半径R1为12mm、降噪外管的截面外半径R2为19mm、降噪内管和降噪外管的开口宽度K为4.5mm时，所述降噪内管和降噪外管的开口夹角在180°与0°之间变换，则降噪管能够抑制的噪声中心频率会在1386Hz与1616Hz之间变换。
所述下底板、左挡板及后挡板均采用亚克力板制作；所述上框架的材质为铝合金；所述降噪内管和降噪外管的材质均为树脂。
本发明的有益效果：
本发明的基于声学超材料的3D打印机噪声抑制结构，利用了亥姆霍兹共振原理，仅通过结构的自身几何特征即可实现对特定频段噪声的抑制，采用开式腔体设计，仅通过自然对流即可实现散热，同时实现了降噪、冷却和排尘的功能结合，并且还具有结构简单、安全可靠、节能环保的特点。
附图说明
图1为本发明的一种基于声学超材料的3D打印机噪声抑制结构的示意图；
图2为本发明的降噪管的截面示意图；
图3为噪声中心频率为1386Hz时降噪管(降噪内管和降噪外管的开口夹角为180°)的降噪效果图；
图4为噪声中心频率为1386Hz时前/右/上降噪管组(降噪内管和降噪外管的开口夹角为180°)的降噪效果图；
图5为噪声中心频率为1386Hz时前/右/上降噪管组(降噪内管和降噪外管的开口夹角为180°)的噪声抑制频谱图；
图6为噪声中心频率为1394Hz时前/右/上降噪管组(降噪内管和降噪外管的开口夹角为120°)的降噪效果图；
图7为噪声中心频率为1394Hz时前/右/上降噪管组(降噪内管和降噪外管的开口夹角为120°)的噪声抑制频谱图；
图8为噪声中心频率为1457Hz时前/右/上降噪管组(降噪内管和降噪外管的开口夹角为90°)的降噪效果图；
图9为噪声中心频率为1457Hz时前/右/上降噪管组(降噪内管和降噪外管的开口夹角为90°)的噪声抑制频谱图；
图10为噪声中心频率为1587Hz时前/右/上降噪管组(降噪内管和降噪外管的开口夹角为30°)的降噪效果图；
图11为噪声中心频率为1587Hz时前/右/上降噪管组(降噪内管和降噪外管的开口夹角为30°)的噪声抑制频谱图；
图中，1—下底板，2—左挡板，3—后挡板，4—上框架，5—前降噪管组，6—右降噪管组，7—上降噪管组，8—排尘风扇。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～11所示，一种基于声学超材料的3D打印机噪声抑制结构，包括下底板1、左挡板2、后挡板3、上框架4、前降噪管组5、右降噪管组6及上降噪管组7；所述下底板1水平设置，所述上框架4水平设置在下底板1正上方；所述左挡板2竖直设置在上框架4的左边框与下底板1之间；所述后挡板3竖直设置在上框架4的后边框与下底板1之间；所述前降噪管组5竖直设置在上框架4的前边框与下底板1之间；所述右降噪管组6竖直设置在上框架4的右边框与下底板1之间；所述上降噪管组7水平设置在上框架4的前边框与后边框之间；在所述后挡板3的中部设置有排尘风扇8；所述前降噪管组5、右降噪管组6及上降噪管组7内的降噪管结构相同，均采用同轴嵌套式双管结构，包括降噪内管和降噪外管，且降噪内管和降噪外管的截面形状均为C形。
在所述前降噪管组5、右降噪管组6及上降噪管组7内，所述降噪内管的截面内半径记为r1，降噪内管的截面外半径记为r2，所述降噪外管的截面内半径记为R1，降噪外管的截面外半径记为R2，所述降噪内管和降噪外管的开口宽度相等且记为K，所述降噪内管和降噪外管的开口夹角为180°，且降噪外管的开口朝向3D打印机。
在所述前降噪管组5、右降噪管组6及上降噪管组7内，降噪管的高度记为H，相邻降噪管之间的间距记为L，所述降噪外管的截面外半径记为R2，且L＝2R2；所述降噪管的高度H为50mm～500mm。
当噪声中心频率为1300Hz～1400Hz时，所述降噪内管的截面内半径r1为5mm，降噪内管的截面外半径r2为8.5mm～9.5mm，所述降噪外管的截面内半径R1为12mm～14mm，降噪外管的截面外半径R2为19mm，降噪内管和降噪外管的开口宽度K为4.5mm。
当噪声中心频率为1400Hz～1500Hz时，所述降噪内管的截面内半径r1为5mm，降噪内管的截面外半径r2为7.5mm～8.5mm，所述降噪外管的截面内半径R1为11mm～12mm，降噪外管的截面外半径R2为19mm，降噪内管和降噪外管的开口宽度K为5mm。
当噪声中心频率为1500Hz～1600Hz时，所述降噪内管的截面内半径r1为5mm，降噪内管的截面外半径r2为6.5mm～7.5mm，所述降噪外管的截面内半径R1为10mm～11mm，降噪外管的截面外半径R2为19mm，降噪内管和降噪外管的开口宽度K为5.5mm。
当噪声中心频率为1600Hz～1700Hz时，所述降噪内管的截面内半径r1为5mm，降噪内管的截面外半径r2为6mm～6.5mm，所述降噪外管的截面内半径R1为9mm～10mm，降噪外管的截面外半径R2为19mm，降噪内管和降噪外管的开口宽度K为6mm。
当所述降噪内管相对于降噪外管的回转角度可调时，通过调整降噪内管的回转角度，对降噪内管和降噪外管的开口夹角进行调节，以改变降噪管能够抑制的噪声中心频率。
当所述降噪内管的截面内半径r1为5mm、降噪内管的截面外半径r2为8.5mm、降噪外管的截面内半径R1为12mm、降噪外管的截面外半径R2为19mm、降噪内管和降噪外管的开口宽度K为4.5mm时，所述降噪内管和降噪外管的开口夹角在180°与0°之间变换，则降噪管能够抑制的噪声中心频率会在1386Hz与1616Hz之间变换。
具体的：当所述降噪内管和降噪外管的开口夹角为180°时，所述降噪管能够抑制的噪声中心频率为1386Hz；
当所述降噪内管和降噪外管的开口夹角为150°时，所述降噪管能够抑制的噪声中心频率为1394Hz；
当所述降噪内管和降噪外管的开口夹角为120°时，所述降噪管能够抑制的噪声中心频率为1417Hz；
当所述降噪内管和降噪外管的开口夹角为90°时，所述降噪管能够抑制的噪声中心频率为1457Hz；
当所述降噪内管和降噪外管的开口夹角为60°时，所述降噪管能够抑制的噪声中心频率为1515Hz；
当所述降噪内管和降噪外管的开口夹角为30°时，所述降噪管能够抑制的噪声中心频率为1587Hz；
当所述降噪内管和降噪外管的开口夹角为0°时，所述降噪管能够抑制的噪声中心频率为1616Hz。
所述下底板1、左挡板2及后挡板3均采用亚克力板制作；所述上框架4的材质为铝合金；所述降噪内管和降噪外管的材质均为树脂。
当某台3D打印机采用了本发明的噪声抑制结构后，经检测，该台3D打印机的噪声中心频率为1457Hz，因此正好落在噪声中心频率为1400Hz～1500Hz的范围内，则可以直接选择降噪内管的截面内半径r1为5mm、降噪内管的截面外半径r2为7.5mm～8.5mm、降噪外管的截面内半径R1为11mm～12mm、降噪外管的截面外半径R2为19mm、降噪内管和降噪外管的开口宽度K为5mm的降噪管方案，或者还可以直接选择降噪内管的截面内半径r1为5mm、降噪内管的截面外半径r2为8.5mm、降噪外管的截面内半径R1为12mm、降噪外管的截面外半径R2为19mm、降噪内管和降噪外管的开口宽度K为4.5mm的降噪管方案，通过旋转降噪内管，使降噪内管和降噪外管的开口夹角为90°，此时的降噪管恰好能够抑制噪声中心频率为1457Hz的噪声。
另外，在利用本发明的噪声抑制结构对3D打印机进行降噪时，可以同步启动排尘风扇8，同时将排尘风扇8的出风口与除尘通道接通，在排尘风扇8的作用下，结合开式腔体结构，可以通过自然对流的方式实现散热，同时3D打印机产生的粉尘可以随着对流风由排尘风扇8排入除尘通道，解决了粉尘污染问题。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
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