具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

传统的管道消声器受制于传统的吸声材料，在低频段的吸声效果并不理想；除此之外，传统的吸声材料通常以毛毡、玻璃纤维为主，不仅寿命有限，而且容易老化，可由风道进入空气中，从而引起严重的环境污染，甚至危害人的健康。

超构材料是指以微观结构为基本构造单元的人工材料，与传统材料有着完全不同的可设计物理特性，超构材料的特性由微结构单元特性以及其空间排列方式决定。而声学超构材料则是指完全基于不同物理原理设计而成的具有特殊声学功能的一种声学材料。

针对上述传统管道消声器的缺陷，如图1所示，本申请利用声学超构材料设计出一种在低频段具有较高消声性能、且材料不易老化的管道消声器100。具体的，管道消声器100包括消声器罩壳10、管道20以及超构消声单元30。

消声器罩壳10具有第一侧和第二侧，第一侧上开设有进风口101，第二侧上开设有与进风口101对应的出风口(图未示出)。为防止材料老化影响消声性能，消声器罩壳10优选采用金属等坚固耐用的材料。进一步的，消声器罩壳10可以是正方体、长方体、四面体等具有不同侧面的立方体，一些实施方式中为满足安装需求也可以是球体，本申请对此不做限制。

管道20的一端与进风口101连接，另一端与出风口连接，管道20的壁上开设有第一微孔阵列，相邻两个第一微孔之间具有间隔。具体的，请参考图2，将管道20铺展开后即为长方形平板，第一微孔201间隔周期分布在该长方形平板上，形成第一微孔阵列。管道20主要可基于热粘性声学消除中高频的声波(即声音通过微孔产生摩擦进而消除声能)，如频率大于600Hz的声波。进一步的，可消除频率大于1000Hz的声波，吸声系数可随声波频率的增高而增大。

超构消声单元30设于消声器罩壳10内部，超构消声单元30沿管道20周向、环绕设置在管道20的外侧，超构消声单元30与管道20之间具有间隙。具体的，超构消声单元30可设置成环状结构环绕在管道20的外侧，也可设置成多个超构消声单元30首尾相连的结构环绕在管道20的外侧。消声时，声波经第一微孔进入空隙，再由空隙进入超构消声单元30进行低频(如频率低于800Hz的声波)消声。通过使用超构消声单元替代传统的吸声材料，既可以避免吸声材料老化大致的通风空气污染问题，还可以更好地消除低频段噪声。进一步的，超构消声单元30优选采用PET、PC等塑料加工，另一些实施方式中也可采用金属或软性橡胶制备，从而使超构消声单元30更加的坚固耐用，不易出现老化现象。

具体的，超构消声单元30包括多个周期排布的基本构造单元，超构消声单元30的消声性能与基本构造单元的材质、结构特性和空间排布特性有关。进一步的，每个基本构造单元的尺寸处于亚波长量级，从而可对声波实现更加有效的调控。超构消声单元30可以是一维的层状结构，也可以是沿两个方向周期排布所形成的二维复合结构，具体可根据实际的吸声频段需求以及制备的难易程度来对基本构造单元的结构和尺寸进行选择。

进一步的，管道20具有第一声阻抗Z_m，超构消声单元30具有第二声阻抗Z_c，第一声阻抗Z_m和第二声阻抗Z_c叠加形成管道消声器100的整体声阻抗Z，在预设频段内，整体声阻抗Z与空气的阻抗Z₀相匹配。当整体声阻抗Z与空气的阻抗Z₀相匹配时，根据吸声系数公式可知吸声系数可取到最大值(例如可以是0.95～0.999这类趋近于1的值)，此时消声效果最佳。具体的，管道20以及超构消声单元30的声阻抗可分别依据声学中的阻抗理论结合其具体的结构推导得到，本申请管道消声器100为实现最大效率的消声，可对管道20和超构消声单元30的结构参数(如长、宽、高、开孔率、孔径大小等参数)通过运算软件进行计算调整，并选取当管道消声器100的整体声阻抗Z与空气阻抗Z₀相匹配时的参数作为管道消声器100的实际制备参数。

上述管道消声器100，管道20与超构消声单元30的整体声阻抗与空气的声阻抗匹配，使得管道消声器100具有最大的吸声系数，具备较佳的吸声效果；同时，采用超构消声单元替换传统消声器中的玻璃棉、棉毡等传统吸声材料，不仅可以增强管道消声器100在低频段的吸声性能，还有利于避免传统吸声材料老化污染环境；除此之外，上述管道消声器100可根据用户所需的消声频段合理调节管道20和超构消声单元30的结构参数，使其工作频段与用户需求完美匹配。

在示例性实施方式中，超构消声单元30具有多个。以图3所示为例，超构消声单元30具有4个，每个超构消声单元30呈板状，相邻两个超构消声单元30的侧边依次连接形成“口”字形结构，管道20处于该“口”字形的内部。当超构消声单元30具有多个时，使用一个小体积的模具或是3D打印模型即可同时制备多个超构消声单元30，进而制备得到大体积的超构消声单元，有助于降低管道消声器100的制备难度和制备成本。

在示例性实施方式中，请继续参考图3，超构消声单元30包括亥姆霍兹共振器阵列，每个亥姆霍兹共振31均具有相对设置的开口侧和封闭侧，开口侧朝向管道20且开设有第二微孔310，第二微孔310与间隙连通，各亥姆霍兹共振器31的开口侧位于同一面内，声波从第二微孔310进入亥姆霍兹共振器31。具体的，当超构消声单元30只有一个时，各亥姆霍兹共振器31的开口侧位于同一曲面内，而当超构消声单元30具有多个时，各亥姆霍兹共振器31的开口侧可位于同一平面内。当入射的声波频率与亥姆霍兹共振器中的空气柱的固有振动频率相等时，就会产生共振现象，此时空气柱的振幅最大，相应的声能耗散也最大，从而达到消除噪声的目的。另外，由于声波同时进入各亥姆霍兹共振器31，可推知亥姆霍兹共振器31是以并联的形式设置在声波的传递路径上，因此第二声阻抗Z_c满足阻抗的并联公式：其中Z_n表示亥姆霍兹共振器31的表面声阻抗，n表示亥姆霍兹共振器的序数。

在示例性实施方式中，如图4所示，亥姆霍兹共振器31包括：共振器罩壳311，具有相对设置的第三侧和第四侧，第三侧朝向管道20且开设有第二微孔310；以及插管312，设于共振器罩壳内部，与第三侧连接并向第四侧延伸，插管312与第二微孔310共轴，且插管312的孔径与第二微孔310的孔径相等。优选的，插管312的长度小于入射声波的波长。具体的，插管312中的空气柱与共振器罩壳311内部的空腔可共同形成亥姆霍兹共振器31的共鸣腔。

进一步的，当亥姆霍兹共振器为一方形体(包括长方体和正方体)时，亥姆霍兹共振器的表面声阻抗Z_n满足：

其中，A表示整个第三侧的面积(即包含了共振器罩壳311的壁厚以及第二微孔开口的整个第三侧的面积)，S_a表示第二微孔310的开口面积，l表示插管的312长度，L表示第三侧内表面至第四侧内表面的垂直距离，ρ_cc、c_cc及k_cc分别表示亥姆赫兹共振器31内空气的密度、声速以及波数，k_ca、Ψ_va及Ψ_ha分别表示插管在狭窄声学下的波数、粘度项以及热力项，γ表示空气的比热容，δ_Ω表示声质量末端修正项，τ_Ω表示修正因子，S_c表示所述第四侧内表面的面积，ω表示角频率，η表示空气的粘滞系数，ρ₀表示空气自然条件下的密度，c₀表示声音在外界空气中的传播速度。进一步的，亥姆霍兹共振器的共鸣腔体积可由S_cL计算得到。

通过上述公式，可以对每个亥姆霍兹共振器31的深度、第二微孔孔径、插管长度进行优化，从而找到能够实现管道消声器100整体阻抗与空气阻抗相匹配的参数。例如，由图3可以看到，每个亥姆霍兹共振器31中的第二微孔开口大小以及插管长度均不相同，这是由每个亥姆霍兹共振器31根据上述公式得到的阻抗匹配参数决定的。

在示例性实施方式中，第一声阻抗Z_m满足：

其中，η表示空气的粘滞系数，ρ₀表示空气自然条件下的密度，c₀表示声音在外界空气中的传播速度，σ表示管道20的孔隙率，ω表示角频率，t表示管道20的壁厚，d表示第一微孔201的孔径。

通过上述公式，可优化得到第一微孔201的孔径、孔隙率以及管道20的壁厚，其中，各第一微孔201的孔径可均相等，从而方便管道20的制备。

本申请还提供一种管道消声装置，包括多个串联的如前文所述的管道消声器。

上述管道消声装置，串联后可直接作为气体输送的管道装置，从而可在气体输送的同时，能够有效消除进出风口处的噪声，从而提升人们的生活舒适性，同时还可避免传统吸声材料老化导致的环境污染，保证用户健康。

本申请还提供一种管道消声器的制备方法，如图1至图4所示，该管道消声器100包括，消声器罩壳10，具有第一侧和第二侧，所述第一侧上开设有进风口101，第二侧上开设有与进风口101对应的出风口；管道20，一端与进风口101连接，另一端与出风口连接，管道20的壁上开设有第一微孔阵列；以及亥姆霍兹共振器阵列(即超构消声单元30)，亥姆霍兹共振器阵列设于消声器罩壳10内部，并沿管道20周向、环绕设置在管道20的外侧，亥姆霍兹共振器阵列与管道20之间具有间隙；亥姆霍兹共振器包括共振器罩壳311，具有相对设置的第三侧和第四侧，第三侧朝向管道20且开设有第二微孔310；以及插管312，设于共振器罩壳311内部，与第三侧连接并向第四侧延伸，插管312与第二微孔310共轴，且插管312的孔径与第二微孔310的孔径相等，优选的，插管312的长度小于入射声波的波长；

制备方法包括：

S1、获取管道20的第一声阻抗函数Z_m(σ，t，d)，其中，σ表示管道20的孔隙率，t表示管道20的壁厚，d表示第一微孔201的孔径；

进一步的，根据热粘性声学及声波振动，第一声阻抗函数可以是：

其中，η表示空气的粘滞系数，ρ₀表示空气自然条件下的密度，c₀表示声音在外界空气中的传播速度，σ表示管道20的孔隙率，ω表示角频率，t表示管道20的壁厚，d表示第一微孔201的孔径；

S2、获取亥姆霍兹共振器阵列的第二声阻抗函数Z_c(l_n，V_n，R_n，n)，其中，l_n表示插管312长度，V_n表示亥姆霍兹共振器31中共鸣腔的体积，R_n表示第二微孔310的半径，n表示亥姆霍兹共振器31的序数；

进一步的，当亥姆霍兹共振器为一方形体时，第二声阻抗函数可以是：

其中，A表示整个第三侧的面积，S_a表示第二微孔310的开口面积，l表示插管312的长度，L表示第三侧内表面至第四侧内表面的垂直距离，ρ_cc、c_cc及k_cc分别表示亥姆赫兹共振器31内空气的密度、声速以及波数，k_ca、Ψ_va及Ψ_ha分别表示插管312在狭窄声学下的波数、粘度项以及热力项，γ表示空气的比热容，δ_Ω表示声质量末端修正项，τ_Ω表示修正因子，S_c表示所述第四侧内表面的面积。进一步的，共鸣腔的体积V_n可通过测量共振器罩壳311的壁厚再根据体积作差计算得到，或者通过测量空腔的底面面积并结合空腔深度(即第三侧内表面至第四侧内表面的垂直距离L)计算得到(V_n＝S_cL)，具体技术人员可根据实际情况进行选择。

S3、根据上述第一声阻抗函数Z_m(σ，t，d)和上述第二声阻抗函数Z_c(l_n，V_n，R_n，n)，获取管道消声器的整体声阻抗函数Z(σ，t，d，l_n，V_n，R_n，n)，其中，Z(σ，t，d，l_n，V_n，R_n，n)＝Z_m(σ，t，d)+Z_c(l_n，V_n，R_n，n)

S4、提供目标频段；

S5、对于目标频段，根据整体声阻抗函数Z(σ，t，d，l_n，V_n，R_n，n)确定当整体声阻抗Z与空气的阻抗Z₀相匹配时，管道20的孔隙率σ、管道20的壁厚t、第一微孔201的孔径d、各亥姆霍兹共振器31的插管312长度l_n、共鸣腔的体积V_n以及第二微孔310的半径R_n；

S6、将σ、t、d和l_n、V_n、R_n分别施加到管道20和亥姆霍兹共振器阵列上。

上述管道消声器的制备方法，可制备出低频吸声效果佳的管道消声器100；同时，利用整体声阻抗函数可由目标频段确定管道和亥姆霍兹共振器阵列在满足阻抗匹配时的结构参数，可使其工作频段与用户所需的消声频段完美匹配，满足用户的定制化需求。需要指出的是，上述步骤S1至S4并没有先后关系，技术人员可根据实际需求进行顺序的调整。

在示例性实施方式中，在确定整体声阻抗Z何时与空气的阻抗Z₀相匹配时，可以根据管道消声器100的吸声系数确定在目标频段内，所述吸声系数α取最大值时，对应的管道20的孔隙率σ、管道20的壁厚t、第一微孔201的孔径d、各亥姆霍兹共振器31的插管长度l_n、共鸣腔的体积V_n以及第二微孔310的半径R_n为管道消声器100的阻抗匹配参数。其中，Z₀＝ρ₀c₀。可以看到，由于Z₀是实数，从而在对整体声阻抗Z优化时，可使Z的实部Z_a与Z₀的比值趋近于1，而Z的虚部Z_b趋近于0的方向优化，也能获取到管道消声器100的吸声系数α的最大值。

进一步的，图5示出了本申请一实施例管道消声器100的消声效果示意图。具体的，图5中横轴表示入射声波的频段，纵轴表示声波的传递损失。可以看到，本申请管道消声器100在300Hz～800Hz具有多个传递损失峰，且每个传递损失峰对应的声波传递损失均远远大于传统的吸音棉式管道消声器的传递损失，从而可以认为，本申请管道消声器100的低频消声效果明显优于传统的管道消声器。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。