CN101645263B

CN101645263B - 一种管束穿孔板复合共振吸声装置

Info

Publication number: CN101645263B
Application number: CN2009101486868A
Authority: CN
Inventors: 吕亚东; 马大猷; 唐惠德; 张倩
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: CN101673543A; CN101650939B; CN101650939A; CN101673543B; CN101645263A

Abstract

本发明涉及管束穿孔板复合共振吸声装置，包括一由穿孔板、背板、和侧板组成的封闭空腔；穿孔板上穿有微缝和孔洞；一由N根管子排列成的管束，管子置于封闭空腔内的，且每根管子的一端插入穿孔板或用过渡接头将管子插入穿孔板与穿孔板相连，其另一端为开口端或封闭端；管子的直径等于孔洞的直径；在穿孔板外表面敷设一层多孔吸声材料；N等于或小于所述的孔洞6个数。本发明将管束穿孔板共振吸声结构和微缝吸声结构、多孔吸声材料三者结合起来，通过利用管腔耦合共振和微缝共振以及多孔吸声材料声能耗散吸收的吸声原理，增加声阻、强化吸声，增加声质量，促使共振吸收峰移向低频，拓宽了吸声频带，增大了吸声系数，实现宽带吸声的目标。

Description

一种管束穿孔板复合共振吸声装置

技术领域

本发明涉及一种共振吸声结构，特别涉及一种将管束穿孔板共振吸声结构和微缝吸声结构、多孔吸声材料三者结合起来的管束穿孔板复合共振吸声装置。

背景技术

噪声控制工程中应用的吸声材料和吸声结构种类很多，按其吸声原理大致可分为多孔性吸声材料、薄板共振吸声结构、薄膜共振吸声结构、穿孔板共振吸声结构。马大猷于1975年在《中国科学》上发表的关于“微穿孔板吸声结构的理论与设计”以及于2000年在《声学学报》发表的关于“微缝吸声体理论”的文章，将共振吸声结构的应用扩展了更广阔的领域。

尽管穿孔板共振吸声结构、微穿孔板吸声结构和微缝吸声结构较多孔性吸声材料在吸声特性、流阻、抗潮湿、耐腐蚀、卫生清洁等方面具有许多优越特点，但是仍无法满足一些噪声控制的实际需要，特别是在吸声空间受到严格限制的场合下，要控制低频噪声就显得有些力不从心，因为对于一般共振吸声结构，要增强其低频声吸收，就必须大幅增加空腔深度，而这在实际工程中往往是无法实现的。

目前检索了G10K，重点检索了G10K 11/172，找出对比文献1：中国专利ZL00100641.X“管束式穿孔板共振吸声装置”。该专利记载的主要特征在于：管束式穿孔板共振吸声结构由穿孔板和底板、侧板(三者组成封闭空腔)及管束构成。管束为若干个与穿孔板小孔直径相同的细长管(可为弯曲的柔性管束)排列组成，柔性管束的长度不受穿孔板共振吸声结构腔深的限制(可设计成长短不一，以调谐共振频率和改变不同频率下的吸声系数)，其管束长度可小于腔深，亦可远大于腔深。该结构利用管腔耦合共振的吸声原理，增大其吸声系数和声阻，提高低频吸声效果。目前，该管束式穿孔板共振吸声结构的吸声频带局限于中低频，吸声频带尚不够宽，而且同已有的微缝吸声结构一样同属共振吸声，其独立吸声结构均存在声吸收的若干波谷，而多孔吸声材料高频吸声性能良好，但中低频吸声系数又较低，长期以来，声学研究人员一直在积极寻找和研究开发体积较小的、能够在宽频带内保持良好吸声效果的新型吸声结构。

发明内容

本发明的目的在于：克服目前噪声控制采用上述方法中低频吸声不足的缺陷，同时最大限度拓宽吸声频带，从而提供一种在减小穿孔板吸声结构共振腔腔深的尺寸条件下，并能实现良好的宽频带吸声性能的，将管束穿孔板共振吸声结构和微缝吸声结构、多孔吸声材料三者结合起来的管束穿孔板复合共振吸声装置，以实现宽带吸声的目的。

为了实现上述目的，本发明提供一种管束穿孔板复合共振吸声装置，包括一由穿孔板1、背板2和侧板3组成的封闭空腔；其特征在于：所述的穿孔板1上穿有微缝7和孔洞6；还包括一由N根管子4排列成的管束，所述的管子4置于所述的封闭空腔内的，且每根管子4的一开口端插入穿孔板1或用过渡接头5将管子4插入穿孔板1与穿孔板1相连，其另一端为开口端或封闭端；所述的管子4的直径等于所述的孔洞6的直径；还包括在穿孔板1外表面再敷设一层多孔吸声材料8；

所述的微缝7的宽度a为0.01～4mm，微缝7的长度b为1～200mm，微缝7的穿缝率ρ为0.1％～30％；

所述的N等于或小于所述的孔洞6个数。

上述技术方案中，所述穿孔板1为与传统穿孔板相同的材料，为钢板、铜板、不锈钢板、铝板或塑料板、PVC板、PE板、木板等硬材料。

上述技术方案中，所述穿孔板1上的孔洞6的排列一般为规则的三角形排列或正方形排列方式，也可以采用非规则排列方式。

上述技术方案中，所述穿孔板1上的微缝7的排列一般为规则的三角形排列或正方形排列方式，也可以采用非规则排列方式。

上述技术方案中，所述穿孔板1的厚度t为0.5～10mm；孔洞6孔径d为0.1～5mm；孔洞6的穿孔率σ为0.1％～30。

上述技术方案中，所述的封闭空腔的腔深D为10～1500mm。

上述技术方案中，所述的管束4为金属管、陶瓷管或橡胶管、塑料管等；所述的管束4长度l可以小于腔深D，也可以大于或远大于腔深D，所述的管束4长度l为2～5000mm。

上述技术方案中，所述的管子1与穿孔板的各个小孔孔洞相连，其连接方式为粘接、焊接、螺纹连接或通过一过渡接头5安装连接；如果所述穿孔板为塑料板、PVC板、PE板材料，所述的管子与穿孔板的各个小孔孔洞的连接方式也可以采用与穿孔板一次注塑成型连接方式。

上述技术方案中，所述每根管子不与穿孔板相连的另一端(开口端或封闭端)一般可自由放置在由穿孔板、背板和侧板组成的封闭空腔内。若管子为可弯曲的硬质管(如金属管、陶瓷管等)，则管束开口端或闭口端及管束中间位置为避免管束振动，也可以适当方式加以固定。

上述技术方案中，所述穿孔板外表面敷设的多孔吸声材料可以是玻璃棉、岩棉、矿棉或石油裂解的环保吸声棉、泡沫铝等多孔泡沫金属材料，多孔吸声材料厚度10～300mm，容重20-70Kg/m³。

本发明的管束穿孔板复合共振吸声装置，采用穿有孔洞和微缝的穿孔板，与背板和侧板三者组成封闭空腔，一束弯曲的柔性管子组成的管束，以及在穿孔板的外表面敷设的多孔吸声材料构成管束穿孔板复合共振吸声装置。三者结合起来，进一步增大复合吸声结构的吸声系数和声阻，同时拓宽其吸声频带。管束为若干根与穿孔板上的小孔直径相同细长的管子(可为弯曲的柔性管束)排列组成，柔性管束的长度不受穿孔板共振吸声结构腔深的限制(可设计成长短不一，以调谐共振频率和改变不同频率下的吸声系数，达到调制拓宽吸声频带的目的)，每一根管子的长度可小于腔深，亦可大于腔深。由于细长管子设置在封闭空腔内并嵌入穿孔板，管长和管束结构对共振吸收峰和吸声频带的调制特性(增加声阻、强化吸声；增加声质量，促使共振吸收峰移向低频；调制拓宽吸声频带)不仅有助于避免微缝吸声结构声吸收的波谷，而且其吸声频带也要比传统穿孔板共振吸声结构和微缝吸声结构宽，从而增大吸声系数，增强中、低频噪声的有效吸收，同时提高高频吸声效果，拓宽吸声频带；即一方面大大增加了穿孔板共振吸声结构的声阻，另一方面由于声质量增大使得共振频率向低频移动，同时细长管束的管共振与穿孔板共振吸声结构的腔共振相互耦合作用，拓宽了有效吸声频带。该结构还包括在穿孔板外表面涂覆多孔吸声材料，用多孔吸声材料中高频吸声效果好的特点，并能够在一定程度上消除管束式穿孔板共振吸声结构、微缝吸声结构共振吸收的若干波谷，将管束穿孔板共振吸声结构和微缝吸声结构和多孔吸声材料三者结合起来，进一步拓宽其复合结构的吸声频带，这是一种结构紧凑、经济实用、具有宽带吸声特性的管束穿孔板复合共振吸声装置。

本发明的优点在于：

(1)本发明的管束穿孔板复合共振吸声装置，利用管腔耦合共振和微缝共振的吸声原理，将管束穿孔板共振吸声结构和微缝吸声结构二者结合起来，通过管长和管束结构对共振吸收峰和吸声频带的调制作用(增加声阻、强化吸声；增加声质量，促使共振吸收峰移向低频；调制拓宽吸声频带)，从而增大吸声系数，特别是增强对中、低频噪声的有效吸收；

(2)同时利用微缝共振提高中高频吸声效果，进一步拓宽管束穿孔板共振吸声结构的吸声频带。从实施例的驻波管中完成了管束穿孔板共振吸声结构高频消声机理实验研究可以对比看出，由于管束较长，可远大于穿孔板腔深，管束内参与往复运动并受到粘滞阻尼的空气柱较传统穿孔板共振吸声结构小孔内的空气柱要多，声阻要大，不仅其吸收系数要比传统穿孔板共振吸声结构大，而且其吸声频带也由于管-腔耦合共振的原因要比传统穿孔板共振吸声结构宽。管长对于管束式穿孔板共振吸声结构至关重要，如果管长过短，对其吸声性能会影响很大，大幅降低吸声性能。同时也可以看到：加上柔性管束以后，对于提高微缝板吸声性能的作用，柔性管束管长达到一定程度有助于避免微缝板共振吸声结构声吸收的波谷，促使吸收峰向低频移动，同时有助于提高高频吸声效果，拓宽吸声频带，甚至可在160-2000Hz范围内出现3个明显的吸收峰。另一方面：腔深增大也有助于促使吸收峰向低频移动。

(3)同时利用多孔吸声材料中高频吸声效果好的特点，并能够在一定程度上消除管束式穿孔板共振吸声结构、微缝吸声结构共振吸收的若干波谷，将管束穿孔板共振吸声结构和微缝吸声结构和多孔吸声材料三者结合起来，实现复合结构的宽带吸声。

附图说明

图1为本发明的管束穿孔板复合共振吸声装置示意图；

图2为本发明的一种穿孔板结构实施例示意图，即孔洞与微缝平行分排排列；

图3为本发明的另一种穿孔板结构实施例示意图，即每排和每列的孔洞与微缝交替排列；

图4为本发明的一种利用过渡接头将管子与穿孔板固定的共振吸声装置示意图；

图5为本发明的管束穿孔板复合共振吸声装置(开管管束，闭管管束，管长450mm，腔深160mm)和微缝吸声结构吸声性能对比图(腔深160mm)；

图6比较柔性管束管长对管束穿孔板复合共振吸声装置吸声性能的影响

图面说明如下(图1至图4)：

1-穿孔板， 2-背板，3-侧板，4-管束，

5-过渡接头，6-孔洞，7-微缝；8-多孔吸声材料

图6的图面说明如下：

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

参考图1，本实施例制作一种管束穿孔板复合共振吸声装置，该装置由一块穿孔板1、不锈钢板制作的背板2和不锈钢板制作的侧板3组成的封闭空腔，该封闭空腔的腔深D，例如D为10mm、100mm、200mm、300mm、500mm、1000mm或1500mm均可以；该穿孔板为直径100mm的圆形不锈钢板，厚度为1.8mm，穿孔板上设有微缝和孔洞，微缝宽0.04mm，微缝长3.6mm，孔洞直径1.6mm；其中，微缝7的穿缝率ρ，例如ρ为0.1％、1％、6％、10％、20％或30％均可以；其中，孔洞6的直径1.6mm，孔洞6的穿孔率σ，例如σ为0.1％、1％、6％、10％、20％或30％均可以。穿孔板1上的微缝7的排列为规则的正方形排列方式，见图2。

穿孔板1上的孔洞6的排列为规则的正方形排列方式，见图2。

还包括一管束，该管束由N根管子组成，管子可以用金属管、陶瓷管、橡胶管或塑料管，该管子4长度l可以小于腔深D，也可以大于或远大于腔深D，管束优选长度l为2～5000mm，在本实施例中每一根管子的的直径1.6mm、长度为750mm。N根管子按照附图1或4的方式排列组成管束，在本实施例中且管子数量N等于穿孔板上孔洞个数，在本实施例中穿孔率为0.87％的装置有33根管子、穿孔率为3.5％的装置有136根管子。所有的管子4置于封闭空腔内的，且每根管子4的一开口端插入穿孔板1，其另一端为开口端，参见附图1；或用过渡接头5将管子4插入穿孔板1与穿孔板1相连，其另一端为开口端或封闭端，参见附图4；管子4的直径等于孔洞6的直径。

还包括在穿孔板1外表面再敷设一层多孔吸声材料8，在本实施例中多孔吸声材料8采用石油裂解多孔环保吸声棉；也可以使用玻璃棉、岩棉、矿棉或泡沫铝等多孔泡沫金属材料，多孔吸声材料厚度可以为10mm、100mm、130mm、200mm、250mm或300mm，容重20-70Kg/m³。

在驻波测量管中完成了管束穿孔板复合共振吸声装置消声机理实验研究，测量了管束穿孔板复合共振吸声装置吸声系数，确定了管长、腔深、穿孔率结构参数对其声学性能的影响，如图6所示。

分别对7种不同结构参数的吸声装置进行了比较：

(1)管束穿孔板复合共振吸声装置，吸声棉厚度为100mm，管束长750mm，空腔深度300mm，穿孔板上的孔洞和孔洞以规则的正方形排列，33根管子与分别与各个孔洞相连，孔洞的穿孔率为0.87％，微缝的穿缝率为0.19％。

(2)管束穿孔板复合共振吸声装置，吸声棉厚度为100mm，管束长750mm，空腔深度300mm，穿孔板上的孔洞和孔洞以规则的正方形排列，136根管子与分别与各个孔洞相连，孔洞的穿孔率为3.5％，微缝的穿缝率为0.78％。

(3)管束穿孔板复合共振吸声装置，吸声棉厚度为100mm，管束长900mm，空腔深度300mm，穿孔板上的孔洞和孔洞以规则的正方形排列，136根管子分别与各个孔洞相连，孔洞的穿孔率为3.5％，微缝的穿缝率为0.78％。

(4)管束穿孔板复合共振吸声装置，吸声棉厚度为100mm，管束长10mm，空腔深度100mm，穿孔板上的孔洞和孔洞以规则的正方形排列，136根管子分别与各个孔洞相连，孔洞的穿孔率为3.5％，微缝的穿缝率为0.78％。

(5)吸声棉，厚度100mm，吸声棉后无空腔、无穿孔板、无管束。

(6)吸声棉，厚度50mm，吸声棉后无空腔、无穿孔板、无管束。

(7)吸声棉，厚度80mm，吸声棉后无空腔、无穿孔板、无管束。

由图5可以看出：管束穿孔板复合共振吸声装置的吸声性能比多孔环保吸声棉在500Hz以下要好得多，在吸声棉厚100mm，管束长900mm，腔深300mm，穿孔率3.5％情况下，所有频段吸声系数保持在0.63以上，在吸声棉厚100mm，管束仅10mm接头，腔深100mm，穿孔率3.5％情况下，100Hz-8000Hz吸声系数保持在0.5以上，且有效消除了管束式穿孔板共振吸声结构、微缝吸声结构共振吸收的若干波谷。因此，管束穿孔板复合共振吸声装置已具备条件成为较为理想的宽带吸声结构。

所述的微缝7的宽度a还可以设置为0.01～4mm，微缝7的长度b为1～200mm。

实施例2

在驻波测量管中完成了未敷设吸声棉的管束穿孔板复合共振吸声装置消声机理实验研究，对比测量了管束穿孔板复合共振吸声装置和穿孔板(含微缝和孔洞)共振吸声结构的吸声特性，确定了管长、腔深、穿孔率结构参数对其声学性能的影响，如图5所示。

参数：管束直径：1.6mm，穿孔率：5％，微缝长：1.8mm，微缝宽：0.05mm

图6对如下10种不同条件下的吸声特性进行了比较

1)管束长350mm，腔深200mm

2)管束长850mm，腔深200mm

3)管束长650mm，腔深200mm

4)管束长450mm，腔深200mm

5)管束长220mm，腔深100mm

6)管束长220mm，腔深200mm

7)管束长115mm，腔深100mm

8)无管束，含孔和微缝，腔深100mm

9)无管束，含孔和微缝，腔深200mm

10)管束长920mm，腔深200mm

一方面，由图6可以看出：对于未敷设吸声棉的管束穿孔板复合共振吸声装置而言，柔性管束管长达到一定程度有助于避免穿孔板(含微缝和孔洞)共振吸声结构声吸收的波谷，促使吸收峰向低频移动，同时有助于提高高频吸声效果，拓宽吸声频带，甚至可在160-2000Hz范围内出现3个明显的吸收峰。另一方面：腔深增大也有助于促使吸收峰向低频移动。

另一方面，由图6还可以看出：尽管未敷设吸声棉的管束穿孔板复合共振吸声装置的吸声性能比穿孔板(含微缝和孔洞)共振吸声结构要好得多，但与敷设吸声棉的管束穿孔板复合共振吸声装置的吸声性能相比，仍存在共振吸收的若干波谷。

因此，通过比较图5和图6不难，敷设吸声棉的管束穿孔板复合共振吸声装置已具备条件成为较为理想的宽带吸声结构。

总之，本发明通过管束穿孔板复合共振吸声装置进行吸声处理，将管束穿孔板共振吸声结构和微缝吸声结构、多孔吸声材料三者结合起来，利用管腔耦合共振和微缝共振以及多孔吸声材料声能耗散吸收的吸声原理，以及管长和管束结构等对共振吸收峰和吸声频带的调制作用，不仅有助于避免管束穿孔板共振吸声结构和微缝吸声结构声吸收的波谷，而且其吸声频带也要比传统穿孔板共振吸声结构和微缝吸声结构宽，从而提高了吸声系数，增强了对中、低频和高频噪声的有效吸收，拓宽吸声频带。这是一种结构紧凑、经济实用、具有宽带吸声特性的管束穿孔板复合共振吸声装置。

因此，本发明提供的敷设多孔吸声材料的管束穿孔板复合共振吸声装置，已具备条件成为较为理想的宽带吸声结构。该结构可广泛应用于各类消声器、吸声墙壁、消声风洞、声屏障、强吸声室设计和工业降噪工程中。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明的精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变型，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种管束穿孔板复合共振吸声装置，包括一由穿孔板(1)、背板(2)和侧板(3)组成的封闭空腔；其特征在于：所述的穿孔板(1)上穿有微缝(7)和孔洞(6)；还包括一由N根管子(4)排列成的管束，所述的管子(4)置于所述的封闭空腔内的，且每根管子(4)的一开口端插入穿孔板(1)或用过渡接头(5)将管子(4)插入穿孔板(1)与穿孔板(1)相连，其另一端为开口端或封闭端；所述的管子(4)的直径等于所述的孔洞(6)的直径；还包括在穿孔板(1)外表面再敷设一层多孔吸声材料(8)；

所述的微缝(7)的宽度a为0.01～4mm，微缝(7)的长度b为1～200mm，微缝(7)的穿缝率ρ为0.1％～30％；

所述的N等于或小于所述的孔洞(6)个数。

2.按权利要求1所述的管束穿孔板复合共振吸声装置，其特征在于：所述穿孔板(1)为钢板、铜板、不锈钢板、铝板、塑料板、PVC板、PE板或木板。

3.按权利要求1所述的管束穿孔板复合共振吸声装置，其特征在于：所述穿孔板(1)上的孔洞(6)和微缝(7)的排列方式一致，或者不一致，所述孔洞和所述微缝独立排列。

4.按权利要求1所述的管束穿孔板复合共振吸声装置，其特征在于：所述穿孔板(1)的厚度t为0.5～10mm；孔洞(6)的孔径d为0.1～5mm；孔洞(6)的穿孔率σ为0.1％～30％。

5.按权利要求1所述的管束穿孔板复合共振吸声装置，其特征在于：所述的封闭空腔的腔深D为10～1500mm。

6.按权利要求1所述的管束穿孔板复合共振吸声装置，其特征在于：所述的管子(4)为金属管、陶瓷管、橡胶管或塑料管；所述的管子(4)长度l小于腔深D，或大于腔深D。

7.按权利要求1所述的管束穿孔板复合共振吸声装置，其特征在于：所述穿孔板(1)外表面敷设的多孔吸声材料层(8)是玻璃棉、岩棉、矿棉、石油裂解的环保吸声棉或泡沫铝，所述多孔吸声材料层(8)厚度10～300mm。