CN102087852A - 声谐振器和声室 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种声谐振器和声室。适用于声室的声谐振器被设计为在低频范围内降低声压同时增大介质微粒的微粒速度，而不增大其整体尺寸。声谐振器由具有开口端的管部件以及包含高阻区域和低阻区域的阻力部件构成。阻力部件插入管部件中，使得阻力部件的一端对齐管部件的开口端，同时阻力部件的另一端布置在管部件的空腔内的预定位置处。高阻区域包含在谐振频率下在管部件的空腔中产生的驻波的微粒速度分布的波腹区域，从而导致相比单一单元的管部件降低谐振频率的声学现象。

Description

声谐振器和声室
技术领域
本发明涉及声谐振器和声室。
本申请要求日本专利申请第2009-272891号以及日本专利申请第2010-239875号的优先权，其内容通过引用并入本文。
背景技术
传统上，已经开发了各种使用声谐振器的吸声结构，并公开在诸如专利文献1、2的各种文献中。
专利文献1：日本专利申请公开第H07-302087号
专利文献2：日本专利申请公开第H08-121142号
专利文献1公开了一种致力于降低低频范围声压的吸声结构，其中各自具有开口端和相对的封闭端的多个具有不同长度的谐振管的开口端彼此邻接。专利文献2公开了一种内燃机的进气降噪装置，其通过经由通信管道与进气装置通信的谐振腔，来将谐振频率移至低频范围。专利文献2采用与弹簧-重块谐振系统等同的Helmholtz谐振器，其中通信管道的空气起到重块元件的作用，而谐振腔的空气起到弹簧元件的作用，其中在通信管道的特定部分附着有吸声材料。在Helmholtz谐振器中，吸声材料的内部空气起到重块元件的作用，该重块元件被增大至使得谐振频率偏移至相比不含吸声材料的其它谐振器更低的频率范围。
专利文献1的吸声结构需要增大每个谐振管的空腔长度以使其谐振频率降低，从而通过谐振现象降低低频处的声压；因此每个谐振管需要增大尺寸。专利文献2的Helmholtz谐振器形成为特定的形状，具有足够的尺寸来确保谐振腔中声压相对于声波入射方向(或者Helmholtz谐振器的高度方向)的均匀分布。Helmholtz谐振器设计为在谐振腔中维持恒定的声压。另外，谐振器需要随着谐振频率的降低而增大其体积，因此谐振器的宽度尺寸会大于谐振器的高度尺寸。这使得安装谐振器变得困难，因为会与周围的部件形成冲突。在展示160Hz吸声效果的Helmholtz谐振器的情况下，该谐振器例如需要增大整体尺寸，使得近似将直径设置为145mm而将高度设置为130mm。
发明内容
本发明的一个目的是提供能够降低声压而不增大尺寸的声谐振器。
本发明的另一个目的是提供能够在低频范围提高介质微粒速度的声谐振器。
本发明的再一个目的是提供使用声谐振器的声室。
本发明的声谐振器由管部件和阻力(resistance)部件构成，其中所述管部件具有至少一个开口端并且包含空腔，所述阻力部件以预定长度插入所述管部件中，所述预定长度小于所述管部件的空腔的整体长度。所述阻力部件包括高阻区域和低阻区域，从而针对管部件空腔中的介质微粒的运动呈现不同的阻力。在具有阻力部件的管部件的空腔的横截面中，高阻区域邻接低阻区域。导致谐振频率处的声压发生变化的区域沿着长度方向布置在空腔内。
在上述声谐振器中，高阻区域在管部件的开口端同外部空间接触。具体来说，所述高阻区域的一端与管部件的开口端对齐，而高阻区域的另一端布置在管部件空腔内部的预定位置。另外，低阻区域在外部空间和管部件空腔内的内部空间之间连通。
高阻区域包含驻波的微粒速度分布的波腹区域，其中在谐振频率下在管部件的空腔中产生所述驻波。高阻区域从管部件的开口端延伸至所述波腹区域。高阻区域附着在管部件的内表面上，使得高阻区域在具有阻力部件的管部件空腔的横截面上围绕低阻区域。
本发明的声室包括上述由管部件和阻力部件构成的声谐振器。所述声室是指例如隔音室、大厅、剧场、配备音频设备的试听室、会议室、运输系统和车辆的隔间、以及扬声器和乐器的外壳。
本发明改善了降低声压的效果并提高了低频范围内的微粒速度，而无需增大声谐振器的整体尺寸。
附图说明
参照下述附图对本发明的这些及其它目的、方面、和实施例进行更详细的说明。
图1是根据本发明的第一实施例由管部件和阻力部件构成的声谐振器的透视图。
图2是沿着图1中的II线II截取的声谐振器的纵向截面图。
图3A是沿着图2中的线A-A截取的剖视图。
图3B是沿着图2中的线B-B截取的剖视图。
图4是不包含阻力部件的管部件的纵向截面图，其中响应于管部件空腔中的声波谐振而产生驻波。
图5是管部件的纵向截面图，所述管部件在谐振频率和损耗因子下被测量。
图6是示出了相对于声谐振器的微粒速度的频率特征的视图。
图7是示出了与各种类型的声谐振器相关联的第一模式谐振频率和损耗因子的视图。
图8是在管部件中包含聚氨酯泡沫的对比声谐振器的纵向截面图。
图9是示出了与阻力部件的各种长度相关联的第一模式谐振频率和损耗因子的视图。
图10是例示了在具有高阻区域和低阻区域的声谐振器的开口端中发生的声学现象的平面图。
图11是示出了与声谐振器的空腔长度相关联的声压的变化的视图。
图12A是示出了根据本发明第二实施例的声谐振器的纵向截面图，其中对阻力部件的高阻区域和低阻区域方面进行了修改。
图12B是在管部件开关端外部另外配备了次级阻力部件的声谐振器的纵向截面图。
图12C是其中对阻力部件进行了修改以改变其在管部件长度方向上的横截面尺寸的声谐振器的纵向截面图。
图12D是其中管部件的两端均封闭而在管部件的侧边部分形成开口的声谐振器的纵向截面图。
图13A是其中将管部件进行折叠以形成U形空腔的声谐振器的纵向截面图。
图13B是其中管部件在靠近其封闭端处弯曲的声谐振器的纵向截面图。
图14A是其中阻力部件延伸并附着在管部件内表面上以近似占据管部件横截面面积的一半的声谐振器的纵向截面图。
图14B是其中管部件的开关端完全被阻力部件封闭的声谐振器的纵向截面图，其中低阻区域部分形成在高阻区域内部从而与空腔的内部空间连通。
图15A示出了根据本发明第三实施例的声谐振器的结构上的四种变型，其中管部件和阻力部分各自形成为矩形或正方形。
图15B示出了声谐振器的第三实施例的另外一种变型，其中将六角形的阻力部件安装在六角形的管部件中。
图16是示出了根据本发明第四实施例的声谐振器的截面图，所述声谐振器使用多个谐振单元形成。
图17是示出了根据本发明第五实施例的声谐振器的纵向截面图，所述声谐振器使用多个谐振单元形成。
图18A是示出了根据本发明第六实施例的声谐振器的纵向截面图，其中在第二模式谐振频率的驻波的微粒速度分布的波腹处，两个谐振部件被布置在管部件中。
图18B是第六实施例的声谐振器的纵向截面图，其中在第三模式谐振频率的驻波的微粒速度分布的波腹处，三个谐振部件被布置在管部件中。
具体实施方式
下面参照附图以示例的方式对本发明进行更详细的说明，其中各个附图中所示的相同部分由相同的参考标号指示。
图1是根据本发明第一实施例的声谐振器10的透视图。声谐振器10具有圆筒管的形状，其具有开口端(在左侧)和相对的封闭端(在右侧)。声谐振器10分成管部件11和阻力部件12。管部件11(用作声谐振器10的外壳)形成为圆筒形，由金属或塑料构成。具有一个开口端的管部件11在长度方向上延伸。阻力部件12是圆柱形的组件，其被限定在相对的圆形表面内，并且其中具有在长度方向上穿过中间部分的圆柱形空腔。阻力部件12啮合在管部件11的开口内侧，使得阻力部件12的外表面在靠近管部件11开口端的位置处与管部件11的内表面接触。阻力部件12由诸如聚氨酯泡沫的多孔材料构成，对空气微粒(例如空气分子)的运动构成阻力，从而约束空气微粒的自由移动。同不具有阻力部件12的管部件11相比，能在阻力部件12的区域增大空气微粒运动的阻力。介质(如空气微粒)的特征阻抗可以表示阻力的量化物理值。
图2是沿着图1中的II线II截取的声谐振器10的纵向截面图。图2所示的截面是针对包括中心轴X的平面在长度方向上从管部件11截取的。图3A和图3B是针对垂直于管部件11的长度方向的平面截取的声谐振器10的横截面图。图3A和图3B所示的横截面图是针对垂直于两端之间空腔113的长度方向的平面从管部件11截取的。图3A是沿着图2中的线A-A在贯穿包括阻力部件12的管部件11的位置处截取的横截面图。图3B是沿着图2中的线B-B在贯穿不包括阻力部件12的管部件11的位置处截取的横截面图。在此，在包括阻力部件12的管部件11的任意位置处，能够确保相同的横截面形状和尺寸。另外，也能够确保阻力部件12的横截面具有相同的形状和尺寸。管部件11的长度方向等同于开口端111和封闭端112之间的空腔113的长度。也即，所述长度方向对应于连接相对的两端的线段。
管部件11的长度被限定在开口端111和封闭端112之间，开口端111和封闭端112彼此相对并且分隔开。本实施例的设计基于如下设想，即封闭端112可以用作声学方面的完全反射表面(或者刚性壁)。具有圆柱形状的空腔113形成在管部件11内侧，并且在开口端111和封闭端112之间延伸。空腔113通过开口端111连通外部空间，同时空腔113被封闭端112与外部空间隔绝。在此，“L”表示空腔113的长度，其与开口端111和封闭端112之间的距离一致。另外，中心轴X(见虚线)与连接垂直于空腔113长度方向的各个横截面中心的中心线一致。
管部件11的空腔113的直径小于在一维声场的直径方向上产生的驻波波长的一半。空腔113沿着中心轴X在长度方向上延伸；因此，在空腔113内传播的声波可以简单地假设为沿着中心轴X传播的平面波。在本实施例中，在垂直于中心轴X的空腔113的所有横截面上，声压均匀地分布。
阻力部件12安装在空腔113中，其中阻力部件12的一端精确布置在开口端111处。阻力部件12具有圆柱形状，其长度方向与中心轴X一致。在此，“l0”表示阻力部件12在两个相对端之间的长度。在阻力部件12内，在长度方向上形成了具有圆柱形状的空腔。阻力部件12的空腔部分地占据管部件11在开口端111和封闭端112之间的空腔113。在阻力部件12的空腔内没有提供用于增大空气微粒运动阻力的阻抗材料。
图3A示出了包括阻力部件12的管部件11的横截面图，其由高阻区域T1(对空气微粒的运动具有高阻力)和低阻区域T2(对空气微粒的运动具有低阻力)组成。低阻区域T2在阻抗上低于高阻区域T1。高阻区域T1包含实质上构成空气微粒运动阻力的阻抗材料，低阻区域T2不包含对应于在长度方向上穿过阻力部件12的空腔的阻抗材料。在图3A所示的包括阻力部件12的管部件11的横截面图中，高阻区域T1环绕低阻区域T2，高阻区域T1具有圆环形状，而低阻区域T2具有圆形形状。
阻力部件12被限定在第一表面121(位于空腔113的开口端111处)和第二表面122(与第一表面121相对)之间。阻力部件12的第一表面121定位为在空腔113的开口端111处与管部件11的外部空间直接接触。阻力部件12的第二表面122位于空腔113内。第一表面121和第二表面122都包含高阻区域T1和低阻区域T2。
在本实施例中，阻力部件12在第一表面121和第二表面122上的法线方向都与空腔113的长度方向一致。然而也可以修改本实施例来使得阻力部件12的法线方向与空腔113的长度方向交叉。
低阻区域T2由外部空间(布置为与声谐振器10的开口端111接触)和内部空间(布置在不包括阻力部件12的声谐振器10内侧)中的相同介质构成。简单来说，低阻区域T2由空气填充。在此，低阻区域T2可以包含中心轴X。或者，低阻区域T2可以具有其中心与中心轴X一致的点对称截面。或者，低阻区域T2可以不包含中心轴X。简单来说，图3A中阻力部件12的高阻区域T1在空腔113的长度方向上延伸以部分占据空腔113，其横截面垂直于空腔113的长度方向。图3B中所示的不包含阻力部件12的空腔113的横截面由低阻区域T2的相同介质(或相同材料)构成。
由于下述原因，本实施例的声谐振器10需要包括阻力部件12。
图4是沿着包含中心轴X的平面截取的不包含阻力部件12的管部件11(即管部件11的单一单元)的纵向截面图。虚线(或双点线)表示针对管部件11内侧产生的驻波中具有最低频率(即第一模式谐振频率)的驻波SW1的微粒速度分布(或幅度分布)。
如图4所示，产生在管部件11的空腔113中的驻波符合微粒速度在封闭端112处为零的边界条件。也即，驻波SW1在封闭端112处具有微粒速度分布的节点(node)，这里微粒速度变为最小。微粒速度分布的波腹位于开口端111处，这里微粒速度最大。当管部件11具有阻力部件，使得封闭端112不用作完全反射表面时，微粒速度分布的节点和波腹会在位置上发生偏移，同时它们仍存在于图4所示的管部件11的空腔113中。后面的描述将不涉及开口端修改。
驻波SW1的产生是由于管部件11响应于波长为λc(L＝λc/4)的声波而产生的谐振，其中λc是空腔113的长度L的4倍。与入射波的相位不同的反射波通过管部件11的谐振而产生。反射波通过管部件11的开口端111进入外部空间。由于反射波和入射波之间存在相位差，具有谐振频率(与波长λc一致)的声波彼此干涉并抵消，从而在开口端111处展示了谐振频率上的声压降低效果。此时，由于产生了驻波SW1，空气微粒在靠近开口端111处发生最大幅度的重复振荡。这增加了靠近开口端111处空气微粒在谐振频率以外频率的运动速度(或者微粒速度)。声谐振器10在谐振模式下类似于管部件11的单一单元(公知为声管)进行操作，使得由于驻波SW1(类似于图2所示的驻波SW)而产生微粒速度分布。为此，其中管部件11包含阻力部件12的声谐振器10经受谐振频率下的声压局部变化，使得沿着中心轴X在空腔113长度方向上的各个位置处出现具有不同声压的区域。也即，针对谐振频率，在空腔113长度方向上的两个或更多位置处出现具有不同声压的区域。换句话说，谐振频率不会在声压分布中固定恒定的声压，而是会在空腔113长度方向上的各个位置处经受波动的声压。本发明的发明人进行过测量，来确定谐振频率是否在空腔113长度方向上的各个位置处经受波动的声压。在说明书的稍后部分将对测量结果进行说明。
在由具有一个开口端的管部件11构成的声谐振器10中，空腔113的长度L需要减少谐振频率的波长λc的四分之一。换句话说，空腔113的长度L需要增加，以降低谐振频率。为了消除这一缺陷，本发明的发明人引入了前述的声谐振器10结构，其由包含阻力部件12的管部件11构成，从而展示了增大微粒速度同时降低声压而不增加整体尺寸的效果。发明人已经确认，这种效果在低频范围能够得到显著增强。
发明人在将阻力部件12适用于管部件11时准备了各种类型的声谐振器，这些声谐振器具有不同的参数和尺寸；然后，发明人针对谐振频率和损耗因子对声谐振器进行了测量。
基于下述前提进行测量。首先，对每个声谐振器采用相同结构的管部件11。根据计算，管部件11的尺寸被确定为能够获得223Hz的谐振频率，其中L＝380mm。使用布置在与中心轴X一致的开口端111中心处的微粒速度传感器来测量微粒速度。在频率范围为10Hz到500Hz的从开口端111入射的声波下，微粒速度传感器测量不同频率下的微粒速度。应用半带宽方法，使用微粒速度的测量结果来计算损耗因子g。具体来说，测量微粒速度低于峰值3dB时的频率f1和f2，然后，用f1-f2的差除以第一模式谐振频率f0，从而得到损耗因子g。损耗因子g表示微粒速度峰值周围的频率特征的陡直程度(sharpness)，其中损耗因子g的较小值表示更陡直的频率特征。
图6是示出了针对各种类型的声谐振器测量的微粒速度频率特征图，其中横轴表示频率[Hz]而纵轴表示微粒速度[m/s/Pa]，基于在开口端111入射的声波的声压进行缩放。图7是示出了关于各种类型声谐振器的第一模式谐振频率f0和损耗因子g的视图，其中横轴表示声谐振器的类型，纵轴表示第一模式谐振频率[Hz]和损耗因子g。谐振频率f0由实线连接的黑点绘出，而损耗因子g由点线连接的白点绘出。图6示出了简单地由图4所示管部件11构成的声谐振器的测量结果、图1所示声谐振器10的测量结果、以及图8中对比声谐振器的测量结果，其中在图8的对比声谐振器中管部件11包含具有圆柱形状的聚氨酯泡沫12U(用作阻力部件)。图8示出了声谐振器300在开口端111处的垂直于中心轴X的横截面，以及声谐振器300在沿着中心轴X的平面上的纵向截面。长度l0＝30mm的聚氨酯泡沫12U置于管部件11中，用于完全封闭声谐振器300中的开口端111。除了简单由管部件11构成的声谐振器以及阻力部件12的长度l0＝30mm的声谐振器10的测量结果之外，图7还示出了对比声谐振器300的两组测量结果(其中l0＝30mm以及l0＝10mm)。
图6示出，对于由管部件11的单一单元简单构成的声谐振器，微粒速度在近似220Hz处取得峰值。导致微粒速度峰值的频率代表声谐振器的谐振频率。在对应于第一模式谐振频率的驻波中，微粒速度在开口端111的位置处最大。图7示出管部件11的损耗因子g在0.02处非常低。图6示出了在微粒速度峰值频率附近非常陡直。对于管部件11，谐振频率的实际测量值等于计算得到的谐振频率，其中接近其峰值的微粒速度高值出现在较小的频率范围内。对于声谐振器300(其中l0＝30mm)，微粒速度在约300Hz处取得峰值。也即，其开口端111被阻力部件12U封闭的声谐振器300，可以将谐振频率移至高频范围，同时损耗因子g接近相对高值0.2。即，声谐振器300具有宽频率范围内的微粒速度峰值，同时微粒速度的峰值相对较低。这表明在谐振频率处的声压降低效果和微粒速度增加效果方面，声谐振器300比简单由管部件11构成的声谐振器要差。图7示出了声谐振器300(其中l0＝10mm)相比声谐振器300(其中l0＝30mm)在将谐振频率移至高频范围的效果上以及提高损耗因子g的效果上在操作上受到抑制；不过其谐振频率高于简单由管部件11构成的声谐振器。
图6示出了声谐振器10的微粒速度在约170Hz处取得峰值，这表明声谐振器10的谐振频率低于管部件11的谐振频率，而微粒速度的峰值与管部件11的相等。这表明声谐振器10与管部件11在谐振频率处的声压降低效果和微粒速度增加效果上一致。图7示出声谐振器10的损耗因子g近似为0.1，这高于管部件11的损耗因子g。同管部件11相比，声谐振器10在较低的谐振频率处和较宽的频率范围内取得微粒速度的峰值。也即，声谐振器10能够可靠地展示声压降低效果和微粒速度增加效果。
与管部件11相比，声谐振器10能够增强与谐振频率和频率范围有关的声压降低效果和微粒速度增加效果。
发明人通过改变声谐振器10的阻力部件12的长度l0来测量第一模式谐振频率l0和损耗因子g。图9是示出了针对阻力部件12长度l0的各个值的第一模式谐振频率f0(由实线连接的黑点绘出)和损耗因子g(由白色方形标记绘出)的视图。在图9中，横轴代表阻力部件12的长度l0，左侧纵轴代表第一模式谐振频率f0，右侧纵轴代表损耗因子g，其中声谐振器10的长度L被设为480mm。
图9示出了随着阻力部件12变得更大，声谐振器10的谐振频率移至较低频率范围。声谐振器10在不具有阻力部件12的情况下(其中l0＝0mm)具有约175Hz的谐振频率，而在具有阻力部件12的情况下(其中l0＝262mm)谐振频率降至90Hz。另外，随着阻力部件12的长度l0增加，损耗因子g趋于增大。不包括阻力部件12(其中l0＝0mm)的管部件11具有约0.02的损耗因子g，而在包括阻力部件12时(其中l0＝262mm)损耗因子g增至约为0.3。这表明随着阻力部件12的长度l0增加，移至较低频率范围的谐振频率的偏移值增大，损耗因子g也增大。
发明人研究了谐振频率f0和损耗因子g针对阻力部件12的长度l0发生变化的原因，见图10。图10是声谐振器10的开口端111平面图，例示了声谐振器10中发生的声学现象。
在管部件11中，平面波沿着中心轴X传播，使得声压可以在垂直于中心轴X的横截面方向上均匀分布。相反，图10所示的声学现象发生在声谐振器10中，其中阻力部件12安装在管部件11的空腔113中，阻力部件12包括高阻区域T1和低阻区域T2。在空腔113内侧，声波在长度方向上从开口端111传播至封闭端112，传播经过高阻区域T1的声波的传播速度低于传播经过低阻区域T2的声波的传播速度，这是因为高阻区域T1阻碍了空气微粒的运动。由于高阻区域T1和低阻区域T2之间在传播速度上的差异，传播经过区域T1和T2的声波的波阵面会出现相位差。相位差导致声波波阵面在高阻区域T1和低阻区域T2交界处的横截面平面(垂直于中心轴X)上出现不连续；这会导致新的空气微粒流来抵消相位差。随后，新的空气微粒流会在图10中箭头方向上导致声波的能量流动，从而由于声波之间的相互干涉而导致声能量损耗。总之，发明人已计算出高阻区域T1和低阻区域T2之间的相互关系，允许与垂直于中心轴X的横截面平面平行的空气运动。
在高阻区域T1和低阻区域T2的每一个中，由于进入的声波(在从开口端111到封闭端112的方向上传播)和反射声波之间的重叠现象，在空腔113的长度方向上出现驻波。在声谐振器10中，阻力部件12布置在与出现在空腔113中的驻波的微粒速度分布的波腹相对应的特定区域。由于阻力部件12布置在使得空气微粒主动运动的特定区域，还会增强上述声学现象。另外，(在空腔113内延伸的)阻力部件12的长度尺寸和高阻区域T1的宽度尺寸(即阻力部件12的厚度)会显著影响声能量损耗。由于上述声学现象，声谐振器10可以在将谐振频率f0显著偏移至低频范围的同时增大损耗因子g。这可以在图6和图7的测量结果中得到确认。
本实施例采用聚氨酯泡沫作为阻力部件的材料，不过还可以采用其它能够可靠阻碍空气微粒运动同时增大对空气微粒运动的阻力的材料。聚氨酯泡沫是开口多孔材料的一个示例，还可以采用其它开口多孔材料，如树脂泡沫。在此，开口多孔材料具有开口的结构，其中各个单元彼此互连以允许空气在其间流动(或空气循环)。或者，可以至少部分采用封闭多孔材料，其中封闭多孔材料具有封闭结构，其中各个单元彼此独立。阻力部件12并不必须由具有多个开口的多孔材料构成，因此能够采用针对声波起到多孔结构作用的其它材料。例如，可以采用玻璃棉，其中玻璃纤维彼此纠缠以起到多孔结构的作用。或者，可以采用布材料(其中将布织在一起)、非织布材料、和金属纤维板。另外，可以采用金属(铝泡沫、金属纤维板)、木制材料(如木尖、木片)、纸(如木纤维、纸浆纤维)、玻璃(如微穿孔板(MPP)、微气孔板、其它通过蚀刻形成微气孔的玻璃材料)、和植物/动物纤维(如牛毛毡、回收毡、羊毛、棉花、非织纤维物、布、合成纤维、木屑、纸材料)。如上所述，阻力部件12可以由允许空气循环并阻碍空气微粒运动的各种材料构成。在阻力部件12中，高阻区域T1围绕低阻区域T2，这确保了管部件11的外部空间和空腔113之间通过第一表面121和第二表面122进行空气交流。这样，进入的声波穿过空腔113在图2箭头方向C上向高阻区域T1内传播，反射波在相反方向上传播。
发明人对与管部件11长度方向上的位置相关联的谐振频率(由于声谐振器10的空腔113的谐振)下的声压变化进行了测量。使用声谐振器10的一个样本进行测量，其中管部件11具有40mm的直径；空腔113的长度L为380mm；阻力部件12具有长度l0为30mm的圆柱形状；并且阻力部件12由厚度为10mm的聚氨酯泡沫构成。在此，阻力部件12安装在管部件11中，阻力部件12的一端与管部件11的开口端111对齐。
图11是示出了与表1结合的声谐振器10上述样本进行测量的结果的视图，其中横轴代表在空腔113长度方向上从开口端111测量得到的管长度位置[mm]，纵轴代表第一模式谐振频率f0下的声压[dB]，第一模式谐振频率f0被设置为195.75Hz。初始管长度位置设置为与开口端111对应的0mm，最后的管长度位置设置为与封闭端112对应的380mm。通过如下方式进行测量：发射(在195.75Hz下具有特定声压的)测量声波的扬声器定位在距离声谐振器10的开口端111一米处；然后，在管部件11的空腔113中高阻区域T1中的每个测量位置处布置麦克风，从而测量每个测量位置处声压。
表1
  管长度位置[mm]   声压[dB]
  380   115.03
  335   115.2
  290   114.55
  245   114.82
  200   113.52
  155   112.38
  110   110.68
  65   107.12
图11和表1清楚表明了一种趋势，即随着在空腔113的长度方向上管长度位置增大以远离开口端111，测量得到的声压也增加。在声谐振器10的谐振模式下，空腔113显然包含使得谐振频率下声压在长度方向上变化的区域。公知单一单元的管部件11经受使得在谐振频率下发生声压变化的谐振现象。由于谐振现象，针对空腔113内部的管长度位置产生谐振频率下的声压变化。
如上所述，由于阻力部件12被适当布置在管部件11的空腔113中，声谐振器10能够相比管部件11降低谐振频率，其中管部件11的内径(或者圆柱形空腔113的直径)小于管部件11的长度(或空腔113的长度)。如图1、图2所示，阻力部件12布置在管部件11内侧的方式使得在具有阻力部件12的空腔113在长度方向上的特定横截面处低阻区域T2被高阻区域T1围绕。通过这种结构，能够增强低频范围内的微粒速度增加效果和声压降低效果，而不增大声谐振器10的整体长度。考虑到受限的空间有利于噪声抑制结构，本实施例的有利之处在于，声谐振器10相比之前由单一单元的管部件11构成的声谐振器能够减小尺寸，从而展示了自由度上的便利。本实施例能够提供期望的声谐振器10的示例，其展示了在约160Hz处的吸声效果；例如，该声谐振器10的开口端111的直径设置为40mm，空腔113的长度设置为480mm。与前述Helmholtz谐振器相比，本实施例在尺寸上仅需要三分之一的体积。与前述Helmholtz谐振器不同，本实施例的声谐振器10几乎不会构成对周围部件的引起麻烦的干扰。
2、第二实施例
在第一实施例中，阻力部件12的高阻区域T1沿着管部件11的内表面布置，从而在具有阻力部件12的管部件11的空腔113的特定横截面处围绕低阻区域T2。前述声学现象发生在具有阻力部件12的空腔113的横截面处，在该横截面处高阻区域T1邻接低阻区域T2，从而展示了谐振频率上的声压降低效果和微粒速度增加效果。
图12A至图12D、图13A和图13B、图14A和图14B示出了根据本发明第二实施例的适用于声谐振器10的各种结构，其中这些视图是沿着包含中心轴X的平面截取的纵向截面图。
图12A示出了在阻力部件12中改变了高阻区域T1和低阻区域T2的位置。如例示了管部件11的开口端111的图12A左侧所示，对阻力部件12进行了修改，使得在具有阻力部件12的空腔113在长度方向上的横截面上，高阻区域T1被低阻区域T2围绕。具有高阻区域T1的阻力部件12需要被特定的固定结构(未示出)支撑，以不妨碍所述声学现象。适用于阻力部件12的固定结构不必由管部件11支撑，而是可以由有利于第二实施例的声谐振器10的侧壁等支撑，其中阻力部件12需要以支撑在半空的方式支撑在管部件11的空腔113内侧。
图12B示出了次级阻力部件121布置在声谐振器10的管部件11的空腔113外部。次级阻力部件121被布置成与管部件11的开口端111相对。次级阻力部件121可以由诸如侧壁的外部结构支撑，或者可以由管部件11支撑。由于声波在开口端111处以不同的方向入射(见图12B的箭头)，取决于声波是否穿过阻力部件12和121而产生两个声波流，从而使得声波的传播速度出现偏移。这使得前述声学现象以将谐振频率移至低频范围。图12C示出了阻力部件12的形状和尺寸沿着中心轴X在长度方向上变化。具体来说，阻力部件12的横截面尺寸从开口端111到封闭端112在长度方向上逐渐减小。阻力部件12可以从管部件11的开口端111部分伸出。当然，阻力部件12不必需从管部件11的开口端111中伸出。另外，阻力部件12的横截面尺寸不必规律地沿着中心轴X在长度方向上变化。
管部件11不必具有同开口端111相对的封闭端112。图12D示出了管部件11的两端均封闭、同时在管部件11靠近其封闭端的侧面部分的特定位置形成开口端111A。在这种结构中，当在管部件11中出现驻波时，第一模式谐振频率下的微粒速度在管部件11的空腔113长度方向上的中间区域取得最大值。当另一阻力部件12的单元在空腔113长度方向上的中间位置处附着在管部件11的内表面上时，会发生前述声学现象。
管部件11不必具有直线形状以形成沿一个方向延伸的空腔。图13A示出了管部件11弯曲折叠以在其中形成U形空腔。由于管部件11进行折叠以包含U形空腔，能够减小一个方向上的直线长度，从而改善了自由度上的便利。图13B示出了不同于直线形的弯曲形状的管部件11。在此，管部件11的折叠形状能够自由地设置图13A中折叠部分的数量和折叠方向，同时管部件11的弯曲形状能够自由地设置图1B中弯曲部分的数量和弯曲方向。
基本上，声谐振器10被设计为，管部件11在连接垂直于长度方向的横截面的中心点的中心轴X上延伸以使空腔113变直。当空腔113弯曲时，各个横截面的中心点的连线可以在中心轴X的切线方向上弯曲。优选地，管部件11的弯曲形状针对空腔113内侧的全部横截面具有固定的面积尺寸，从而使得进入的声波和反射声波之间在传播路径之差(或光程差)处在公差范围内。
在管部件11的空腔113中，低阻区域T2不必在垂直于沿着中心轴X的长度方向的横截面上被高阻区域T1围绕。图14A示出了阻力部件12延伸并附着在管部件11的内侧表面上，使得高阻区域T1近似占据管部件11横截面上的下半部面积(见示出了开口端111的图14A左侧图示)，其中高阻区域T1部分围绕低阻区域T2。在图14A中，阻力部件12从长度L＝l0的空腔113的一端延伸至另一端，同时可以缩短的阻力部件12的长度l0(L＞l0)。高阻区域T1不必在管部件11垂直于中心轴X的横截面上邻接低阻区域T2。图14B示出了管部件11的开口端111完全被阻力部件12封闭，其中高阻区域T1在管部件11垂直于中心轴X的特定横截面上部分包含低阻区域T2，从而允许低阻区域T2在朝向封闭端112的方向上与空腔113的内部空间连通。在此，本实施例允许阻力部件12在管部件11的特定部分封闭空腔113。
3、第三实施例
前述实施例被设计为开口端111具有圆形形状，而管部件11的横截面沿着中心轴X具有圆形形状；但这并非限制。图15A和15B示出了适用于根据本发明第三实施例的声谐振器10的开口端111的形状以及管部件11的横截面的变型。
图15A示出了适用于管部件11的阻力部件12的四种形状和排列变型，其中开口端形成为矩形(或正方形)。第三实施例可以部分采用第二实施例中高阻区域T1和低阻区域T2之间的位置关系。在图15A左上部的图示中，在安装于管部件11内的阻力部件12中，低阻区域T2被高阻区域T1围绕。在图15A的右上部的图示中，在安装于管部件11内的阻力部件12中，高阻区域T1被低阻区域T2围绕。在图15A左下部的图示中，高阻区域T1具有减小的尺寸并且附着在管部件11内表面的一侧上，其中高阻区域T1被低阻区域T2围绕。在图15A右下部的图示中，阻力部件12分成两个部分并附着在管部件11内表面的相对侧上，其中低阻区域T2夹在两个高阻区域T1之间。
图15A示出了布置在管部件11内从而形成具有矩形形状(或正方形)的低阻区域T2的阻力部件12，其中能够修改声谐振器10以使得管部件11的横截面形状与高阻区域T1和低阻区域T2的横截面形状不同。
图15B示出了管部件11形成为六方柱形状，其中高阻区域T1和低阻区域T2的横截面形状被调整为与管部件11的空腔113的六边形横截面区域一致。在此情况下，能够将多个“六边形”声谐振器堆在一起，如图16B所示。
这些形状的变型为例示性而非限定性；因此，可以采用其它形状，例如具有多个顶点的多边形状。另外，阻力部件12的形状不必与管部件11的横截面形状一致；因此，可以采用圆形、矩形封套形、蜂巢形、和网格形。此外，单个声谐振器可以包括多个具有不同阻力部件排列的管部件。
管部件11的沿着中心轴X垂直于长度方向的全部横截面不必确保相同的形状和尺寸。声谐振器10的外壳(即管部件11)的形状不必限制于管形，而是可以形成为其它形状，如矩形封套形。总之，声谐振器10的外壳可以使用各种展示声学特性的结构来形成，每种形状需要包含在一个方向上延伸的空腔以及允许空腔与外部空间连通的开口端。
4、第四实施例
在前述实施例中，使用管部件11的单一单元来形成声谐振器10；但还可以采用组装起来的多个单元来形成声谐振器。图16示出了从开口端看去的根据本发明第四实施例的声谐振器。通过组装多个谐振单元100来形成第四实施例的声谐振器，每个谐振单元100都在垂直于图16二维纸面的竖直方向上三维延伸。每个谐振单元100均由外壳11a和阻力部件12a构成，并且在横截面上类似地形成“矩形”U形。阻力部件12a啮合在外壳11a内侧，使得阻力部件12a的外表面附着在外壳11a的内表面上。具有阻力部件12a的外壳11a延时钟方向旋转90度，从而使其开口侧在图16中指向右方。具体来说，多个谐振单元(在图16中从左到右用数字标记为100-1、100-2……100-n，其中“n”是不小于2的整数)组合起来通过其开口侧邻接。外壳11a具有装配部分114a，其夹持下一外壳11a的封闭侧(或突出部分)；因此，多个谐振单元100通过其装配部分114a顺次连接在一起。这里，外壳11a的开口侧被下一外壳11a的封闭侧封闭，从而形成被U形阻力部件12a围绕的空腔113a，以展示谐振现象。优选地，谐振单元100需要紧密连接在一起，从而不会轻易地手动分离开。在此，外壳11a的空腔113a具有一个开口端和相对的封闭端。
在组合“n”个谐振单元100时，可以形成“n-1”个空腔113a，从而得到“n-1”个声谐振器。这里，可以使用一个或两个谐振单元100来形成一个空腔113a，同时可以使用三个或更多外壳11a形成多个空腔113a。在此，可以使用开口侧被侧壁或其它部件封闭的单个谐振单元100。
图16示出了具有“矩形”U形状的外壳11a，可以变为“圆形”U形状，其中可以为外壳11a和阻力部件12采用各种形状。或者，外壳11a可以重构为具有多个开口侧，使得多个谐振单元100可以在多个方向组合起来。
5、第五实施例
为了在宽频率范围内取得谐振效果，需要将多个具有不同谐振频率的谐振器对准。能够实现不同谐振频率的多个具有不同长度的谐振管可以对准来取得宽频率范围内的谐振效果。或者，可以将多个声(前述实施例中描述的)谐振器统一来增强声压降低效果和微粒速度增加效果。
图17是根据本发明第五实施例的声谐振器的纵向截面图。第五实施例的声谐振器包括多个谐振单元(每个均对应于前述实施例的声谐振器10)，所述多个谐振单元统一起来使其开口端111和封闭端112分别邻接在一起。图17示出了5个谐振单元10b-1至10b-5，其由具有不同长度的管部件11-1至11-5以及阻力部件12-1至12-5构成，形成不同的空腔长度。具体来说，阻力部件12-1至12-5的长度按照谐振单元10b-1至10b-5的次序逐渐增大。全部谐振单元10b-1至10b-5均具有相同的基本构成。考虑图6的测量结果，谐振频率按照谐振单元10b-1至10b-5的次序逐渐降低，从而取得宽频率范围内的声压降低效果和微粒速度增加效果。第五实施例通过简单改变每个管部件的空腔长度来改变谐振频率；换句话说，第五实施例不需要在制造不同尺寸的每个管部件时进行麻烦的设计。为此，第五实施例在制造成本和设计简化上具有优势。由于每个管部件具有相同长度，第五实施例展示了良好的艺术设计。另外，通过简单地用期望的阻力部件来替换每个阻力部件，能够容易地改变谐振频率。
6、第六实施例
在前述实施例中，阻力部件12相对声谐振器10中管部件11的开口端111进行定位，这是由于驻波出现时第一模式谐振频率下的微粒速度分布的波腹靠近开口端111；但这不构成限制。发明人已经注意到谐波陪音，其波腹与第一模式谐振频率下的驻波波腹不同。图18A示出了驻波在第二模式谐振频率下的微粒速度分布中出现两个波腹，其中这些波腹分别出现在开口端111(即初始管长度位置)和L×2/3管长度位置处(从开口端111测量)。这表明可以通过在开口端111和L×2/3管长度位置处设置两个阻力部件12来降低第二模式谐振频率，上述两个位置与微粒速度分布的两个波腹一致。图18B示出了驻波在第三模式谐振频率下的微粒速度分布中出现三个波腹，其中这些波腹分别出现在开口端111、L×2/5管长度位置和L×4/5管长度位置处。这表明可以通过在开口端111、L×2/5管长度位置和L×4/5管长度位置处设置三个阻力部件12来降低第三模式谐振频率，上述三个位置与微粒速度分布的三个波腹一致。关于谐波陪音，可以通过简单地在微粒速度分布的波腹处设置阻力部件来将其谐振频率降至低频范围。
当然，还可以在其它与微粒速度分布的波腹无关的位置处设置阻力部件12。尽管更高的微粒速度能够显著增强前述声学现象以改善损耗因子和偏移谐振效应的效果，将阻力部件12放置在其它位置也会贡献于上述声学现象的产生。
7、变型
可以通过如下各种方式来进一步修改前述实施例。
(1)前述实施例涉及这样一种声谐振器，其外壳是具有与封闭端相对的开口端的“封闭”管部件，然而还可以采用两端均开口的“开口”管部件。由于开口管部件的第一模式谐振频率具有二倍于空腔长度(限定在相对的开口端之间)的较长波长，开口管部件需要在长度上增加以实现与封闭管部件相同的谐振频率。然而，声学现象是通过阻力部件产生的，因此可以通过并入阻力部件来实现损耗因子和将谐振频率移至较低频率范围的效果。
(2)在前述实施例中，低阻区域T2是不具有阻力材料的空空间，然而可以用阻力材料填充低阻区域T2。在此情况下，低阻区域T2的阻力材料需要在阻抗上低于阻力部件的高阻区域T1，从而导致前述声学现象。另外，高阻区域T1不必由单一阻力材料构成；也即，高阻区域T1可以由多种阻力材料构成。在此情况下，高阻区域T1可以随距离低阻区域T2的距离成比例逐渐增加。或者，高阻区域T1可以由阻力成阶梯形式或连续形式变化的单一阻力材料构成。
(3)优选使得微粒速度分布的波腹区域处的阻力相对其它区域增大(最大化微粒速度)。这里，使用前述微粒速度传感器来直接测量波腹区域的微粒速度，不过还可以通过其它方法来测量。例如，可以使用麦克风测量声谐振器内每个测量位置处的声压，从而基于测量得到的声压来计算微粒速度。公知可以通过将平面传播波的声压除以微粒速度来计算出介质的特征阻抗。这表明可以基于已知的声压值和特征阻抗(或阻力)来明确计算出微粒速度。考虑图18A和图18B所示的声学属性，可以基于管长度和管部件是否在一端或两端开口的条件来计算谐振频率，从而在理论上估计微粒速度分布的波腹。在此，可以使用已知的测量设备来实际测量管部件空腔中每个测量位置处的阻力。由于按照阻力材料的类型和密度而具有不同的阻力，可以不必实际测量阻力，而可以通过指定类型的各个区域处的阻力和阻力材料的密度之间的已知关系来进行估计。
(4)前述实施例的声谐振器可以布置在各种类型的声室中，例如隔音室、大厅、剧场、配备音频设备的试听室、会议室、运输系统和车辆的隔间、以及扬声器和乐器的外壳。具体来说，声谐振器可以嵌入在室内的复壁或地板内侧。声谐振器可以安装在(容纳人的)小屋、机房、交通工具(如飞机、船、汽车、和空间站)的行李舱中。声谐振器可以应用于用来削弱内部空间谐振的头戴耳机、耳机和助听器。声谐振器可以安装在建筑和车辆的管道和通风系统中。声谐振器可以安装在机车的进气/排气管道中。也即，声谐振器用于改善各种房间和空间内的安静/静度。
(5)声谐振器的开口需要布置来相对具有空间特定自然频率的自然振荡的波腹来降低声压。这使得能够可靠降低除了自然振荡波腹之外的任何位置处的声压，从而降低空间中的噪声等级。一般而言，自然振荡发生在特定空间的声场中，其中进入的声波彼此重叠同时重复进行反射、吸收和衍射。特别地，发明人已经发现，声压分布的驻波出现在导致(在频率轴上显著隔离出的)特定自然频率的自然振荡的空间中的特定位置处，并且该特定位置处的声压显著影响整个空间的安静/静度。通过降低波腹位置处的声压或者增大微粒速度，能够降低自然振荡中的声压幅度，从而有效降低空间中低频范围内的噪声等级。
最后，本发明不限于前述实施例和变型。在权利要求所限定的本发明的保护范围内，前述实施例和变型可以各种方式适当组合起来或者进行进一步修改。

Claims (11)

1.一种声谐振器，包括：
管部件，其具有至少一个开口端并且包含空腔；以及
阻力部件，所述阻力部件以预定长度插入所述管部件中，所述预定长度小于所述管部件的空腔的整体长度；
其中阻力部件包括高阻区域和低阻区域，从而针对管部件空腔中的介质微粒的运动呈现不同的阻力，并且在具有阻力部件的管部件的空腔的横截面中，高阻区域邻接低阻区域，并且
其中导致谐振频率处的声压发生变化的区域沿着长度方向布置在空腔内。
2.根据权利要求1的声谐振器，其中所述高阻区域在管部件的开口端同外部空间接触。
3.根据权利要求2的声谐振器，其中所述高阻区域的一端与管部件的开口端对齐，同时高阻区域的另一端布置在管部件的空腔内部的预定位置处，并且其中低阻区域在外部空间与管部件的空腔内的内部空间之间连通。
4.根据权利要求2的声谐振器，其中所述高阻区域由多孔材料构成。
5.根据权利要求2的声谐振器，其中所述低阻区域在外部空间与管部件的空腔内的内部空间之间连通。
6.根据权利要求2的声谐振器，其中所述高阻区域包含驻波的微粒速度分布的波腹区域，其中在谐振频率下在管部件的空腔中产生所述驻波。
7.根据权利要求6的声谐振器，其中所述高阻区域从管部件的开口端延伸至所述波腹区域。
8.根据权利要求2的声谐振器，其中所述高阻区域附着在管部件的内表面上，使得高阻区域在具有阻力部件的管部件的空腔的横截面上围绕低阻区域。
9.一种包括声谐振器的声室，所述声谐振器包括：管部件，其具有至少一个开口端并且包含空腔；以及阻力部件，所述阻力部件以预定长度插入所述管部件中，所述预定长度小于所述管部件的空腔的整体长度；其中阻力部件包括高阻区域和低阻区域，从而针对管部件空腔中的介质微粒的运动呈现不同的阻力，并且在具有阻力部件的管部件的空腔的横截面中，高阻区域邻接低阻区域，并且其中导致谐振频率处的声压发生变化的区域沿着长度方向布置在空腔内。
10.根据权利要求9的包括声谐振器的声室，其中所述高阻区域的一端与管部件的开口端对齐，同时高阻区域的另一端布置在管部件的空腔内部的预定位置处，并且其中低阻区域在外部空间与管部件的空腔内的内部空间之间连通。
11.根据权利要求9的包括声谐振器的声室，其中所述高阻区域包含驻波的微粒速度分布的波腹区域，其中在谐振频率下在管部件的空腔中产生所述驻波。
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