CN102682759B - 具有共振吸声结构的多层吸声尖劈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有共振吸声结构的多层吸声尖劈，包括尖劈本体和刚性基座，所述尖劈本体为三层式吸声无骨架结构，从顶端纵向向下依次为阻抗匹配层，声耗散层和穿孔板；在所述穿孔板和刚性基座之间有一个空腔，所述穿孔板、空腔和刚性基座构成了共振吸声结构。本发明通过把尖劈截面积由小变大和多层吸声材料的特性阻抗由小到大梯度渐变这两种阻抗渐变的原理相结合，突破了吸声尖劈的总长度须为截止频率波长的四分之一的限制，在保证较低的截止频率的同时，可以显著地减少吸声尖劈的长度、空间体积和质量，节约建造消声室的成本；同时，该吸声尖劈具有共振吸声结构，可以显著地改善吸声尖劈的低频特性，且可根据不同的声源特性来设计，从而提高了设计的灵活性。

Description

具有共振吸声结构的多层吸声尖劈

技术领域

本发明涉及一种吸声尖劈，具体地说是一种具有共振吸声结构且由多层吸声材料按照特性阻抗由小到大梯度渐变的原则组合而成的吸声尖劈。

背景技术

消声室是声学实验所使用的专业实验室，可以对产品进行噪声测量和声学特性测量，其在汽车、航空航天、家用电器、计算机和通信、工业产品等领域具有广阔的应用。在对声波特性进行测量时，消声室需要建立一个自由声场空间，即在这个空间内，传播声波的介质均匀地向各个方向无限延伸，使声源辐射的声能“自由”传播，即无障碍的反射，也无环境噪声的干扰。为了达到所述要求，消声室需要在室内各界面上配置强吸声材料，使入射于界面的声波在一定的频率范围内几乎被完全吸收；目前，消声室中最为常用的吸声材料配置方式为吸声尖劈。

传统的吸声尖劈一般由尖劈（尖部）和连接尖劈的基座（基部）两部分组成，一般3个尖劈与基座组成一个单元，根据现场设计要求，可采用多个单元。吸声尖劈一般吊挂在屋顶或四壁，其背后与墙壁应留有一定空腔（约为0.05～0.1m），以提高低频的吸声性能。目前普遍使用的吸声尖劈为玻璃棉尖劈，即用直径3.2-3.5mm的钢丝制成一定形状和尺寸的骨架，外层套上玻纤布、塑料窗纱等罩面材料，内部填充玻璃棉或者其他吸声材料等，这是传统吸声尖劈的做法，特点是手工制作容易、材料成本和加工成本低，缺点是大型尖劈容易变形、内部玻璃纤维容易外溢，不适于工业化批量生产且不容易安装。

为了更加适合工业化批量生产和外表美观，北京科奥声学技术有限公司公开了一种金属孔板吸声尖劈【专利申请号：201010266269.6】，这种吸声尖劈无须骨架，不易变形，外表美观，适合工业化生产。但是这种吸声尖劈的强吸声原理和传统吸声尖劈类似，即根据截面积由小变大的阻抗渐变的原则，从吸声尖劈的尖部到基部，声阻抗从空气的特性阻抗逐步过渡到吸声材料的特性阻抗，由于填充的是单一吸声材料，为了实现完全的阻抗匹配达到很好的吸声性能，要求吸声尖劈的总长度（等于吸声尖劈的高度和基部空腔深度之和）须为截止频率波长的四分之一。因此不可避免的存在下列缺陷：第一，为了保证较低的截止频率，这类吸声尖劈的长度依然很长，例如，其与传统吸声尖劈类似，当吸声截止频率为120Hz时，该吸声尖劈的总长度约为700mm；当吸声截止频率为50Hz时，该吸声尖劈的总长度高达1700mm，因此在安装消声室时占用了大量的空间，使有效的测试空间大大减小；第二，由于吸声材料要填满整个填充空间，这类吸声尖劈的质量一般比较重，一方面给运输和安装的带来不便；另一方面，增加了建筑壁面的负荷，需要结构强度很强的壁面才能支撑这类吸声尖劈，提高了建造消声室的成本；第三，这类吸声尖劈单纯依靠增加吸声尖劈的长度和空腔深度来提高低频特性，结构设计较为单一，不够灵活。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种具有共振吸声结构的多层吸声尖劈。通过把截面积由小变大（尖劈结构）和多层吸声材料的特性阻抗由小到大梯度渐变这两种阻抗渐变的原理相结合，突破了吸声尖劈的总长度须为截止频率波长的四分之一的限制，在保证较低的截止频率的同时，能够显著减少吸声尖劈的长度、空间体积和质量，节约建造消声室的成本；同时，该吸声尖劈具有共振吸声结构，可明显改善吸声尖劈的低频特性，其板厚、孔径和穿孔率以及空腔的深度、个数可以根据不同的声源特性来设计，从而提高了设计的灵活性。

本发明为实现其目的所采取的技术方案：具有共振吸声结构的多层吸声尖劈，包括尖劈本体和刚性基座，所述尖劈本体为无骨架结构，由若干层特性阻抗和截面积由小到大梯度渐变的吸声材料组合而成，从顶端纵向向下依次为阻抗匹配层，声耗散层和穿孔板；在所述穿孔板和刚性基座之间有一个空腔，所述穿孔板、空腔和刚性基座构成了共振吸声结构。

所述阻抗匹配层其吸声材料的特性阻抗在室温20℃下为418.6kg/m².s—458.6kg/m².s。

所述吸声材料由层状胶体材料或层状高分子微粒吸声材料构成。

所述层状胶体材料为层状气凝胶，所述层状高分子微粒吸声材料为PS微粒或PP微粒经高温压制而成。

所述声耗散层采用单层结构或若干层密度逐渐增大的结构，前者吸声材料采用玻璃纤维或吸音海绵；后者吸声材料采用层状多孔吸声材料或层状高分子微粒吸声材料。

所述层状多孔吸声材料为三聚氰胺泡沫、玻璃棉或矿物棉；所述层状高分子微粒吸声材料为橡胶微粒或PP微粒经高温压制而成。

所述穿孔板厚度为0.01mm～5mm，穿孔率为0.5%～20%，孔径为0.1mm～50mm。

所述空腔内用隔板分隔成子空腔或填充蜂窝夹层。

所述刚性基座至少设一个尖劈本体，所述尖劈本体呈平顶形、锲形或阶梯形。

本发明所述尖劈本体的各层吸声材料先用二倍厚度法测定其特性阻抗再结合最小二乘法进行各层吸声材料的厚度优化设计，也可直接利用声学软件VA one中Foam模块的Noise Control Treatment进行吸声系数的预测，通过调整各层厚度进行吸声性能的对比来进行厚度优化设计。所述穿孔板、空腔或蜂窝夹层和刚性基座形成的共振吸声结构可以根据声源特性，按照马氏理论灵活设计共振吸收峰的参数来提高吸声尖劈的吸声性能。

本发明有益效果体现在：

1、本发明将两种阻抗渐变的原理有机结合，突破了吸声尖劈的总长度须为截止频率波长的四分之一的限制，因而可以在保证较低的截止频率的同时，显著减少吸声尖劈的长度，使得整个吸声体的空间体积也大大减少，从而增加了消声室的有效测试空间；

2、本发明中，吸声尖劈用多层吸声材料按照特性阻抗渐变的原则组合而来，质量大大减轻，减轻了建筑墙面的负荷，从而降低了对建筑墙面的强度要求，节约了建造消声室的成本；

3、本发明中，构成吸声尖劈的多层吸声材料特性阻抗梯度变化等效于从尖端到基部密度由小到大变化，因为整个吸声尖劈不需要龙骨，结构稳定、不易变形；

4、本发明中的吸声尖劈由于空间体积和质量都大大减小，因而给运输和安装带来了方便；

5、本发明中，尖劈基部是穿孔板共振吸声结构，可以根据实际声源特性合理设计孔径与穿孔率、板厚等参数，提高吸声尖劈的吸声性能；

6、本发明中，吸声尖劈的共振结构空腔可以为一个或多个，或者填充蜂窝层夹层结构，可以根据声源特性按需设计，提高了设计的灵活性；

7、本发明在保证高的吸声性能的同时，可以是锲型、平顶型、阶梯型等，可作为空间吸声体，应用范围更加广泛。

附图说明

图1为本发明实施例一单尖吸声尖劈的立体示意图；

图2为本发明实施例一单尖吸声尖劈的A方向的剖面图；

图3a为本发明平顶形单尖吸声尖劈的剖面图；

图3b为本发明阶梯形单尖吸声尖劈的剖面图；

图3c为本发明锲形单尖吸声尖劈的剖面图；

图4为本发明实施例二双尖吸声尖劈的结构示意图；

图5为本发明实施例三双尖吸声尖劈的结构示意图；

图6为本发明实施例一中用VA one软件预测吸声尖劈中各层吸声材料取最佳厚度组合后的吸声性能。

图中标号：1、阻抗匹配层；2、声耗散层；3、穿孔板；4、空腔；5、刚性基座；6、尖劈本体；7、隔板；8、子空腔；9、蜂窝夹层；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

实施例一：

如图1～2为本发明实施例一所提供的结构示意图，图1为立体图，图2为图1中A方向的剖面图。

如图1、图2所示，本发明包括尖劈本体6和刚性基座5，尖劈本体6为无骨架结构，由若干层特性阻抗和截面积由小到大梯度渐变的吸声材料组合而成，从顶端纵向向下依次为阻抗匹配层1，声耗散层2和穿孔板3，三者可以通过压制或高温融合或者环保胶粘合起来，共同构成了具有多层结构的尖部。在穿孔板3和刚性基座5之间有一个空腔4。穿孔板3、空腔4和刚性基5构成了共振吸声结构。刚性基座5和穿孔板3之间用铆钉链接。

各层吸声结构的具体实施方案如下：

（1）第一层——阻抗匹配层，由空气特性阻抗在室温20℃下为418.6kg/m².s—458.6kg/m².s的胶体或高分子微粒吸声材料构成，如本例中第一层阻抗匹配层选用气凝胶（室温下特性阻抗为450kg/m².s）或高分子PS微粒、PP微粒等吸声材料经高温压制成的层状材料。

（2）第二层——声耗散层，可采用单层或多层结构，单层结构其吸声材料采用强吸声材料，比如玻璃纤维、吸音海绵等；多层结构采用密度逐渐增大的多孔吸声材料或高分子微粒吸声材料，如本例中第一分层采用三聚氰胺泡沫（密度为8.8kg/m³），第二分层采用轻玻璃棉（密度为16kg/m³），第三分层选用密度更大矿物棉（密度为50kg/m³）。

（3）各层吸声材料先用二倍厚度法测定其特性阻抗再结合最小二乘法进行各层吸声材料的厚度优化设计，也可直接利用声学软件VA one中的Foam模块的Noise ControlTreatment进行吸声系数的预测，通过调整各层厚度进行吸声性能的对比来进行厚度优化设计；如本例中，运用VA one仿真软件中的Foam模块的Noise Control Treatment预测频率为20Hz～10kHz时不同厚度组合的吸声性能，所得各层的最佳厚度为：第一层——阻抗匹配层：气凝胶～1cm，第二层——声耗散层：①三聚氰胺泡沫（密度：8.8kg/m³）～0.5cm；②轻玻璃棉（密度：16kg/m³）～15cm；③矿物棉（密度：50kg/m³）～1cm；总厚度仅为17.5cm,预测所得的仿真结果如图6所示，在频率为20Hz～10kHz范围内吸声系数均在0.9以上；

（4）第三层——穿孔板，可以采用不锈钢板、铝板、合金板、塑料板、木板、胶合板、石膏板、玻璃板或纸板等。其板厚、孔径、穿孔率设计，可根据马氏理论设计按照声源特性设计低频吸声性能较好的穿孔板结构；假设穿孔板的结构参数用下列字母表示：孔直径d、穿孔板厚度t、穿孔率p，本实施例一为单空腔的吸声尖劈，可参照下列步骤设计：

①对声源进行频谱分析，确定穿孔板吸声结构的共振频率f₀以及共振频率处的吸声系数α₀，由α₀通过式（1）求的相对声阻r₀:

②根据工程中空间限制条件，确定最大的穿孔板共振吸声结构的空腔深度D值，由空腔深度D值根据式（2）～（3）算出吸声系数为α₀/2时的低限频率f₁和高频极限频率f₂,再根据式（4）或者式（5）求出相对声质量m₀；

f₀ ²=f₁·f₂    （2）

$f_2-f_1=\frac{2\mathrm{\πD}{f_0}^2(1+r_0)}{c}---\left(3\right)$

$f_1=\frac{-(1+r_0)+\sqrt{{(1+r_0)}^2+4c(\frac{m_0}{D}+\frac{0.356}{c})}}{4\mathrm{\π}(m_0+\frac{0.356D}{c})}---\left(4\right)$

$f_2=\frac{(1+r_0)+\sqrt{{(1+r_0)}^2+4c(\frac{m_0}{D}+\frac{0.356}{c})}}{4\mathrm{\π}(m_0+\frac{0.356D}{c})}---\left(5\right)$

③由相对声阻r₀及相对声质量m₀，根据式（6）～（8）计算穿孔板常数x和孔径d,根据马氏理论，当板厚t和孔径d近似相等时，吸声性能最优，所以我们可以设定板厚t与孔径d相等（即d=t），根据式（9）及式（10）求出穿孔率p；

$\frac{k_r}{k_m}=0.5+0.1x+0.005x^2---\left(6\right)$

$\frac{r_0}{m_0}=\frac{500}{d^2}\frac{k_r}{k_m}---\left(7\right)$

$x=d\sqrt{\frac{f_0}{10}}---\left(8\right)$

$r_0=\frac{0.147t}{p{d}^2}---\left(9\right)$

$k_r={(1+\frac{k^2}{32})}^{1/2}+\frac{\sqrt{2}}{8}\frac{\mathrm{kd}}{t}---\left(10\right)$

其中k_r和k_m分别为穿孔板的声阻常数和声质量常数，通过步骤①～③完成整个穿孔板结构的设计，以上步骤可通过Matlab编程进行辅助计算。如假设某声源通过频谱分析，其主频在1000Hz，我们就可以设计一个共振频率为1000Hz，在频率为1000Hz处的吸声系数为0.95的穿孔板结构，假设空腔的最大深度D为20mm，通过Matlab编程计算，即可得到穿孔板的结构参数为：d=t=0.3421mm，p=0.4835%，D=20mm。

（5）在工程应用中，为了保证室内的美观和应用的灵活性，该吸声尖劈还可以做成锲型、平顶型、阶梯型等，如图3a-c所提供的另外几种单尖尖劈的A方向的剖面图。实施例二：

如图4所示为本发明实施例2所提供的结构示意图，与实施例1的吸声尖劈结构的区别在于，一个刚性基座上设有两个尖劈本体，且空腔用隔板8分成了6个子空腔，根据声学原理，将空腔细分可以进一步的拓宽吸声频带，提高吸声性能。

本实施例中的隔板可以采用与穿孔板相同的材质，可以是不锈钢板、铝板、合金板、塑料板、木板、胶合板、石膏板、玻璃板或纸板等，其板厚可以根据实际安装为定，约1～5mm；进一步说明的是，本发明实施例2中不限制子空腔的个数。

实施例三：

如图5所示为本发明实施例3所提供的结构示意图，与实施例1的吸声尖劈结构的区别在于，一个刚性基座上有两个尖劈结构，且空腔用蜂窝夹层填充，根据声学原理，填充蜂窝夹层也可以进一步地提高吸声性能。本实施例中的蜂窝夹层可以采用铝合金蜂窝层、玻璃钢蜂窝层或纸质蜂窝层等。

Claims (4)

1.具有共振吸声结构的多层吸声尖劈，包括尖劈本体（6）和刚性基座（5），其特征在于：所述尖劈本体（6）为无骨架结构，由若干层特性阻抗和截面积由小到大梯度渐变的吸声结构组合而成，从顶端纵向向下依次为阻抗匹配层（1），声耗散层（2）和穿孔板（3）；在所述穿孔板（3）和刚性基座（5）之间有一个空腔（4），所述穿孔板（3）、空腔（4）和刚性基座（5）构成了共振吸声结构。

2.根据权利要求1所述的具有共振吸声结构的多层吸声尖劈，其特征在于：所述的阻抗匹配层（1）吸声材料采用层状气凝胶构成。

3.根据权利要求1所述的具有共振吸声结构的多层吸声尖劈，其特征在于：所述的声耗散层（2）采用若干层密度逐渐增大的吸声材料组成。

4.根据权利要求1所述的具有共振吸声结构的多层吸声尖劈，其特征在于：所述穿孔板板厚度为0.01mm~5mm,穿孔率为0.5%~20%，孔径为0.1mm~50mm，空腔（4）内用隔板（7）分隔成子空腔（8）或蜂窝夹层（9）。