CN103226944A - 中低频隔声真空夹层板及其面板材料的选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于降噪技术领域，具体涉及一种中低频隔声真空夹层板及其面板材料的选择方法。现有隔声屏障或隔声板占用空间较大、重量较重以及当前真空夹层板面板材料主要为玻璃，以致真空夹层板使用范围和应用领域受限等问题。为解决现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种中低频隔声真空夹层板，包括两块平行且对齐放置的面板，两块面板中间夹层的边缘通过密封条隔离密封，所述面板采用碳素钢制作。该隔声真空夹层板的主要功能是针对中低频噪声的降噪，为降低低频段噪声这一难点提供了有效的手段，具有深远的工程意义和环保意义。而就如何选择真空夹层板面板材料的研究为真空夹层板的使用提供了更多的可能性，能够使隔声真空夹层板应用到更广泛的环境和领域当中。

Description

中低频隔声真空夹层板及其面板材料的选择方法

技术领域

本专利属于降噪技术领域，具体涉及一种中低频隔声真空夹层板及其面板材料的选择方法。

背景技术

噪声是指影响人们工作生活的声音，它是人们的一种主观感受，所以可以说只要是人们在某种情形下不需要或者不愿听到的声音都可以称为“噪声”。噪声对人的健康、对人们的工作、生活以及对设备仪器和建筑都具有很大的危害。首先，短时间处在强噪声的环境下，会引起人的双耳难受和头痛，若长期处在强噪声的环境下，则会造成永久性的听力下降，即噪声性耳聋，更严重的情况甚至会导致耳鼓膜破裂。同时噪声还会引起消化不良、心律不齐、眼花、内分泌紊乱、心情烦躁、易愤怒等症状。然后噪声会影响人们的睡眠，低噪声环境会影响人们的睡眠质量，产生多梦、失眠、脑胀等症状，而突发高噪声则会使人惊醒，从而导致精神衰弱。不仅如此，噪声还会影响人们的正常交流和工作，使人的注意力难以集中，导致易疲劳、反应迟缓，从而影响工作效率和办公正确率。再者，强噪声的声能量还可能导致电子仪器、元器件发生故障和损坏，也会引起建筑结构声疲劳现象，甚至对其造成断裂等严重破坏。由于噪声的危害如此之大，因此噪声污染与空气污染及水污染并称为世界三大公害。

随着现代工业化程度的不断提高，噪声污染日益加剧，对其防治和处理是非常必要的，而有效的降噪措施更是迫在眉睫。由于声学系统一般由声源、传声途径和接受者三个基本环节组成，因此降噪措施可以从这三个环节入手：1.声源控制是噪声控制中最根本和最有效的，依据声源产生噪声的机理，对其采取相应措施，尽量使噪声消除或者减少噪声的产生条件，降低声源辐射的声能。目前声源控制的主流办法有两种：一是通过设备结构的改进以及加工和装配质量的提高来降低声源的辐射功率。二是根据声波的吸收、反射、干涉等特性，采用吸声、隔声、减振等技术措施来控制声源的声辐射；2.传声途径中的噪声控制是最常用的方法，因为当产生噪声的物体已经造好后，要再从声源上进行控制便受到很大的限制了，但从噪声传播途径上控制却能获得明显的效果。这方面主要包括了隔声屏障、隔声间等隔声措施和吸声处理。在传声途径降噪的实质上就是增加噪声能量在传播路径上的衰减；3.噪声接受者处的噪声控制同样是一种重要手段，接收者可以是人，也可以是灵敏的电子仪器、元器件。对人来说，可以通过佩戴护耳罩或耳塞进行保护，或者在隔声间操作加以保护。对仪器设备来说，则可以采取隔声、隔振设计等手段加以保护。

隔声降噪技术作为应用最为广泛的噪声控制技术之一，其易于实现、性能稳定、降噪效果明显的优点得到了普遍的认可。但现有隔声板还存在着占用空间和增加重量较大以及隔声板材料选取复杂的不足，且隔声效果都还有提升的空间，同时加工不易，造价也不低。因此隔声技术仍需要进一步改善提高。真空技术的快速发展，真空夹层板的出现使隔声技术进入了一个全新的、更高的阶段。众所周知，声音的传播需要介质，也就是说，真空中是不能传播声音的。那么如何将真空技术应用到现有的隔声手段当中来更好的提高隔声效果则是一个很具有应用前景以及环保意义的课题。目前真空玻璃作为一种真空夹层板已经得到比较广泛的应用，它在隔声降噪方面的性能也得到了广泛的认可。但现阶段对真空夹层板的研究多限于对真空玻璃的研究与探索，对真空夹层板的应用重点也是放在隔热保温的应用领域中的，而对其它面板材料和真空夹层板在隔声性能上的表现研究甚少。由于玻璃是脆性材料，在造型上和制造方法上有很大的局限性，这使得真空夹层板使用范围上受到很大约束。为了让真空夹层板得到更广泛的应用，在更多的领域中发挥真空夹层板的有益影响，有必要对真空夹层板的隔声性能做更深入的研究，并根据该研究对其进行改善。同时应该将更多材料纳入到真空夹层板面板材料选择的考虑范围当中，并就如何选择真空夹层板的面板材料进行相应的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种中低频隔声真空夹层板及其面板材料的选择方法，以解决现有隔声屏障或隔声板占用空间较大、重量较重以及当前真空夹层板面板材料主要为玻璃，以致真空夹层板使用范围和应用领域受限等问题。

为解决现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种中低频隔声真空夹层板，包括两块平行且对齐放置的面板，两块面板中间夹层的边缘通过密封条隔离密封，其特殊之处在于：所述面板采用碳素钢制作。

上述面板材料的选择方法包括以下步骤：

第一步：确定需要降噪的主要频段：

测量需要降噪区域的噪声水平，根据测量结果分析该噪声的声能量频率分布，并确定噪声能量较大的频率位置,即为需要降噪的主要频段；

第二步：根据第一步确定的需要降噪的主要频段来决定选择面板材料的方案：

a）如果需要降噪的主要频段的频率较低，那么对比常见材料的                                               

计算值，选择

计算值较大的材料，在约束条件及真空夹层板规格相同的情况下,其相应的隔声真空夹层板第一阶固有频率相应较高；在

计算值较大且相近的几种材料中选择刚度值

最大的面板材料。上述式中

为材料的密度，= 

为面板的刚度，

为材料的弹性模量，

为面板的厚度，

为材料的泊松比，对于相同规格的隔声真空夹层板，其面板厚度

相同，因此这里

的计算值取为

即可。

b)如果需要降噪的主要频段在中频段，那么应该尽量选择密度值

较大的材料，则相同规格下隔声真空夹层板面板的质量会相应更大一些。

c)如果需要降噪的主要频段跨越了中低频段，即中低频段都需要降噪，那么应该首先选择密度值

较大的材料，在密度值相近的几种材料中选择声阻抗

较大的材料，其中为声音在该材料中传播的速度。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和效果：

该真空夹层板结构简单，用料普通，便于加工制造，成本低廉，易于大规模生产和大范围使用。同时，该隔声真空夹层板的主要功能是针对中低频噪声的降噪，为降低低频段噪声这一难点提供了有效的手段，具有深远的工程意义和环保意义。而就如何选择真空夹层板面板材料的研究为真空夹层板的使用提供了更多的可能性，能够使隔声真空夹层板应用到更广泛的环境和领域当中。不仅如此，该发明的意义还在于，随着新材料的逐渐出现，为将新材料应用到真空夹层板中的可能性提供了相应参考，使真空技术和真空夹层板能够更好更长远的为我们的社会贡献有益的效用。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为单层墙隔声特性曲线图；

其中，1-面板、2-支撑柱、3-密封条。

具体实施方式

    下面结合附图对本发明做详细说明：

参照图1和图2，一种中低频隔声真空夹层板，包括两块平行且对齐放置的面板1，两块面板1边缘通过密封条3隔离密封。还包括支撑柱2，所述支撑柱2设置于两块面板1之间。其中真空夹层板的两块面板1是构成真空夹层板的主体，通常厚度取为1~3mm，以方便生产轧制。两块面板1之间的空间为真空层，两块面板1之间设有支撑柱2，支撑柱2通常其截面半径取为2~5mm，其作用是防止真空夹层板的上下面板在大气压作用下相贴在一起，而无法实现真空夹层板正常的隔声功能。当支撑柱2为多个时，其分布形状呈正方形分布，小柱间的间隔根据真空夹层板面板所受的应力及面板形变情况而定，在保证真空夹层板强度的情况下尽量少布置支撑小柱。真空夹层板四周的密封条3作用是隔离两块面板1，并形成真空空间。两块面板1间的距离（真空层厚度）通常取为2~20mm。

上述面板1材料的选择方法包括以下步骤：

第一步：确定需要降噪的主要频段：

测量需要降噪区域的噪声水平，根据测量结果分析该噪声的声能量频率分布，并确定噪声能量较大的频率位置,即为需要降噪的主要频段；

第二步：根据第一步确定的需要降噪的主要频段来选择面板材料：

a）如果需要降噪的主要频段的频率较低，那么对比常见材料的

计算值，选择计算值较大的材料，在约束条件及真空夹层板规格相同的情况下,其相应的隔声真空夹层板第一阶固有频率相应较高；在

计算值较大且相近的几种材料中选择刚度值

最大的面板材料。上述式中

为材料的密度，

= 为面板的刚度，

为材料的弹性模量，

为面板的厚度，

为材料的泊松比，对于相同规格的隔声真空夹层板，其面板厚度

相同，因此这里

的计算值取为

即可。

b)如果需要降噪的主要频段在中频段，那么应该尽量选择密度值

较大的材料，则相同规格下隔声真空夹层板面板的质量会相应更大一些。

c)如果需要降噪的主要频段跨越了中低频段，即中低频段都需要降噪，那么应该首先选择密度值

较大的材料，然后在密度值相近的几种材料中选择声阻抗

较大的材料，其中

为声音在该材料中传播的速度。

考虑到某些面板材料下的隔声真空夹层板结构可能在整个中频段内其相邻两阶的固有频率间隔稍小，以致有些共振频率难以避免，可通过在面板涂上阻尼层来降低共振的影响。

真空夹层板隔声原理：

采用真空夹层板来进行隔声的构想来源是利用真空不传声的原理，然而中间夹层是无法达到完全的真空，所以严格说来，真空夹层板的隔声性能是由面板介质与真空层介质的高阻抗比以及真空层介质的低阻抗共同决定的。声波在层状结构中传播时，由于各层介质的阻抗不同，声波会在两层不同介质的界面处发生反射，这两种介质层的阻抗比越大，则反射的声能量越多。相应地，透过层状结构的声能量就越少。中间夹层中的声压是由第一块面板的振动造成，该振动产生的声压值等于面板的振动速度

和夹层中声场的阻抗

的乘积，而真空夹层的阻抗很低，使得夹层中声场的声压

就很低，因此，真空夹层对第二块面板的激励力

(

为第二块面板的面积)相应就小了，那么，传递过整个真空夹层板后的声能量就小了。

从这个原理可知，各面板材料的声阻抗值（

为面板材料的密度

, 

为声音在该面板材料中传播的速度

）是评价真空夹层板隔声性能的一个重要参数。面板材料的声阻抗值越大，其隔声效果相对越好。

通过建立真空夹层板模型，并对其进行隔声仿真，从仿真得到的隔声曲线图得知,真空夹层板的隔声特性曲线与单层墙的隔声特性曲线（如图3）相似，即：频率由低到高，隔声曲线分为了刚度控制区、阻尼控制区、质量控制区和吻合效应区。从起始频率到共振频率

处为刚度控制区。在这个区域内，对某一频率的声波，面板的刚度越大，其隔声量越大。对同一面板，则是随着频率的增加，隔声量逐渐减小。频率增加到共振基频时，便进入了共振区，面板在其固有频率处发生共振，由于发生共振时隔声量的大小主要是由面板的阻尼进行控制，阻尼越大隔声量越大，因此该区域称为阻尼控制区。随着频率的继续增加，共振现象变弱，面板质量效应增强，进入质量控制区，在这个区域内，在频率一定时，面板的面密度越大，即相同规格的面板质量越大，面板受声波激励而发生的振动越小，隔声量越大。当频率到达临界吻合频率

时，发生吻合效应，隔声量出现吻合低谷，越过低谷后隔声量将继续上升。

而面板材料的某些物理参数影响甚至控制着真空夹层板在各个隔声区域的隔声表现，这些特点就为真空夹层板的面板材料的选择提供了一个十分有效的方法。

通常真空夹层板的面板都是轻薄板，而轻薄板的临界吻合频率

都比较高，属于高频范围内，那我们主要针对的中低频隔声真空夹层板重点考虑前面几个控制区域：刚度控制区、阻尼控制区和质量控制区。

面板的刚度为

=

，其中

为弹性模量，

为板的厚度，

为泊松比。面板的刚度值在刚度控制区域起着决定性的作用，在该区域范围内，面板刚度越大隔声量越大。

对于周边固定的矩形薄板，其第一阶固有频率（角频率）

表达式为：

其中为板的刚度，

为板的密度，

和

分别表示矩形板的长和宽。则薄板第一阶固有频率

为：

可推测在约束相同及规格相同的条件下,真空夹层板的第一阶固有频率与

比值成正比，即比值越大其第一阶固有频率越大。第一阶固有频率决定了刚度控制区的终点，也就是阻尼控制区的起点，同时也就是共振区的起点。所以第一阶固有频率是一个很重要的分界点。在进行降噪设计时，一般是有针对性的对某些频率或某频段上的噪声进行降噪处理，那么在设计中很重要的一点就是降噪结构的固有频率要避免在噪声中声压较大的频率附近。

对于中频段噪声，其大部分频率都落在真空夹层板隔声曲线的质量控制区内，在该区域中,频率一定时，面板的面密度越大，即同规格面板的质量越大，面板受声波激励而发生的振动越小，隔声量越大，那么在该频率范围内隔声性能越好。因此密度

成为真空夹层板隔声性能一个很重要的决定因素。

发明实施举例：

下面取5种常见材料作为面板，对其进行对比，选择中低频隔声的最优面板材料。

从之前真空夹层板隔声的原理分析来看，材料的阻抗值

是考虑真空夹层板隔声性能时的一个重要参数。

各材料的阻抗数值如下表:

从上表看出，各材料按阻抗数值大小顺序排列为：碳素钢>铜>铅>铝>玻璃。

接下来是刚度，在刚度控制阶段，面板的刚度对真空夹层板的隔声量起着决定性的作用。

在真空夹层板结构相同，约束相同，受力相同的情况下，结构的应变情况主要取决于面板的刚度。板的弯曲刚度公式为：（其中

为弹性模量，

为板的厚度，

为泊松比）。由于板厚相同，所以对各种材料面板刚度的比较只需要比较

的数值大小。

各面板材料

的计算值（其中

只取单位为GPa的数值）如下表：

从上表看出，各材料按刚度相应的计算值大小顺序排列为：碳素钢>铜>铝>玻璃>铅。

接下来是固有频率，固有频率是刚度控制区和阻尼控制区的分界点。同时，在降噪时很重要的一点就是降噪结构的固有频率要避免在噪声中声压较大的频率附近，尽量避免大幅度的共振。

由于这里只有隔声真空夹层板的面板材料一个变量,因此可将

取前面计算过的

的数值

各材料的密度（

）:

则

的计算值如下表:

上述计算值的大小顺序：铝>碳素钢>玻璃>铜>铅，与建立的以这五种材料作为面板材料的同规格真空夹层板模型的模态分析中固有频率大小顺序相一致。这说明面板材料的计算值确实与相应的隔声真空夹层板的第一阶固有频率密切相关，且相互对应。

建立真空夹层板模型,并对其在20~1000Hz这个中低频频段中进行隔声仿真,若只考虑真空夹层板的前5阶模态(即只考虑前5阶固有频率情况下的共振)，则仿真得到的各面板材料下真空夹层板隔声量算术平均值（dB）从大到小的顺序符合：铅>铜>碳素钢>铝>玻璃的顺序，这个顺序与各材料的密度顺序相契合：铅>铜>碳素钢>铝>玻璃。若考虑全频段(20~1000Hz)内真空夹层板模型所有固有频率下的共振情况，从结果来看，各面板材料下真空夹层板平均隔声量大小基本符合了：铜>碳素钢>铅>铝>玻璃的顺序，与之前只考虑前5阶模态固有频率时的排列顺序发生了一定的改变，主要是铅面板的真空夹层板隔声量相对变低了。其原因在于尽管铅的密度最大，但由于铅的相邻两个模态的固有频率之间的间隔较小（对其做模态分析可知），在这个频段范围内发生的共振较多。这就导致了尽管铅的密度最大，即相同规格下其相应结构的质量最大，但铅面板的真空夹层板隔声量却并不是最大。同时，上述顺序与各材料的阻抗值大小顺序：碳素钢>铜>铅>铝>玻璃大体相同，只是铜和碳素钢的位置交换了一下。

在实际工程中，并不会出现这么大频率范围的共振，因为需要降低的噪声一般只是在某个或某些频率上具有很大的声能量，那么在设计相应的降噪结构时，就会尽量避免结构的固有频率处在噪声的高声压频率附近，即尽量避免共振的情况发生。

总结：

从原理上的分析，结合仿真结果，按照本专利提出的选择方案可知，在上例中的铅、铜、碳素钢、铝、玻璃五种材料中，碳素钢无疑是一种性价比很高的选择，材料便宜，工艺成熟，造价低，且由于其高阻抗、高刚度、高密度使其隔声性能良好，再加上其造型方便，应用广泛，是隔声真空夹层板面板材料很好的选择。

Claims (2)

1.一种中低频隔声真空夹层板，包括两块平行且对齐放置的面板（1），两块面板（1）中间夹层的边缘通过密封条（3）隔离密封，其特征在于：所述面板（1）采用碳素钢制作。

2.一种选择如权利要求1所述一种中低频隔声真空夹层板中的面板（1）的材料的选择方法，其特征在于：所述选择方法包括以下步骤：

第一步：确定需要降噪的主要频段：

测量需要降噪区域的噪声水平，根据测量结果分析该噪声的声能量频率分布，并确定噪声能量较大的频率位置,即为需要降噪的主要频段；

第二步：根据第一步确定的需要降噪的主要频段来决定选择面板材料的方案：

a）如果需要降噪的主要频段的频率较低，那么对比常见材料的                                               

计算值，选择

计算值较大的材料，在约束条件及真空夹层板规格相同的情况下,其相应的隔声真空夹层板第一阶固有频率相应较高；在

计算值较大且相近的几种材料中选择刚度值

最大的面板材料；

上述式中为材料的密度，

= 为面板的刚度，

为材料的弹性模量，为面板的厚度，

为材料的泊松比，对于相同规格的隔声真空夹层板，其面板厚度

相同，因此这里

的计算值取为

即可；

b)如果需要降噪的主要频段在中频段，那么应该尽量选择密度值

较大的材料，则相同规格下隔声真空夹层板面板的质量会相应更大一些；

c)如果需要降噪的主要频段跨越了中低频段，即中低频段都需要降噪，那么应该首先选择密度值较大的材料，然后在密度值较大且相近的几种材料中选择声阻抗

较大的材料，其中

为声音在该材料中传播的速度。

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