CN104464711B - 以吸声材料单元弱弹性级联为周期结构设计层的低频宽带吸声装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境噪声控制技术领域，其特征是：将吸声材料制成薄的吸声材料单元，通过弱弹性联接型式，将多个吸声材料单元级联在一起，构成具有低频禁带的低频吸声周期结构设计层。将不同频带的低频吸声周期结构设计层通过弱弹性联接型式级联，构成多层吸声结构。一方面，利用低频吸声周期结构设计层局部共振，实现低频声波吸收；另一方面，利用多层吸声结构的设计层振动和声学谐振相位补偿，实现中高频声波吸收。现已公开的吸声结构专利，主要以声波谐振理论为基础，实现中高频吸声降噪。本发明综合应用声波带隙理论和声波谐振理论，设计低频吸声周期结构设计层的低频声波带隙，实现低中高频宽带吸声。

Description

以吸声材料单元弱弹性级联为周期结构设计层的低频宽带吸 声装置

技术领域

本发明属于噪声控制技术领域，涉及到以声波谐振和机械振动相位补偿理论以及声波带隙理论为基础的、低频宽带吸声装置，特别涉及到以吸声材料单元弱弹性级联为周期结构设计层的低频宽带吸声装置。

背景技术

在噪声控制领域中，近年来多层吸声结构一直受到广大工程技术人员和科研工作者的广泛关注，但主要工作是围绕微穿孔板吸声结构开展的。

2010年，中国科学院声学研究所张倩等申请了一项国家专利“一种内置共振腔体的复合吸声装置”，公开号为CN101727894A。2011年，北京绿创声学工程股份有限公司张晓杰等申请了一项国家专利“一种具有共振吸声结构的微穿孔板”，公开号为CN102044239A。同年，中国科学院声学研究所吕亚东等申请了一项国家专利“一种利用管腔耦合共振和管束间耦合共振的吸声装置”，公开号为CN101673543B。这三项专利吸声结构都是由穿孔板、背板、侧板以及空腔组成。其主要特征是：第一项专利在空腔内放置共振腔体，通过共振腔体在封闭空腔内形成的声散射和多腔耦合共振提高吸声效果；第二项专利是刚性背板的两端与微穿孔板的两端通过柔性或弹性材料连接，期待通过调整微穿孔板与刚性壁面之间的距离，在空腔内形成一个半主动共振吸声结构，提高吸声性能；第三项专利是在空腔内布满网状结构的管束。通过管束间的耦合共振以及管束结构对共振吸收峰和吸声频带的调制特性，提高吸声效果。2012年，南京大学焦其金等申请了一项国家专利“基于微穿孔和腔内共振系统的组合吸声结构”，公开号为CN102646414A。该结构由微穿孔板、空腔和腔内共振系统组成，通过调节腔内共振系统的参数、微穿孔板的参数和空腔深度，实现较宽频带吸声。同年，北京市劳动保护科学研究所李贤徽等申请了一项国家专利，“一种微穿孔板薄膜粘层复合吸声板”，公开号为CN202986208U。该吸声板依次由微穿孔板、粘弹材料层和薄膜层组成，粘弹材料层具有与微穿孔板的微孔相对应的弹性通孔和纵横交错的微细弹性通道。

这些研究工作，主要是以声波谐振理论为基础，利用微穿孔板和共振腔实现中高频吸声降噪，而针对低频，由于所设计吸声结构的尺寸过大，难于实际应用。

本发明主要针对低频宽带吸声降噪，将吸声材料制成薄层，通过弱弹性联接方式，将多层吸声材料薄层级联在一起形成一维周期阵列，构成具有低频禁带的低频吸声周期结构设计层，它能阻止一定频带内的低频声波在其中传播并吸收声波。本发明以这种自身具有低频吸声能力的低频吸声周期结构设计层作为基本吸声组件，同时应用声波谐振理论来设计中高频多层吸声结构，就构成了包含低频的宽带吸声装置。

现已公开的吸声结构专利，主要是以声波谐振理论为基础，实现中高频吸声降噪。

近年来国内外学者和工程技术人员开展的多层吸声结构的研究工作，主要是以声波谐振理论为基础，实现中高频吸声降噪。而本发明综合应用了声波带隙理论和声波谐振理论，通过设计低频吸声周期结构设计层的声波带隙，实现低中高频宽带吸声。本发明无论是从低频宽带吸声装置本身，还是从工作原理和设计思想上，都与现有的多层吸声装置有较大差别，在低频宽带吸波方面，具有一定的优越性。

发明内容

本发明综合应用了声波带隙技术和声波谐振技术，针对低频宽带吸声降噪，提供了一种新的声波吸收结构——以吸声材料单元弱弹性级联为周期结构设计层的低频宽带吸声装置，实现低中高频宽带吸声。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

以吸声材料单元弱弹性级联为周期结构设计层的低频宽带吸声装置，包括多个低频宽带吸声结构块和安装架。低频宽带吸声结构块周期平铺，并通过安装架固定在背墙上，如图1、2所示，图2是本低频宽带吸声装置的侧视图，图中可见中间1个完整的低频宽带吸声结构块、四周8个不完整的低频宽带吸声结构块以及固定在背墙上的安装架。

其中每个低频宽带吸声结构块，包括不多于十层的低频吸声周期结构设计层。周期结构设计层之间以及周期结构设计层与背墙之间，通过弱弹性型式联接，如图1所示。其中弱弹性联接型式，包括弹性橡胶、弹性高分子、弹簧和金属片等。同时，周期结构设计层之间以及周期结构设计层与背墙之间，没有间隙或间隙较小。

其中低频吸声周期结构设计层，是本发明低频宽带吸声装置的基本设计层。它是具有带隙特性的周期结构，包括多层吸声材料单元，如图3、6、7所示。吸声材料单元之间通过弱弹性型式联接，包括弹性橡胶、弹性高分子、弹簧和金属片等。

其中吸声材料单元是组成低频吸声周期结构设计层的基本单元。一个吸声材料单元，两端为透声薄板层，中间是吸声材料薄层，如图3、6、7所示。透声薄板层是由金属、非金属等材料制成的薄板，厚度小于3mm，上面布满等间距的孔，孔的形状包括圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形等，如图2、5、7所示。吸声材料薄层是由多孔吸声材料制成的薄板，厚度小于10mm。在透声薄板层的孔腔内也充满与吸声材料薄层相同的多孔吸声材料。多孔吸声材料包括凝胶、聚氨酯、聚酯纤维、泡沫塑料、泡沫金属、丁基橡胶、玻璃棉、玻璃纤维、毛毡以及微穿孔板等。两端的透声薄板层和中间的吸声材料薄层，通过粘接等方式连接，同时在两端的透声薄板层之间设置连接柱，这样就构成了一个吸声材料单元。

其中安装架，由多根支柱组成，支柱设置在每个低频宽带吸声结构块的角点处，如图2所示。支柱由金属制成，一端固定在背墙上。支柱上安装金属片组件。金属片一端安装在吸声材料单元的连接柱上。这样，低频宽带吸声结构块，通过金属片悬挂在固定于背墙的安装架上，如图2、3、4、5所示。

多个吸声材料单元通过弱弹性联接型式级联在一起，组成一个低频吸声周期结构设计层，不同频带的低频吸声周期结构设计层通过弱弹性联接型式级联在一起，组成低频宽带吸声结构块。低频宽带吸声结构块周期平铺，并通过安装架固定在背墙上，就构成了本发明提出的低频宽带吸声装置。

其中每个低频吸声周期结构设计层，负责一定频率范围内的低频吸声，其质量和禁带中心频率决定了低频吸声周期结构设计层的刚度。依据每个低频吸声周期结构设计层的刚度，确定其内部多层吸声材料单元之间弱弹性联接型式的具体参数，包括材料、尺寸和位置等。

本发明提出的以吸声材料单元弱弹性级联为周期结构设计层的低频宽带吸声装置，工作原理上综合利用了声波带隙理论以及声波谐振和机械振动相位补偿理论，实现低中高频宽带吸声。一方面低频吸声周期结构设计层是周期结构，具有带隙特性，利用这一周期结构设计层的局部共振，实现低频声波吸收；另一方面，低频吸声周期结构设计层之间以及低频吸声周期结构设计层和背墙之间采用弱弹性联接，又构成了一个多层吸声结构，利用其中不同周期结构设计层的整体振动和声波谐振相位补偿，实现中高频宽带吸声。

附图说明

图1是本发明的低频宽带吸声装置剖面主视图。

图2是本发明的低频宽带吸声装置侧视图。

图3是本发明的低频吸声周期结构设计层和金属片的剖面图。

图4是本发明的套在安装架上的金属片。

图5是本发明的低频宽带吸声结构块和金属片的剖面图。

图6是本发明的低频吸声周期结构设计层在弱弹性联接处的剖面图。

图7是本发明的低频吸声周期结构设计层在透声薄板层开孔处的剖面图。

图中：1安装架中的支柱；2套在安装架支柱上的金属片；

3低频吸声周期结构设计层；4背墙；5弱弹性联接型式；

6透声薄板层上的孔；7透声薄板层的基体；8低频宽带吸声结构块；9低频吸声周期结构设计层的基本单元——吸声材料单元；10吸声材料层；11透声薄板层；12吸声材料单元中透声薄板之间的连接柱。

具体实施方式

由于应用环境不同，如空气中或水中，以及要求的声波吸波频率范围不同，本发明公开的以吸声材料单元弱弹性级联为周期结构设计层的低频宽带吸声装置具体结构和参数将有所变化。

下面针对空气中的一个具体实例，结合技术方案和附图进行详细叙述。

实施例：吸声频段40Hz-1000Hz

本实施例中，以吸声材料单元弱弹性级联为周期结构设计层的低频宽带吸声装置，包括多个低频吸声周期结构块8，每个低频吸声周期结构块为长方体，长、宽、厚尺寸分别为1m、1m和160mm，如图1、2所示。

安装架中的支柱1，设置在每个低频宽带吸声结构块的角点处，如图2所示。支柱一端固定在背墙4上，材料为钢，截面为直径是10mm的圆形，长160mm，如图1、2所示。每根支柱上安装30个金属片2，金属片2型式如图4所示。金属片2环形一端套在安装架的支柱上，另两端安装在吸声材料单元中透声薄板之间的连接柱12上，如图3所示。

每个低频吸声周期结构块8，包括五个低频吸声周期结构设计层3，吸声周期结构设计层3之间以及吸声周期结构设计层3和背墙4之间，通过弹性橡胶5连接，如图1所示。

每个低频吸声周期结构设计层3包括6个吸声材料单元9，吸声材料单元9之间采用弱弹性联接型式5，如图3、6、7所示。

每个吸声材料单元9，厚度为5mm，其两端为由金属制成的透声薄板层11，中间为凝胶薄层10，如图3、6、7所示。透声薄板层11厚度0.5mm，其上布满圆孔6，圆孔直径22mm，相邻圆孔中心距30mm，如图2所示。凝胶薄层10厚度为4mm，如图3、6、7所示。在金属薄板11孔腔6内也充满了凝胶，如图7所示。透声薄板层之间的连接柱，材料为金属，厚4mm，截面为直径是8mm的圆形，如图3、5所示。两端的透声薄板层11和中间的凝胶薄层10，通过粘接方式连接。

每个吸声材料单元9，都通过金属片2安装在支柱1上，支柱1和吸声材料单元9之间有间隙。

本装置中五个低频吸声周期结构设计层的带阻频带不同，所以其内部吸声材料单元9之间的弱弹性联接型式不同。为了便于阐述，将五个低频吸声周期结构设计层，从背墙4到声源方向按顺序编号，分别为第一低频吸声周期结构设计层、第二低频吸声周期结构设计层、第三低频吸声周期结构设计层、第四低频吸声周期结构设计层和第五低频吸声周期结构设计层，如图3、6、7所示。

第一低频吸声周期结构设计层，带阻中心频率250HZ，6个吸声材料单元9之间的弱弹性联接型式为：对称布置15个圆形橡胶垫，橡胶垫半径10mm，厚度5mm。

第二低频吸声周期结构设计层，带阻中心频率165HZ，6个吸声材料单元9之间的弱弹性联接型式为：对称布置8个圆形橡胶垫，橡胶垫半径9mm，厚度5mm。

第三低频吸声周期结构设计层，带阻中心频率110HZ，6个吸声材料单元9之间的弱弹性联接型式为：对称布置4个圆形橡胶垫，橡胶垫半径9mm，厚度5mm。

第四低频吸声周期结构设计层，带阻中心频率75HZ，6个吸声材料单元9之间的弱弹性联接型式为：对称布置2个圆形橡胶垫，橡胶垫半径8mm，厚度5mm。

第五低频吸声周期结构设计层，带阻中心频率50HZ，6个吸声材料单元9之间的弱弹性联接型式为：布置1个圆形橡胶垫，橡胶垫半径7mm，厚度5mm。

本实施例的以吸声材料单元弱弹性级联为周期结构设计层的低频宽带吸声装置，吸声频段为40Hz-1000Hz，总厚度小于160mm。

Claims (10)

1.一种以吸声材料单元弱弹性级联为周期结构设计层的低频宽带吸声装置，其特征是：将吸声材料制成薄的吸声材料单元，通过弱弹性联接型式，将多个吸声材料单元级联在一起，组成一个具有低频禁带的低频吸声周期结构设计层；不多于十层的、不同频带的低频吸声周期结构设计层，通过弱弹性联接型式级联起来，低频吸声周期结构设计层与背墙之间也通过弱弹性型式连接，组成低频宽带吸声结构块；低频宽带吸声结构块周期平铺，并通过安装架固定在背墙上；

其中低频吸声周期结构设计层是基本设计层，是具有低频带隙特性的周期结构；每个低频吸声周期结构设计层，包括5-8个吸声材料单元；不同的低频吸声周期结构设计层，负责不同频率范围内的低频吸声；其中吸声材料单元是组成低频吸声周期结构设计层的基本单元，每个吸声材料单元的两端为布满孔的透声薄板层，中间是吸声材料薄层，两端的透声薄板层之间有连接柱，透声薄板层和吸声材料薄层通过粘接连接，在透声薄板的孔腔内也充满多孔吸声材料；

安装架包括多根金属支柱，支柱一端固定在背墙上，其上安装金属片组件；吸声材料单元通过金属片安装在支柱上；支柱和低频吸声周期结构设计层之间有间隙。

2.如权利要求1所述的低频宽带吸声装置，其特征是：所述的弱弹性联接型式，包括弹性橡胶、弹性高分子、弹簧和金属片；吸声材料单元之间弱弹性联接的具体型式，取决于每个低频吸声周期结构设计层的刚度，而其刚度取决于低频吸声周期结构设计层的质量和禁带中心频率。

3.如权利要求1或2所述的低频宽带吸声装置，其特征是：低频吸声周期结构设计层之间以及低频吸声周期结构设计层与背墙之间，没有间隙或间隙较小。

4.如权利要求1或2所述的低频宽带吸声装置，其特征是：吸声材料单元中，透声薄板层是由金属、非金属材料制成的薄板；透声薄板层上布满孔，孔的形状包括圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形。

5.如权利要求3所述的低频宽带吸声装置，其特征是：吸声材料单元中，透声薄板层是由金属、非金属材料制成的薄板；透声薄板层上布满孔，孔的形状包括圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形。

6.如权利要求1或2或5所述的低频宽带吸声装置，其特征是：吸声材料单元中，吸声材料薄层是由多孔吸声材料制成的薄板，多孔吸声材料包括凝胶、聚氨酯、聚酯纤维、泡沫塑料、泡沫金属、丁基橡胶、玻璃棉、玻璃纤维、毛毡以及微穿孔板。

7.如权利要求3所述的低频宽带吸声装置，其特征是：吸声材料单元中，吸声材料薄层是由多孔吸声材料制成的薄板，多孔吸声材料包括凝胶、聚氨酯、聚酯纤维、泡沫塑料、泡沫金属、丁基橡胶、玻璃棉、玻璃纤维、毛毡以及微穿孔板。

8.如权利要求4所述的低频宽带吸声装置，其特征是：吸声材料单元中，吸声材料薄层是由多孔吸声材料制成的薄板，多孔吸声材料包括凝胶、聚氨酯、聚酯纤维、泡沫塑料、泡沫金属、丁基橡胶、玻璃棉、玻璃纤维、毛毡以及微穿孔板。

9.如权利要求1或2或5或7或8所述的低频宽带吸声装置，其特征是：吸声材料单元通过金属片安装在安装架上。

10.如权利要求6所述的低频宽带吸声装置，其特征是：吸声材料单元通过金属片安装在安装架上。