CN104505085A - 一种超宽带声学吸收体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带声学吸收体，包括若干个横截面相同、高度不同的矩形棒，若干个矩形棒以相邻间间隔相同、高度均匀递增排列成梳状结构，矩形棒的底部位于刚性背衬上。本发明的超宽带声学吸收体，不需要辅助任何的人工吸收材料就能够达到在宽频带内很好的吸收效果，而对该结构的制作材料只需要矩形棒的材料在空气中能够被认为是声学刚性材料即可，此外，这种吸声结构对环境无任何污染，不会对人体造成任何危害，刚性的结构利于可持续重复利用，由于具有宽频、环保、刚性和良好的吸收效果，在消声降噪等领域有广阔的应用前景。

Description

一种超宽带声学吸收体

技术领域

本发明涉及一种吸声结构，具体涉及一种超宽带声学吸收体。

背景技术

传统的吸声材料有玻璃纤维、微穿孔板等，它们有各自的缺点和不足，严重影响了在消声降噪领域的应用。

例如：玻璃纤维主要是采用石英砂、石灰石、白云石等天然矿石为主要原料，配合一些纯碱、硼砂等化工原料熔成玻璃，会严重破坏空气质量和损害人体健康。对接触玻璃纤维工人肺活检病理检查表明，肺组织内有玻璃纤维尘细胞灶，胶元轻度增生，肺癌、肺脓肿。接触玻璃纤维的人可患结膜炎和角膜炎，严重者可见角膜浑浊和局部脓肿。当纤维粒径、长短相似时玻璃纤维亦可产生与石棉相近的毒性和致癌性。微穿孔板主要是利用声学共振达到抗性消声的效果，这意味着其只能对某个单一频率或者很窄的频率范围内有吸收效果。而一般的环境噪声都是宽带的，仅对某一频率的消声远远不能满足实际的要求。此外，玻璃纤维或者微穿孔板在使用一段时间后都极易破损，这也将极大影响吸收效果。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种超宽带声学吸收体，不需要辅助任何的人工吸收材料就能够达到在宽频带内很好的吸收效果，具有宽频、环保、刚性和良好的吸收效果。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种超宽带声学吸收体，包括若干个横截面相同、高度不同的矩形棒，若干个矩形棒以相邻间间隔相同、高度均匀递增排列成梳状结构，矩形棒的底部位于刚性背衬上。本发明中，矩形棒具有不同的高度，不同的高度能够局域不同频率的声波，从而达到宽频吸收的效果。

作为优选，所述矩形棒的声学阻抗是空气的声学阻抗的300倍及以上。空气的声阻抗为415N.s/m3，当矩形棒的声阻抗大于空气声阻抗的300倍时，声波垂直入射到空气-矩形棒界面处的反射系数可以达到99.34％以上，此时可以将矩形棒视为刚性材料。

作为优选，所述矩形棒的材料为塑料。

作为优选，所述塑料为ABS塑料。

作为优选，所述矩形棒的材料为金属。

作为优选，所述金属为UNS A91050的铝合金或UNS C10100的铜合金。

“超宽带声学吸收体”依托于“声学超构材料”这一声学领域最前沿的研究成果，作为一种刚性的吸收结构，它依靠的是自身独特的结构设计，不需要辅助任何的人工吸收材料就能够达到在宽频带内很好的吸收效果。而对该结构的制作材料也没有任何特别要求，只需要矩形棒的材料在空气中能够被认为是声学刚性材料即可，这一点在实际中很容易满足，例如塑料或者大多数的金属材料都能够达到上述要求，为实际的应用和推广提供了极大的便利。此外，这种吸声结构对环境无任何污染，不会对人体造成任何危害，刚性的结构利于可持续重复利用。由于具有宽频、环保、刚性和良好的吸收效果，这种吸声结构将在消声降噪等领域有广阔的应用前景。

有益效果：本发明的超宽带声学吸收体，依靠的独特的结构设计，不需要辅助任何的人工吸收材料就能够达到在宽频带内很好的吸收效果，而对该结构的制作材料也没有任何特别要求，只需要矩形棒的材料在空气中能够被认为是声学刚性材料即可，此外，这种吸声结构对环境无任何污染，不会对人体造成任何危害，刚性的结构利于可持续重复利用，由于具有宽频、环保、刚性和良好的吸收效果，在消声降噪等领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明选用ABS塑料样品的实验结果与仿真结果的对比图；

图3为本发明采用型号为UNS A91050的铝合金作为材料得到的仿真结果图；

图4为本发明采用型号为UNS C10100的铜合金作为材料得到的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种超宽带声学吸收体，包括若干个横截面相同、高度不同的矩形棒2，矩形棒2的厚度为t1，在一维图中，厚度指在传播方向上的宽度，也可以说是横截面宽度，厚度需要满足的要求是能当作刚性处理，例如厚度范围在5-20mm，优选10mm。理论上越厚刚性条件越好，但是太厚将导致整个模型尺寸很大，失去了该设计模型的优势。当厚度达到一定范围之后，继续增加厚度实际达到的效果几乎没有差别了。若干个矩形棒2以间隔为t2、高度以dh递增排列成梳状结构，矩形棒2的底部位于刚性背衬1上，即第l根矩形棒的高度为h_l＝h₁+(l-1)*dh，不同高度的矩形棒形成不同高度的空气间隙，不同空气间隙能够局域不同频率的声波，从而达到宽频吸收的效果。空气间隔t2作为一个因变量，影响着细管中的衰减系数的大小，具体的数值可以根据所需要达到的衰减系数以及吸收频率来设置。波长为λ的声波作用在梳状结构时，能被局域在高度为h＝λ*(2*m-1)/4的空气间隙中，其中m为任意大于1的整数。

本发明中，矩形棒最小高度为2mm，本实施例的模型中最小高度是5mm，间隙t2大致在2mm-8mm的范围内，但是不同间隙将会产生不同的吸收效果，具体的数值可以根据所需要达到的衰减系数以及吸收频率来设置。

本发明主要利用经典的声学半波共振原理及细管中声波的衰减效应来实现宽带吸收，具体分为两个步骤：局域；吸收。

由横截面完全相同的矩形棒2排列而成的“梳状”结构，如图1中区域II所示。每根矩形棒2的厚度为t₁，相邻间距离为t₂，区域III中的背景媒质以及矩形棒2间隙中填充的都是空气，区域I作为一个刚性背衬1。图1中第l根矩形棒2的高度h_l从h₁逐级递增到h_l，每级递增高度为dh。“梳状结构”中的几何参数可以灵活调整以适应实际中的具体要求，如在我们所开展的实验中，设定t₁＝1mm，t₂＝10mm，h₁＝5mm，dh＝5.6mm，h₂₅＝139.4mm，在此参数下的有效频率范围为612Hz到10000Hz。值得说明的是，我们所设计的超宽带声学吸收体对矩形棒2的材料没有严格的限制，只要满足空气中的声学刚性材料的要求即可，即该材料的声学阻抗远大于空气的声学阻抗，而这在实际中很容易实现，如塑料、大多数的金属或者合金都是很好的声学刚性材料。

1、局域：根据声学半波共振原理，当两根矩形棒2间空气间隙的高度h_l恰好为声波半波长的奇数倍时，能达到共振效果，形成驻波场，将声波完全局域在空气间隙中。此时h_l需要满足如下要求：

$h_l=\frac{\mathrm{\λ}}{4}(2m-1),m=\mathrm{1,2},...$

其中λ是声波波长，m为任意大于一的整数。从中可以看出，通过选择不同的整数m，同一频率的声波可以被局域在不同位置，而同一位置也能够实现对不同频率的声波的局域效果，这种手段理论上没有频率上限，而频率下限决定于梳状结构的空气间隙的最大高度，因而具有超宽的工作频率范围。

对于已知存在一系列矩形棒通过选择不同的m，可以局域不同波长的声波。尽管声波波长是一系列离散的点，但是实际上只要波长满足上述要求附近的声波都能够有很好的吸收效果，因为从图1中可以看出，空气间隙是由前后两根矩形棒决定的，它的等效高度实际上实在这两根不同高度的矩形棒的高度之间，并且由于通过取不同的m可以使一个特定的间隙吸收不同频率的声波，这种“周而复始”的效果使得离散频率点的间隔很小，几乎可以视为连续处理，特别是在高频段，相邻频率点上的声波波长差距非常小。

2、吸收：根据细管对声波的吸收效应，将局域在空气间隙中的驻波完全吸收，空气间隙中声波的衰减吸收满足如下关系：

$\mathrm{\α}\≈\frac{2}{t_2{c}_0}\sqrt{\frac{\mathrm{\η\ω}}{2{\mathrm{\ρ}}_0}}$

其中ω是声波的角频率，η、ρ₀、c₀分别是空气的切变粘滞系数、密度和声速。根据预期的吸收系数α调整t2的大小。

噪声信号的频率一般包含很复杂的频率成分，通常是几十Hz到几千Hz的连续谱。采用这种梳状结构的问题，将一系列的矩形棒组合起来，而这种组合最大化了结构的吸收性能，达到小尺寸、宽频的吸收效果。

如图2所示，横轴是入射声波的频率，纵轴是吸收系数，矩形棒2采用ABS塑料制作，本例中最低的吸收频率是612Hz，从结果中可以看出，在650Hz-7800Hz范围内，实验和仿真得到的吸收系数都达到了0.74以上。

如图3所示，矩形棒2采用型号为UNS A91050的铝合金作为材料，最低的吸收频率为612Hz，从结果中可以看出，在650Hz-7800Hz的频率范围内，实验和仿真的吸收系数都达到了0.74以上。

如图4所示，矩形棒2采用型号为UNS C10100的铜合金作为材料，最低的吸收频率为612Hz，从结果中可以看出，在650Hz-7800Hz的频率范围内，实验和仿真的吸收系数都达到了0.74以上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超宽带声学吸收体，其特征在于：包括若干个横截面相同、高度不同的矩形棒，若干个矩形棒以相邻间间隔相同、高度均匀递增排列成梳状结构，矩形棒的底部位于刚性背衬上。

2.根据权利要求1所述的超宽带声学吸收体，其特征在于：所述矩形棒的声学阻抗是空气的声学阻抗300倍及以上。

3.根据权利要求2所述的超宽带声学吸收体，其特征在于：所述矩形棒的材料为塑料。

4.根据权利要求3所述的超宽带声学吸收体，其特征在于：所述塑料为ABS塑料。

5.根据权利要求2所述的超宽带声学吸收体，其特征在于：所述矩形棒的材料为金属。

6.根据权利要求5所述的超宽带声学吸收体，其特征在于：所述金属为UNS A91050的铝合金或UNS C10100的铜合金。