CN104732967B - 一种利用共面空心管吸收声音的吸声屏 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超薄的利用共面空心管吸收声音的吸声屏。它由屏板、开有通孔的开孔板和一端开口、一端封闭的谐振管组成，所述谐振管盘旋嵌入所述屏板中，所述谐振管的开口端与所述开孔板的通孔密封连接。本发明异于传统的直列型空心管结构，本发明中的共面空心管其中心轴线为卷曲形状，以二维形式盘卷嵌于该声波吸收屏之中。本发明的总厚度远小于其所吸收的声波波长，仅为所吸收的声波波长的百分之一。

Description

一种利用共面空心管吸收声音的吸声屏
技术领域
本发明涉及一种包含共面谐振管的声音吸收屏，采用异于传统的直管，该共面谐振管极大地减少了在某频率范围内实现声音完全吸收所需要的最小厚度。
背景技术
目前，传统的声波吸收材料或结构都需要四分之一波长的最低厚度才能实现对某频率声波的完全吸收。虽然日常中存在多种多样的吸声材料，如海绵、泡沫金属、纤维物、多孔板等等，但若要完全吸收某波长的声波，这些材料和结构的厚度通常需要至少达到该波长的四分之一。对于低频的声波，由于其波长很大，所需要的材料厚度就更大了。例如要吸收300Hz的声波，对应的四分之一波长为280mm。这种程度的厚度在实际应用中是无法接受的，一是吸声材料将占据大量空间，二是极大地增加额外重量，三是在很多情况下完全无法实现的，如在引擎内部、飞机乘坐舱内。
发明内容
为了克服现有的吸声材料和结构所存在的不足，本发明提出一种自身厚度远小于所吸收声波波长的的吸声屏。本发明采用共面的声波谐振管，将传统的直列型吸声管盘卷起来，成为二维共面结构。所谓的共面，是通过盘卷空心管使其中心轴线形成的平面与吸声屏平行。因此，本发明可使吸声屏所需的厚度由原来直管的长度减少至直管的厚度，极大地减小了吸声屏的厚度。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种利用共面空心管吸收声音的吸声屏，由屏板、开有通孔的开孔板和一端开口、一端封闭的谐振管组成，所述谐振管盘旋嵌入所述屏板中，所述谐振管的开口端与所述开孔板的通孔密封连接。
上述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏中，所述谐振管的长度为所需吸收的声波波长的四分之一。
上述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏中，所述谐振管盘成平面螺旋状或其他形状，或三维的螺旋状和其他形状。
上述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏中，所述谐振管的横截面尺寸前后可以相同，也可以不同。
上述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏中，所述谐振管的横截面为圆形或正方形或其他形状。
上述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏中，所述开孔板的通孔为圆形，正方形或其他形状。
上述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏中，所述谐振管的横截面与所述开孔板的通孔的形状可以相同也可以不同。
上述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏中，所述开孔板的通孔的孔隙率为1％～15％。
上述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏中，所述吸音屏中的谐振管可以由不同横截面和长度尺寸的谐振管进行组合。
上述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏中，所述屏板的厚度与开孔板中通孔的边长一致。
上述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏中，开孔板中的通孔的截面积由所需要吸收的声波相关，最佳截面积大小由该波长决定。
上述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏中，由多块吸声屏排列组合而成。
上述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏中，屏板中的谐振管可以是由其他长管(如长水管)经过卷绕的方式形成的。
上述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏中，所述吸声屏可以由屏板、开孔板和谐振管组合而成，也可以将屏板、开孔板和谐振管整体加工而成。
本发明利用声波谐振来提高声波集中度以实现更高效地损耗声音能量。研究表明，提高声波压力场的集中度是增强声波耗散的有效方法，特别是对低频声波更有必要。因为声波耗散主要依靠动态压力场驱动空气流反复摩擦结构表面而将机械能转换为热能，而低频声波产生的往复速度慢，造成声波耗散效率低下。可见，在低频有必要通过其他方式，如提高声波场的集中度，来增强空气流与结构表面摩擦效果。在本发明中，长空心管是用来实现声波谐振及提高声波集中度的结构。当声波传播并渗入一端封闭的空心管之后，管的开口处相当于亥姆霍兹谐振腔的颈部，而余下的部分相当于其腔体部分。与传统亥姆霍兹谐振腔相似，由于声波引发的空气流过细颈部时，声压场得到极大提高，摩擦增大，从而对声波进行有效耗散。
本发明的优势在于，异于传统吸声结构，本发明中的空心管是采用共面形式嵌入在吸声屏里面的，以达到将吸声屏的厚度减小至空心管直径的量级。通过大量的实验，我们证明，本发明中的将空心管以共面形式嵌入在吸声屏中，与将亥姆霍兹的颈部伸入其自身腔体部分的效果是一样的，不会对亥姆霍兹谐振腔的作用产生影响。因此，本发明中的共面空心管的声波吸收原理和效果与传统的亥姆霍兹谐振腔的吸声原理和效果是一样的。本发明中的共面空心管也可以采用变截面的形式，直接形成管口小，管内大的外形，从而形成共面的亥姆霍兹共振腔。通过截面的变化，可以更有效地利用吸声屏的空间，从而使其能完全吸收更低频率的声波。
本发明中的共面空心管可能通过铣床来铣糟的方式实现，或者通过将长管盘卷起来的方式实现，及通过3D打印的方式实现。通常共面空心管的管口是起到保证声压空气流进、出全管的作用。因此管口部分可以采用开孔板的方式来实现，而空心管内部可以通过铣糟来实现。如果共面空心管内部是由长管子盘卷方式实现的，可以将这种卷起来的长管连接到开孔板的孔洞处。空心管的内部和盘卷的长管子的中心线，最好采用螺旋的方式进行卷曲。其他的卷曲路径也是可以同样实现吸声功能的，各种路径的目的都是为了能在有效的空间里使共面空心管的中心线尽可能长，从而吸收更低频的声波。3D打印技术可以很好地在本发明中得到应用。因为管口和空心管内部的连接必然形成一个三维的扭曲结构，利用3D打印技术，能很高效地加工出这种结构。
本发明所涉及的共面空心管吸声屏可以由任何硬材料做成。如果用铣床来加工，材料可以是木质，金属，塑料和橡胶等。采用长管盘卷时材料可以是金属，塑料之类易于弯曲的。空心管的开口部分的开孔板可以是金属，木质，陶瓷和其他足以固定和支撑空心管或长管的硬材料。
本发明所涉及的共面空心管特别适用于房间和通风系统等场合、具有特定频率的噪声的消除。因此空心管的长度是所需要吸收的声波波长的四分之一。当安装在墙上，天花板或屋内其他表面上时，本发明的吸声结构能显著降低噪声污染。本发明也可以用于交通工具的内部，如飞机机舱的内部，发动机的内部，排气系统内部，以显著降低噪音。
本发明中的共面空心管吸声结构很容易扩展为宽频的吸声结构。通过在一个吸声屏中组合不同长短和截面积的共面空心管，可以实现在宽频带的噪声消除。多个不同尺寸的共面空心管的组合可能会使某个特定频率点的吸声性能有所削弱，所以其综合性能需要优化设计。
本发明涉及的共面空心管吸声屏，其结构尺寸决定吸收声波的工作效率。对波长为空心管总长四倍的声波，该吸声屏具有最佳的吸声效果。空心管的孔隙率也将极大影响其吸收效果。因此空心管的总管长，孔隙率等参数需要根据所要求的波长进行调整。
本发明的有益效果是：通过在吸声屏中将空心管做成共面形式，能使吸声屏的厚度在很小时就能完全吸收声波，使吸声屏的厚度由传统的四分之一波长下降到百分之一波长。从而大大地减小了吸声层的厚度，重量。而通过组合不同尺寸的共面空心管，还能够得到大带宽的吸声效果。
附图说明
图1为本发明及其排列组合的结构图；
图2(a)传统的赫姆赫兹声波共振管的示意图，(b)共面声波吸声空心管的示意图；
图3(a)共面空心管吸收声音的吸声屏的截面图；(b)开有通孔的开孔板示意图；(c)一端开口、一端封闭的谐振管的示意图；
图4为本发明与直列空心管的吸声系数对比图；
图5为本发明实施例2的结构图；
图6为包含由不同尺寸(长度，横截面)的共面空心管组合的吸声屏结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的一种实现方式，其中吸声屏1包含了由开孔3，螺旋糟2和封闭端4形成的共面形空心管2。
图2显示了本发明中的共面空心管结构与亥姆霍兹谐振腔的等效关系。当声波入射进入直空心管后，直空心管的开口处相当于亥姆霍兹谐振腔的颈，内部深处部分相当于亥姆霍兹谐振腔的腔体(图2a)。盘卷的(共面的)空心管(图2b)与直空心管(图2a)具有相同的工作机制。
图3显示了本发明的共面空心管吸声屏的内部构造。空心管的开口通孔3位于开孔板1a，共面空心管由螺旋铣糟2形成并嵌在吸声屏内1b。吸声屏的总厚度为开孔板厚ta加上铣糟的边长tb，远小于空心管的总长。
图4给出的是同样长度的直列空心管结构和共面空心管结构的吸声效果对比，共面空心管即使经过盘卷之后吸声效率没有受到影响。
图5给出了本发明的另一种实现方式，即通过卷绕长管5。卷绕长管更具有灵活性，适用于不规则的区域，如墙角。
图6给出的是基于本发明的、包含了由不同尺寸(长度，横截面)的共面空心管组合的吸声屏，吸声屏中组合不同长短和截面积的共面空心管，可以实现在宽频吸声。
正如前面所提到，空心管实际同时起到了亥姆霍兹谐振腔的颈部和腔体的功能，因此空心管的截面尺寸h和w的设计应以产生最大共振为前提。一旦横截面确定，吸声屏1的总厚度ta+tb就得到了,也可以表示为ta+w。而包含空心管开口孔3的开孔板1a的厚度更小。
为了便于制造，空心管的截面倾向于采用正方形结构，以易于通过铣床加工出来。如果采用圆截面，通过卷绕长管的方式可能更方便。由于本发明的结构性能高度依赖于尺寸参数，加工过程中需要具有较高的精度，并要减少制造过程中引起的变形。开孔板1a和屏板1b之前需要良好的连接，保证开孔板1a中空心管的开口3和屏板1b中空心管的内部2的无缝和光滑连接，否则将引起过多的反射影响吸收效果。

Claims (14)

1.一种利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于，由屏板、开有通孔的开孔板和一端开口、一端封闭的谐振管组成，所述谐振管盘旋嵌入所述屏板中，所述谐振管的开口端与所述开孔板的通孔密封连接，所述的谐振管轴线位于同一个平面，该平面与屏板共面，从而所述的屏板具有的厚度与开孔板中的通孔的直径和嵌入其中的谐振管的直径一致，且待吸收的声音在谐振管的开口处沿轴向进入谐振管。
2.如权利要求1所述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于，所述谐振管的长度为所需吸收的声波波长的四分之一。
3.如权利要求1所述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于，所述谐振管盘成平面螺旋状或其他形状，或三维的螺旋状和其他形状。
4.如权利要求1所述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于，所述谐振管的横截面尺寸前后相同或者不同。
5.如权利要求1所述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于，所述谐振管的横截面为圆形或正方形或其他形状。
6.如权利要求1所述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于，所述开孔板的通孔为圆形，正方形或其他形状。
7.如权利要求1所述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于，所述谐振管的横截面与所述开孔板的通孔的形状相同或不同。
8.如权利要求1所述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于，所述开孔板的通孔的孔隙率为1%~15%。
9.如权利要求1所述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于，所述吸声屏中的谐振管由不同横截面和长度尺寸的谐振管进行组合。
10.如权利要求1所述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于，所述屏板的厚度与开孔板中通孔的边长一致。
11.如权利要求1所述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于，开孔板中的通孔的截面积由所需要吸收的声波相关，截面积大小由波长决定。
12.如权利要求1所述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于，由多块吸声屏排列组合而成。
13.权利要求1所述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于：屏板中的谐振管是由其他长管经过卷绕的方式形成的。
14.如权利要求1~13中任意一项所述的利用共面空心管吸收声音的吸声屏，其特征在于，所述吸声屏由屏板、开孔板和谐振管组合而成，或将屏板、开孔板和谐振管整体加工而成。
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