CN105448287A - 一种具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置，包括穿孔板和板后空腔，所述穿孔板的内部设有封闭的腔体，所述腔体内部分空间充填有液体和固体颗粒中的至少一种；本发明通过在穿孔板内设置封闭的腔体，并在腔体内填充吸声材料，从而有效提高穿孔板共振吸声装置的吸声系数、拓宽吸声频带，在不增加体积的情况下提高了装置的适用范围。

Description

一种具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置

技术领域

本发明涉及吸声降噪技术领域，特别涉及一种具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置。

背景技术

共振吸声结构是利用共振吸声原理设计的吸声体，在声波的激励下，振动着的结构由于自身的内摩擦和空气的摩擦，把一部分振动能量转变为热能而消耗掉，根据能量守恒定律，这些损耗的能量必然来自激励它们振动的声能量。入射声波的频率与结构的固有频率相吻合时，结构产生共振，此时引起的能量损耗即构件的吸声系数最大。

常见的共振吸声结构有薄板吸声结构、穿孔板吸声结构(包括微穿孔板吸声结构)。为使穿孔板共振吸声结构具有较高的共振吸声系数，应使穿孔板结构的声阻与大气的特性阻抗相匹配，即穿孔板结构的相对声阻率应该控制在1附近。普通穿孔板因为孔径较大，本身所提供的线性声阻很低，当入射声压不很高时，即使采用微穿孔板并考虑非线性声阻，仍很难获得足够高的声阻率，因此需在穿孔板背面衬贴多孔吸声材料以补充声阻。该方法能有效提高吸声系数，但是增加了结构的生产成本，降低了结构的耐候性，同时会造成二次污染。微穿孔板共振吸声结构与普通穿孔板共振吸声结构相比，其主要特点是穿孔直径在1毫米以下，具有低声质量、高声阻，其吸声频带宽度优于常规的穿孔板共振吸声结构，并且具有清洁无污染、不受环境限制等优点。

然而，无论是普通穿孔板共振吸声结构还是微穿孔板共振吸声结构，通常在共振频率附近具有较好的吸声性能，偏离共振频率时其吸声性能会显著下降。由于传统穿孔板共振吸声结构的共振吸收频率主要与穿孔板背后空腔深度及板厚有关，为提高低频段的吸声系数，需要增加空腔的深度(最佳值为入射声波波长的1/4)或板厚。实际应用中，由于受空间限制，背后空腔往往只能取有限深度；受工程造价和承重等限制，板厚也希望尽可能小。

专利文献CN1148719C公开了一种管束式穿孔板共振吸声装置，通过在穿孔板小孔后套接与小孔直径相同的柔性小管，并利用柔性管束的长度不受穿孔板共振吸声结构腔深的限制的特点将小管设计成长短不一，以调控共振频率和改变不同频率下的吸声系数。根据穿孔板共振吸声结构原理，套接小管后穿孔板的孔深等效于板厚与小管长度之和，该专利的原理是通过变相增加孔深、孔末端声阻使得穿孔板吸声频带向低频运动，并提高吸声系数，同时额外引入了细长管束的管共振，增加了吸声频谱中共振吸收峰数，拓宽了吸声频带。然而，该结构吸声频带局限于中低频，吸声频带尚不够宽。

专利文献CN101645263B公开了一种管束穿孔板复合共振吸声装置，在上述结构基础上，在穿孔板外表面覆盖一层多孔吸声材料，虽然可进一步提高结构对中高频声的吸声系数，但结构厚度会有所增加，结构表面强度有所下降，有时还会造成二次污染。

发明内容

本发明提出了一种具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置，有效提高穿孔板共振吸声装置的吸声系数、拓宽吸声频带，适用范围广。

一种具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置，包括穿孔板和板后空腔，所述穿孔板的内部设有封闭的腔体，所述腔体内部分空间充填有液体和固体颗粒中的至少一种。

本装置在声波的激励下，腔体内的气体、液体(固体颗粒)振动(含相对运动)，通过液体(固体颗粒)和气体内部黏滞阻力(摩擦阻力)、气体与液体(固体颗粒)跟腔体内壁相对运动时沿程摩擦阻力等做功产生的黏滞吸收、传导吸收和分子弛豫吸收，可将声能最大程度转化为热能耗散掉，从而有效提高穿孔板共振吸声结构吸声系数。其中，所述液体和固体颗粒可以同时存在，或者只充填其中一种。

部分空间充填是指空腔内的液体和固体颗粒是可以晃动的，没有填充满，存在气体，即液体和固体颗粒可被声波激励振动，充填的一定体积比的气液、气固或气液固共存体、不同粒径的颗粒等各自存在不同的固有频率，当入射声波的频率与这些固有频率相吻合时，可产生共振，此时引起的能量损耗最大。通过调整腔体形状、体积、腔内气压、腔内气液、气固或气液固材料种类(含固体颗粒粒径分布)及其体积比，针对性调控和提高穿孔板共振吸声装置对不同频率声波的吸声系数(特别是低频段吸声系数)。

封闭的腔体形状、体积、腔内气压、腔内共存的气液、气固或气液固材料种类及其体积比等参数中，若有一个不同，即视为一种类型的腔体，那么所述封闭腔体可以是单一种类的腔体，也可以是多种类型腔体的任意组合。所述腔体在板体内部可以是单层排列，也可以是多层排列；可以是随机排列，也可以按一定的规律组合排列。

为了在不改变板厚的情况下增加孔深，优选的，所述穿孔板的穿孔的内壁相对穿孔板厚度方向倾斜设置。可以增加孔深，从而使共振吸收峰向低频移动。

优选的，所述穿孔板的穿孔的横截面沿穿孔板厚度方向连续变化。变化可以是规则或无规则的，形成台阶、曲面等结构的内壁。也可以增加孔深，使共振吸收峰向低频移动。还可以通过使孔深方向截面积连续变化，使孔深方向声阻抗随之发生连续变化，有利于提高吸声系数。

优选的，所述穿孔板的穿孔的内壁粗糙度Ra>50μm。可以进一步增加声阻。

优选的，所述液体的黏度不小于1cP。液体可以采用水、油类等。较大的黏度能增加液体与腔体内壁、腔体内固体颗粒等之间相对运动时的摩擦力，也能增加液体各部分相对运动时的黏滞阻力，通过摩擦力和黏滞阻力作功，将更多声能转变为热能，有效增加声能损耗。

为了获取材料方便，降低成本，优选的，所述的固体颗粒为沙砾和橡胶颗粒中的至少一种。所述腔体中充填的固体颗粒包括但不仅限于沙砾、橡胶颗粒等，且所选用的颗粒可以是单一粒径，也可以是多种粒径组合。同一腔体内可以充填单一相材料，也可以充填气体、液体、固体颗粒等多相混合材料。

优选的，所述腔体内的气压为1～1.5atm。适当增加腔体内的气压，能增加液体与腔体内壁、腔体内固体颗粒等之间相对运动时的摩擦力，也能增加液体各部分相对运动时的黏滞阻力，通过摩擦力和黏滞阻力作功，将更多声能转变为热能，有效增加声能损耗。

优选的，所述腔体的内壁粗糙度Ra>50μm。增加所述腔体的内壁粗糙度能增加液体、固体颗粒与腔体内壁之间相对运动时的摩擦力，将更多声能转变为热能，有效增加声能损耗。

优选的，入射声波的频率小于250Hz时，穿孔的形状为横截面变化的斜穿孔，腔体形状采用球体，球体半径1.0～3.0mm，腔内气压为1～2atm，气体采用空气，液体采用硅油，固体颗粒采用粒径为0.5～1.5mm的沙砾，气液固三相的体积比为0.5～2：1～3：1～3。相较于普通共振吸声用穿孔板，上述方案额外引入了位于穿孔板板体内、固有频率较低、气液固共存的封闭腔体结构，能有效提高穿孔板共振吸声装置低频段吸声系数。

进一步优选的，入射声波的频率小于250Hz时，穿孔的形状为横截面变化的斜穿孔，腔体形状采用球体，球体半径2.0mm，腔内气压为1.5atm，气体采用空气，液体采用硅油，固体颗粒采用粒径为1.0mm的沙砾，气液固三相的体积比为1：2：2。

优选的，入射声波的频率为250～1000Hz时，穿孔的形状为横截面变化的斜穿孔，腔体形状采用球体，球体半径0.5～1.5mm，腔内气压为1.0～1.5atm，气体采用空气，液体采用硅油，固体颗粒采用粒径为0.3～0.8mm的沙砾，气液固三相的体积比为0.5～2：2～4：0.5～2。相较于普通共振吸声用穿孔板，上述方案额外引入了位于穿孔板板体内、固有频率适中、气液固共存的封闭腔体结构，能有效提高穿孔板共振吸声装置中频段吸声系数。

进一步优选的，入射声波的频率为250～1000Hz时，穿孔的形状为横截面变化的斜穿孔，腔体形状采用球体，球体半径1.0mm，腔内气压为1.25atm，气体采用空气，液体采用硅油，固体颗粒采用粒径为0.5mm的沙砾，气液固三相的体积比为1：3：1。

优选的，入射声波的频率大于1000Hz时，穿孔的形状为斜穿孔，腔体形状采用球体，球体半径0.3～0.8mm，腔内气压为0.8～1.2atm，气体采用空气，液体采用水，固体颗粒采用粒径为0.1～0.2mm的橡胶颗粒，气液固三相的体积比为1～3：1～3：0.5～2。相较于普通共振吸声用穿孔板，上述方案额外引入了位于穿孔板板体内、固有频率较高、气液固共存的封闭腔体结构，能有效提高穿孔板共振吸声装置高频段吸声系数。

进一步优选的，入射声波的频率大于1000Hz时，穿孔的形状为斜穿孔，腔体形状采用球体，球体半径0.5mm，腔内气压为1.0atm，气体采用空气，液体采用水，固体颗粒采用粒径为0.2mm的橡胶颗粒，气液固三相的体积比为2：2：1。

本发明的有益效果：

本发明通过在穿孔板内设置封闭的腔体，并在腔体内填充吸声材料，从而有效提高穿孔板共振吸声装置的吸声系数、拓宽吸声频带，在不增加体积的情况下提高了装置的适用范围。

附图说明

图1为本发明的穿孔板共振吸声装置的结构示意图。

图2是本发明的穿孔板共振吸声装置的剖视示意图。

图3是图2的局部放大示意图。

具体实施方式

如图1～3所示，本实施例的穿孔板共振吸声装置包括：穿孔板1、穿孔2、封闭腔体3、装在腔体内的吸声材料4以及板后空腔5，吸声材料4为液体和固体颗粒中的至少一种，即封闭腔体3内可以是只填充液体或固体颗粒，还可以同时填充液体和固体颗粒。

本实施例可采用3D打印技术，根据具体降噪需求，设计最优的共振吸声用穿孔板板体结构方案，包括穿孔的类型、腔体的类型、板体材料及其厚度等相关参数，导入3D打印控制系统，直接打印出符合要求的穿孔板1。

本实施例中，穿孔2的结构包括斜孔和弯曲孔，斜孔是在板体上布置与板体表面呈一定倾斜角度的穿孔，包括圆柱孔、方形柱孔、椭圆柱孔、圆台孔和其他异型柱孔；弯曲孔是在板体上布置孔深方向截面积连续变化的弯曲孔，所有的穿孔2孔壁是粗糙不平的，粗糙度Ra>50μm。

封闭腔体3的形状多样，球形、不规则的形状或其他各类形状，封闭腔体3在板体内部多层排列。

打印穿孔和封闭腔体时，要求穿孔内壁和腔体内壁是粗糙不平的，穿孔内壁的粗糙度Ra>50μm，腔体内壁的粗糙度为Ra>50μm，打印封闭腔体3过程中，若腔体中充填的是固体颗粒，则将选用的颗粒材料通过打印填充入腔体内；当腔体中充填的液体是黏滞性流体，在低于该黏滞性流体凝点的温度下，直接将固化的流体通过打印填充入腔体内，常温下，腔体内的黏滞性流体液化，储存在封闭腔体3内。

根据上述实施方法，可针对不同使用环境、不同吸声频率特性要求，生产出具有不同穿孔结构类型和腔体结构类型，采用特定材料制成的共振吸声用穿孔板。

以下对不同结构的穿孔板共振吸声装置的吸声系数进行对比，各实施例的结构如下：

对比例：直通孔的穿孔板共振吸声装置；

实施例1：直通孔的穿孔板，设有腔体，腔体内注入水的共振吸声装置；

实施例2：直通孔的穿孔板，设有腔体，腔体填充有粒径为1.0mm的橡胶的共振吸声装置；

实施例3：直通孔的穿孔板，设有空腔，腔体内注入水和粒径为1.0mm的橡胶颗粒的共振吸声装置；

实施例4：斜穿孔的穿孔板，设有空腔，腔体内注入硅油和粒径为1.0mm的橡胶颗粒的共振吸声装置；

实施例5：横截面变化的斜穿孔的穿孔板，腔体内注入硅油和粒径为1.5mm的橡胶颗粒的共振吸声装置。

各实施例测量到的吸声系数如下：

Claims (8)

1.一种具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置，包括穿孔板和板后空腔，其特征在于，所述穿孔板的内部设有封闭的腔体，所述腔体内部分空间充填有液体和固体颗粒中的至少一种。

2.如权利要求1所述的具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置，其特征在于，所述穿孔板的穿孔的内壁相对穿孔板厚度方向倾斜设置。

3.如权利要求1或2所述的具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置，其特征在于，所述穿孔板的穿孔的横截面沿穿孔板厚度方向连续变化。

4.如权利要求3所述的具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置，其特征在于，所述穿孔板的穿孔的内壁粗糙度Ra>50μm。

5.如权利要求1或2所述的具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置，其特征在于，所述液体的黏度不小于1cP。

6.如权利要求1或2所述的具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置，其特征在于，所述的固体颗粒为沙砾和橡胶颗粒中的至少一种。

7.如权利要求1或2所述的具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置，其特征在于，所述腔体内的气压为1～1.5atm。

8.如权利要求1或2所述的具有内置腔体的穿孔板共振吸声装置，其特征在于，所述腔体的内壁粗糙度Ra>50μm。