CN105551478A - 一种磁力负刚度多频吸声装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种磁力负刚度多频吸声装置及方法，涉及吸声领域，包括多个相连的吸声单元，所述吸声单元包括：基体、振膜、质量片和磁力棒；所述基体为带有空腔且上表面开口的壳体，所述基体上表面由所述振膜密封，所述质量片放置于所述振膜上方，所述磁力棒竖直置于所述基体的空腔内，相邻的吸声单元中的所述磁力棒的高度不等。本发明提供的每个吸声单元的磁力棒的高度不等，使得每个吸声单元的共振频率也不同，增加了磁力负刚度多频吸声结构的吸声带宽，从而改善了吸声效果。

Description

一种磁力负刚度多频吸声装置及方法

技术领域

本发明涉及吸声领域，尤其涉及一种磁力负刚度多频装置及方法。

背景技术

在噪声控制领域，膜材料是常用的吸声材料之一。薄膜结合封闭空腔组成共振吸声结构，它的吸声特性与膜的张力、面密度及背腔深度有关，通常在共振频率附近有较好的吸声性能，实际应用时常结合微穿孔等方法来拓展其吸声带宽。

微穿孔吸声结构在众多的共振吸声结构中，占有极其重要的地位。自上世纪七十年代马大猷院士奠基性工作后，微穿孔板吸声结构已作为一种重要的噪声控制措施在不同领域广泛应用，并不断地衍生出新的结构和应用。其中包括管束穿孔板吸声结构，利用管束与空腔的管-腔共振提升中低频吸声性能；采取机械阻抗等措施来提高微穿孔板结构吸声带宽。在微穿孔板的基础上，一些学者研究了其他形式的共振吸声结构，如狭缝吸声结构、微穿孔薄膜吸声结构等。这些吸声结构与微穿孔板均基于相同的原理，即孔/缝与空腔的共振吸声。

为了进一步提升微穿孔吸声结构的低频吸声性能，一种较为新颖的思想是在微穿孔板的基础上引入主动控制，形成主-被动混合吸声结构。在其他共振结构中，比较典型的是分流扬声器设计实现的低频共振吸声结构，还有一种薄膜吸收型声学超材料，它是由一个带有不对称刚性片晶的弹性薄膜构成，这样选择的目的是为了在共振频率从100到1000Hz范围内可以完全地吸收空气中传播的低频声波。

然而以上结构中，都未涉及同时解决低频共振吸声结构中背腔深度较大和低频轻薄结构中频带较窄的问题，使得这种结构在需要轻薄吸声结构的实际工程应用中遇到了一定的困难。鉴于此，亟待另辟蹊径解决薄膜/板吸声结构低频吸声背腔较大且难以实现薄型低频吸声结构的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出了解决上述技术问题的一种磁力负刚度多频吸声装置及方法，实现薄型低频吸声效果。

第一方面，本发明提供一种磁力负刚度多频吸声装置，包括多个相连的吸声单元，所述吸声单元包括：基体、振膜、质量片和磁力棒；所述基体为带有空腔且上表面开口的壳体，所述基体上表面由所述振膜密封，所述质量片放置于所述振膜上方，所述磁力棒竖直置于所述基体的空腔内，相邻的吸声单元中的所述磁力棒的高度不等。

优选的，所述多个吸声单元中的磁力棒的高度呈周期性排布。

优选的，所述质量片为铁片或铁合金片。

优选的，所述磁力棒设于所述质量片的正下方。

优选的，所述多个吸声单元之间互相封闭。

优选的，所述磁力棒的高度最大满足在所述磁力棒竖直置于所述基体内时所述磁力棒恰好不能吸住所述质量片的条件。

优选的，所述振膜为弹性薄膜。

优选的，所述质量片的形状为矩形、六角形、椭圆形或者不规则形状；所述磁棒为圆柱体或不规则的结构。

第二方面，本发明提供一种磁力负刚度多频吸声方法，应用于权利要求上述的磁力负刚度多频吸声装置，包括如下步骤：

利用多个吸声单元中的振膜、基体和空腔共同形成具有正刚度的空气弹簧；

利用多个吸声单元中的质量片和所述磁力棒形成具有负刚度的磁力弹簧；

通过磁力弹簧的负刚度来减弱空气弹簧的正刚度；

利用所述多个吸声单元中的磁力棒的高度不等，吸收不同频段的声音。

优选的，所述多个吸声单元中的磁力棒的高度呈周期性排布。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种磁力负刚度多频吸声装置及方法，每个吸声单元利用所述振膜和基体之间设有质量片与磁力棒形成具有负刚度的磁力弹簧，通过磁力弹簧的负刚度来减弱空气弹簧的正刚度，以较小的空腔深度实现低频吸声。每个吸声单元的磁力棒的高度不等，通过改变每个空腔结构中磁力棒与质量片之间的距离实现磁力弹簧负刚度的改变，质量片与磁力棒之间形成的磁力弹簧的负刚度各不相同，使得每个吸声单元的共振频率也不同，整个装置有多个吸收峰，增加了磁力负刚度多频吸声结构的吸声带宽，从而改善了吸声效果。

附图说明

图1a为本发明实施例提供的磁力负刚度吸声装置的结构示意图；

图1b为本发明实施例提供的磁力负刚度吸声装置的结构俯视图；

图2为振动模型示意图；

图3为本发明一实施例提供的磁力负刚度吸声方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1a示出了本发明一实施例提供的磁力负刚度吸声装置的结构示意图，图1b为本发明一实施例提供的磁力负刚度吸声装置的结构俯视图，如图1a和图1b所示，本实施例的磁力负刚度吸声装置多个吸声单元11，所述吸声单元包括：基体12、振膜13、质量片14和磁力棒15；所述基体12为带有空腔且上表面开口的壳体，所述基体12上表面由所述振膜13密封，所述质量片14放置于所述振膜13上方，所述磁力棒15竖直置于所述基体12的空腔内，相邻的吸声单元中的所述磁力棒15的高度不等。

其中，磁力棒15与质量片14之间形成磁力吸附作用，每个吸声单元11的形状可根据基体12壁的形状均匀分割为矩形或其他规则形状。

本实施例中，通过每个吸声单元11利用所述振膜13和基体12之间设有质量片14与磁力棒15形成具有负刚度的磁力弹簧，通过磁力弹簧的负刚度来减弱空气弹簧的正刚度，以较小的空腔深度实现低频吸声。每个吸声单元11的磁力棒15的高度不等，通过改变每个管腔结构中磁力棒15与质量片14之间的距离实现磁力弹簧负刚度的改变，质量片14与磁力棒15之间形成的磁力弹簧的负刚度各不相同，使得每个吸声单元11的共振频率也不同，增加了磁力负刚度多频吸声结构的吸声带宽，从而改变整个吸声结构的吸声效果。

进一步的，所述多个吸声单元11中的磁力棒15的高度呈周期性排布，使得各个吸声单元11吸收声音的频率不相同并且可吸收的声音频率按周期性排布。

本实施例中，周期性排布的磁力棒15可以周期性的吸收不同频段的声音，整个装置有多个吸收峰，具有多频、宽频的吸声特性。

进一步的，所述质量片14为铁片或铁合金片。

本实施例中，每个吸声单元11所覆贴的振膜13中心处设有质量片14，质量片14为铁片或铁合金片，质量片14与磁力棒15之间通过磁力互相吸引。

进一步的，所述磁力棒15设于所述质量片14的正下方。

本实施例中，所述磁力棒15为圆柱体或不规则的结构，设于每个吸声单元11的空腔内并且位于质量片14正下方，使得所述质量片14与磁力棒15相互吸引。

通过将磁力棒15设于质量片14的正下方，使得质量片14与磁力棒15之间的磁力最大的被利用。

进一步的，所述多个吸声单元11之间互相封闭。

所述磁力棒15的高度最大为在所述基体12内未放置所述磁力棒15时所述振膜在所述质量片14的压力下的最低点到所述基体12底部的距离；

所述磁力棒15的高度最小满足在所述磁力棒15竖直置于所述基体12内时所述磁力棒15恰好不能吸住所述质量片14的条件。

进一步的，所述磁力棒15的高度最大为所述磁力棒15恰好不能吸住所述质量片14的距离。

本实施例中，所述磁力棒15与质量片14之间的距离可调，通过改变每个单元中磁力棒15与质量片14之间的距离实现磁力弹簧负刚度的改变，引起各吸声单元11内刚度的变化。

由于每个吸声单元11中磁力棒15与质量片14的距离不同，质量片14与磁力棒15形成的磁力弹簧的负刚度也各不相同，对于正刚度的减弱各不相同，使得每个吸声单元11的吸声频率也不同，从而改变整个周期吸声结构的吸声效果。

其中，吸声单元11空腔的深度范围最小可在1～10cm之间调节，由于每个吸声单元11中的磁力棒15与质量片14之间的距离呈周期排布，可吸收不同频段的声音，该周期吸声结构能够以较小的空腔深度实现低频吸声，具有多频、宽频的吸声特性。

进一步的，所述质量片14的形状为矩形、六角形、椭圆形或者不规则形状；所述磁棒为圆柱体或不规则的结构。

上述磁力负刚度吸声装置的工作原理如下描述；

当声波到达振膜13表面时，声波分别经由附有质量片14的振膜13和所述空腔，同时空腔中的磁力棒15对质量片14具有磁力吸引作用，首先利用振膜13振动的吸声耗能，声波引发振膜13振动，带动质量片14随之振动，进入刚性壁中的空腔内。所述振膜13和空腔壁围成的吸声空腔组成的系统类似于赫姆霍兹共振器，振动模型如图2所示的单个吸声单元中弹簧质量块模型，附有质量片的振膜组成质量块23，振膜、空腔和刚性壁共同形成空气弹簧21，所述质量片和磁力棒组成的吸力结构，形成具有负刚度的磁力弹簧22。磁力弹簧22的负刚度与吸声空腔中的空气弹簧21的正刚度相对抗，能够实现该结构的低频吸声。

质量片和磁力棒组成的吸力结构中磁力棒与质量片之间的距离呈周期排布，可吸收不同频段的声音，可以通过改变每个吸声单元中磁力棒与质量片之间的距离实现磁力弹簧负刚度的改变，从而使得每个单元的吸声效果不同；该周期吸声结构能够实现以较小的空腔深度实现低频吸声，具有多频、宽频的吸声特性。

需要说明的是，空腔的数量、排列和磁力棒与质量片之间的距离，仅用于进行示例性说明，可以根据实际情况设定，并不作为本发明的具体限定。同时，磁力棒的加磁方式，只要满足前述吸声共同体的功能需要均在本申请请求保护的范围内。

图3示出了本发明一实施例提供的磁力负刚度吸声方法的流程示意图。

301、利用多个吸声单元中的振膜、基体和空腔共同形成具有正刚度的空气弹簧；

302、利用多个吸声单元中的质量片和所述磁力棒形成具有负刚度的磁力弹簧；

303通过磁力弹簧的负刚度来减弱空气弹簧的正刚度；

304、利用所述多个吸声单元中的磁力棒的高度不等，吸收不同频段的声音。

在本发明的实施例中，所述多个吸声单元中的磁力棒的高度呈周期性排布。

本实施例中，振膜和基体壁之间设有质量片与磁力棒，磁力棒和质量片形成具有负刚度的磁力弹簧，通过磁力弹簧的负刚度来减弱空气弹簧的正刚度，以较小的空腔深度实现低频吸声。通过改变每个吸声单元中磁力棒与质量片之间的距离实现磁力弹簧负刚度的改变。每个吸声单元中磁力棒与质量片的距离呈周期排布，质量片与磁力棒之间形成的磁力弹簧的负刚度也各不相同，使得每个吸声单元的共振频率也不同，有多个吸收峰，增加了吸声带宽，从而达到了良好的吸声效果。

本领域技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在于该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是互相排斥之处，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

最后应说明的是：本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种磁力负刚度多频吸声装置，其特征在于，包括多个相连的吸声单元，所述吸声单元包括：基体、振膜、质量片和磁力棒；所述基体为带有空腔且上表面开口的壳体，所述基体上表面由所述振膜密封，所述质量片放置于所述振膜上方，所述磁力棒竖直置于所述基体的空腔内，相邻的吸声单元中的所述磁力棒的高度不等。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个吸声单元中的磁力棒的高度呈周期性排布。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述质量片为铁片或铁合金片。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁力棒设于所述质量片的正下方。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个吸声单元之间互相封闭。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁力棒的高度最大满足在所述磁力棒竖直置于所述基体内时所述磁力棒恰好不能吸住所述质量片的条件。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述振膜为弹性薄膜。

8.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述质量片的形状为矩形、六角形、椭圆形或者不规则形状；所述磁棒为圆柱体或不规则的结构。

9.一种磁力负刚度多频吸声方法，其特征在于，应用于权利要求1-8任意一项所述的磁力负刚度多频吸声装置，包括如下步骤：

利用多个吸声单元中的振膜、基体和空腔共同形成具有正刚度的空气弹簧；

利用多个吸声单元中的质量片和所述磁力棒形成具有负刚度的磁力弹簧；

通过磁力弹簧的负刚度来减弱空气弹簧的正刚度；

利用所述多个吸声单元中的磁力棒的高度不等，吸收不同频段的声音。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多个吸声单元中的磁力棒的高度呈周期性排布。