CN105818948A - 一种自主成型薄膜吸声体及其吸声结构 - Google Patents

Abstract

本发明适用于吸声降噪技术领域，提供了一种自主成型的薄膜吸声体及其吸声结构。薄膜吸声体包括至少两层从内到外依次包裹噪声源的薄膜吸声结构，并且，相邻的两层薄膜吸声结构之间设置有间隙。每层薄膜吸声结构包括薄膜体以及骨架，薄膜体内填充有气体，骨架为中空。骨架围设在噪声源周围，薄膜体围设于骨架内部的空间内或包裹骨架的外表面。本发明的薄膜吸声体骨架对薄膜体具有支撑作用，无需利用墙面固定薄膜体，避免了于噪声源上安装墙面的麻烦操作，也不会对噪声源的外表面造成影响。同时，骨架自主成型，从而薄膜体的形状能跟随噪声源外轮廓形状的变化而变化，特别适合于给噪声源周围存在的某些特定的不规则空间吸声。

Description

一种自主成型薄膜吸声体及其吸声结构

技术领域

本发明属于吸声降噪技术领域，尤其涉及一种自主成型薄膜吸声体及其吸声结构。

背景技术

潜艇的特点是隐蔽性好，而随着反潜技术和反潜武器的发展，潜艇受到的威胁也日渐增大。为了提高自己的生存能力，潜艇必须降低自己的噪音。

潜艇噪音主要来源于以下几个方面：1、艇内机械转动引起的空气噪声。2、机械运转和震动传播到艇壳的结构噪声。3、艇内循环系统的流体流动噪声。4、潜艇潜航时艇体及突出部形成的紊流噪声。5、螺旋桨转动推进引起的噪声。通过设置水下侦听器，或利于舰船和飞机上的主动声纳和被动声纳探测水中的噪音信号，对信号分析处理后可判定潜艇的位置。

机械噪声是由于运动件之间以及运动件与固定件之间周期性变化的机械运动而产生的，它与激发力的大小、运动件的结构等因素有关。主要有活塞敲击噪声和气门机械噪声。

机械噪声声波，相对于电波来讲，由于其在水中传播速度快、衰减小(在水中的衰减要比电磁波和光波小2～3个数量级)等特点，是海洋中唯一能够远距离传播的能量辐射形式。

在当前以及可预见的未来，对潜艇的探测仍然将依靠探测声场的变化。声呐探测技术主要是通过探测目标潜艇发出的噪声的来源及方向而非通过自身发出噪声来定位。主动式声呐探测距离一般在5～10海里，主要起定位作用；被动式声呐探测距离在20～100海里，主要起判别方向的作用。

当潜艇隐蔽航行时，其发动机发出的大量的机械噪声频率在50Hz～60Hz左右。此频率属于超低频噪声，在海水中能够有较远的传播距离。资料显示，噪声降低6dB时，被声呐探测距离可增加一倍。因此，降低潜艇航行时的超低频机械噪声对于潜艇的生存，其意义是不言而喻的。

对于超低频率指80Hz以下的频率。常规吸声体(如多孔材料、穿孔板构造、空间尖劈等)对于超低频率效率极低，几乎无用。目前，较先进的潜艇降噪技术是采用在潜艇外围包裹“消声瓦”。但消声瓦在300Hz以下的低频吸声和隔声性能往往不够理想。

薄膜吸声体原理如下：不透气软质膜状材料与其背后的封闭空气层形成一个质量—弹簧系统。当受到声波作用时，在该系统共振频率附近具有最大的声吸收。

对于无外力薄膜吸声结构，其共振频率的计算公式为；

$f_0=\frac{600}{\sqrt{mL}}$

式中f₀——共振频率，Hz；

m——薄膜的单位面积重量，kg/m²；

L——薄膜背后封闭空气层的厚度，cm。

请参见图1，为常规薄膜吸声构造，其使用方法是将噪声源周围“包住”，达到吸收某一特定频率噪声的目的。

1、吸收超低频时，现有薄膜吸声构造存在三个问题：

(1)、单一尺寸导致无法吸收组合频率噪声

由图1可以看出，对于确定的膜面密度和空气间层，该薄膜吸声构造100＇可以吸收且只能吸收某一特定频率噪声，即常规薄膜吸声构造100＇的单一性决定了想要同时吸收又不同频率组合的噪声是极为困难的，薄膜吸声体不能吸收多个频率的组合频率。

(2)、单层构造导致吸声面积小

由图1可以看出，常规薄膜吸声构造100＇的吸声面积在理论上最大只能达到将噪声源“包住”的周围面积。事实上，对于潜艇的柴油发动机来说，由于种种限制，采用常规薄膜吸声构造100＇的吸声面积远小于理论吸声面积。因此，总吸声量达不到要求。

(3)、单一构造导致无法吸收不规则小空间噪声

由于潜艇的柴油发动机周围存在不规则空间，对于某些特定的不规则小空间，常规薄膜吸声技术无法形成有效的吸声构造，导致吸声失败，噪声外溢。

2、吸收超低频时，现有膜材料存在的问题：

对于特定频率——潜水艇、船用柴油机噪声频率50-60HZ，可根据

$50=\frac{134.1614}{\sqrt{m_{50}}}$

求得

m₅₀＝7.2kg/m²

一般地，薄膜厚度小于1mm，以0.5mm为例，该薄膜的容重为

m₅₀u＝7.2kg/m²/0.5mm＝14400kg/m³

根据上述计算，采用0.5mm膜厚时，14400kg/m³的容重已高于钢铁材料一倍。这是现有的任何薄膜材料根本无法达到的面密度要求。

事实上，高的面密度要求本身对于薄膜材料是致命的悖论。因为对于常规材料来说，面密度与刚性成正相关，即面密度越高，材料越呈刚性，无法作为薄膜表皮。以目前材料选择，只有氟塑料最接近。

氟塑料的特性：氟塑料密度2.21kg/m²，为不燃材料，绝缘效果好。但氟塑料薄膜面密度距离7.2kg/m²仍有较大差距。因此，以目前的材料和技术条件，尚无解决这一矛盾的有效方法。

分析现有常规薄膜吸声构造100＇，可以发现现有的常规薄膜吸声构100＇，其吸声体本身不能自主成型，无论是构造空间的形状，还是空气间层10＇的厚度，均需依靠空气间层10＇后的墙面200，墙面200组成了常规薄膜吸声构造100＇的一部分。然而，于噪声源上安装墙面200，需要建立噪声源与墙面200的连接关系，对噪声源的外表面造成影响，并且需要拆卸薄膜吸声体时，需要拆卸墙面200，可见，墙面200的安装及后续的拆卸工作都十分麻烦。事实上，根据薄膜吸声体原理，其吸声机制在于形成封闭空气层形成一个质量—弹簧系统，以其共振来将声能转化为热能。因此封闭空气层与弹性表皮为必须，而墙体200非必须。

综上所述，虽然薄膜吸声构造可以吸收低频噪声，对于潜艇降噪具有潜在价值，但现有薄膜吸声技术无论在构造和材料方面均存在不可逾越的技术障碍。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种自主成型薄膜吸声体及其吸声结构，旨在解决现有的薄膜吸声构造所存在的需要依赖墙面的问题。

本发明是这样实现的，一种自主成型的薄膜吸声结构，包括薄膜体，所述薄膜体内填充有气体，所述薄膜吸声结构还包括骨架，所述骨架为中空状；所述骨架围设在噪声源周围，所述薄膜体围设于所述骨架内部的空间内或包裹所述骨架的外表面。

进一步地，所述骨架内部的空间形状或外部轮廓与噪声源外部轮廓的尺寸、形状相匹配。

进一步地，所述薄膜体的膜体由至少两层的薄膜合成。

进一步地，所述薄膜由高密度、耐火、耐腐蚀、无毒、韧性好、强度高的材料制造而成。

进一步地，所述薄膜体具有多个面密度不相同的区域，每一所述区域的面密度与噪声源在该位置的噪声频率的大小相适应。

进一步地，所述骨架由若干杆件围设而成。

进一步地，相邻两个杆件之间的连接方式为可拆卸连接和/或枢接。

本发明还提供了一种自主成型的薄膜吸声体，包括至少两层上述的薄膜吸声结构，所述的至少两层薄膜吸声结构从内到外依次包裹噪声源，并且，相邻的两层薄膜吸声结构之间设置有间隙。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明的薄膜吸声体及其吸声结构设置有骨架，骨架对薄膜体具有支撑作用，无需利用墙面固定薄膜体，因此，避免了于噪声源上安装墙面的麻烦操作，由于骨架与噪声源并没有连接关系，所以拆卸薄膜吸声体时并不会对噪声源的外表面造成影响。同时，骨架内部的空间形状或外部轮廓可根据具体噪声源外轮廓形状自主成型，从而被骨架支撑起来的薄膜体的形状能跟随噪声源外轮廓形状的变化而变化，特别适合于给噪声源周围存在的某些特定的不规则空间吸声。

附图说明

图1是现有技术中的薄膜吸声结构安装在墙面上的纵向剖视示意图。

图2a是本发明实施例提供的第一种骨架的立体结构示意图。

图2b是本发明实施例提供的第二种骨架的立体结构示意图。

图2c是本发明实施例提供的第三种骨架的立体结构示意图。

图2d是本发明实施例提供的第四种骨架的立体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供了一种自主成型的薄膜吸声体及其薄膜吸声结构，其中，薄膜吸声结构包括薄膜体以及骨架。骨架为中空状，其围设在噪声源周围；薄膜体内填充有气体，其围设于骨架内部的空间内或包裹骨架的外表面。

进一步地，骨架内部的空间形状或外部轮廓可根据具体噪声源外轮廓形状自主成型，使得骨架内部的空间形状或外部轮廓可与噪声源外部轮廓的的尺寸、形状相匹配。从而，被骨架支撑起来的薄膜体的形状能跟随噪声源外轮廓形状的变化而变化。即薄膜吸声结构能设计成多种体积、多种形状，，特别适合于给噪声源周围存在的某些特定的不规则空间吸声(例如潜艇的柴油发动机周围的不规则空间)。

请参见图2a至2d，为本实施例提供的骨架1的四种结构，骨架1内部空间的形状与噪声源外部轮廓的形状相匹配。这四种骨架1均由若干杆件11围设而成，相邻两个杆件11之间的连接方式为可拆卸连接和/或枢接。为了保证骨架1整体的稳定性，同时又使骨架1可便于折叠以及拆卸，本实施例骨架11中杆件11之间的连接方式采用可拆卸连接与枢接结合的方式进行连接，从而需要拆卸薄膜吸声结构时，可将部分杆件11间的连接关系拆开，从而将骨架1打开，脱离噪声源。当薄膜吸声结构不需要使用时，可通过杆件11间的枢接结构调节杆件11之间的角度，使骨架1折叠起来摆放，节省空间。使用时，将骨架1打开，往薄膜体(图中未示出)内充入气体，必要时可做救生器材。

薄膜吸声结构中的骨架1对薄膜体具有支撑作用，无需利用墙面固定薄膜体，因此，避免了于噪声源上安装墙面的麻烦操作，由于骨架1与噪声源并没有连接关系，所以拆卸薄膜吸声体时并不会对噪声源的外表面造成影响。

骨架1的制作材料应满足强度高、耐火、耐腐蚀、无毒等要求，可采用金属、碳纤维或工程塑料。薄膜体的制作材料应满足超高密度、耐火、耐腐蚀、无毒、韧性好、强度高等要求。

当L(体量，尺寸)固定时，吸声频率f_i是薄膜面密度m_i的函数。

一般情况下，取L＝20(cm)为吸声体直径时，则

$f_i=\frac{600}{\sqrt{20m_i}}$

$f_0=\frac{600}{\sqrt{20m_0}}$

上式表明，该体量的吸声体可以吸收不同的指定频率以及组合频率。

当变换m_i，可得到体量相同，但可吸收不同频率的薄膜吸声体。同理，当改变L时，亦可得到上述结论。

经计算，当采用空腔的厚度L＝40cm，主要吸收频率在60Hz左右时，材料的面密度大概在2.2kg/m²左右，而目前只有氟塑料能满足这一要求。

于本实施例中，薄膜体的膜体由至少两层的薄膜合成。优化地，薄膜为氟塑料薄膜。每层氟塑料薄膜的厚度为0.5mm，采用三层氟塑料薄膜合成后，膜体的厚度为1.5mm，既保持了韧性好、强度高的特点，其面密度接近7.2kg/m²。当然，膜材料还可以采用超高密度、耐火、耐腐蚀、无毒、弹性好、强度高的超材料。

薄膜体具有多个面密度不相同的区域(不同的区域可分别用不同的颜色或标志加以区分)，每一区域的面密度与噪声源在该位置的噪声频率的大小相适应。由于面密度的不同，因为薄膜体在龙骨1骨架的不同方向可呈现不同的钢度，而且由该薄膜体构成的薄膜吸声结构可吸收具有两个或以上频率组合的噪声。

本实施例还提供了一种自主成型的薄膜吸声体，包括至少两层上述所述的薄膜吸声结构，至少两层的薄膜吸声结构从内到外依次包裹噪声源，最外层密实连接。并且，相邻的两层薄膜吸声结构之间设置有间隙，各层间的薄膜吸声结构可多个方向设置，其吸声面积远远大于一层薄膜吸声结构的吸声面积。在实际应用中，需要吸收一些不规则小空间的噪声时，先根据噪声源具体的外形制作好具有相应形状的薄膜吸声结构，然而再根据不规则空间的大小放置一个或多个薄膜吸声结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自主成型的薄膜吸声结构，包括薄膜体，所述薄膜体内填充有气体，其特征在于，所述薄膜吸声结构还包括骨架，所述骨架为中空状；所述骨架围设在噪声源周围，所述薄膜体围设于所述骨架内部的空间内或包裹所述骨架的外表面。

2.如权利要求1所述的自主成型的薄膜吸声结构，其特征在于，所述骨架内部的空间形状或外部轮廓与噪声源外部轮廓的尺寸、形状相匹配。

3.如权利要求1所述的自主成型的薄膜吸声结构，其特征在于，所述薄膜体的膜体由至少两层的薄膜合成。

4.如权利要求3所述的自主成型的薄膜吸声结构，其特征在于，所述薄膜由高密度、耐火、耐腐蚀、无毒、韧性好、强度高的材料制造而成。

5.如权利要求1所述的自主成型的薄膜吸声结构，其特征在于，所述薄膜体具有多个面密度不相同的区域，每一所述区域的面密度与噪声源在该位置的噪声频率的大小相适应。

6.如权利要求1所述的自主成型的薄膜吸声结构，其特征在于，所述骨架由若干杆件围设而成。

7.如权利要求6所述的自主成型的薄膜吸声结构，其特征在于，相邻两个杆件之间的连接方式为可拆卸连接和/或枢接。

8.一种自主成型的薄膜吸声体，其特征在于，包括至少两层如权利要求1至7任意一项所述的薄膜吸声结构，所述的至少两层薄膜吸声结构从内到外依次包裹噪声源，并且，相邻的两层薄膜吸声结构之间设置有间隙。