CN105931629A - 一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构，属于声学技术领域，所述复合吸声结构由上毡层、中毡层及下毡层依次固接后形成；所述上毡层、下毡层和中毡层均为金属纤维毡；其中，上毡层和下毡层的厚度相等，均为1.5mm～5mm；所述中毡层的厚度等于或小于上毡层和下毡层的厚度；中毡层的表面均匀分布有一个以上通孔，通孔的轴线方向与中毡层的高度方向一致；通孔内均固定有薄膜；所述薄膜的形状与通孔的径向截面形状一致，且每个通孔内的薄膜位于同一平面内；每个薄膜上固定有质量块；本发明用于改善金属纤维毡在低频范围为0‑1500Hz的吸声性能，通过引入声学超材料夹层与质量块来改善材料设定低频率吸声性能，具有频率可调、吸声性能优良的特点。

Description

一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构

技术领域

本发明属于声学技术领域，具体涉及一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构。

背景技术

噪声作为波传播的方式对人们日常生活具有普遍的影响，特别是高速铁路、航空运输等高速交通工具在运行过程中会产生较强的噪声，所以为了乘客的舒适性和减少噪声对环境的污染，降噪显得尤为重要。另外一方面，在军事领域，降低潜艇发动机噪声的可测性，以及排除低频噪声对声呐的干扰，是提高潜艇生存能力的关键技术之一。

日常生活中常用的吸声材料多为纤维性吸声材料、颗粒吸声材料、泡沫塑料材料等。但是一般纤维性吸声材料质软、强度低，有机纤维材料吸湿、易燃，无机纤维材料不易降解，对环境会造成二次污染。颗粒吸声材料性脆，受撞击后容易破碎，容易引起碎片坠落等安全性问题。而泡沫塑料在运输或安装施工过程中易于破损。总之，这些日常用的吸声材料都存在着诸多材料性能缺陷，不能适用于高温、高压、高声强环境。

金属多孔材料本身具有金属骨架和孔腔，通过声波引起空气的振动。由于摩擦和空气粘滞力，一部分声能转化为热能；另外，孔隙中的空气由于压缩放热、膨胀吸热，与纤维、孔壁进行热交换，也使得一部分声能吸收。因此金属多孔材料是一种理想的具有一定承载能力同时又具有良好的吸声功能的轻质吸声材料。其中，金属纤维毡是一类开孔的金属多孔吸声材料，由于其能够承受高温、高压、酸碱等恶劣环境，而被广泛应用于航空航天、核潜艇等军事领域的吸声降噪。

在声波垂直入射工况下，厚度为H的金属纤维毡吸声系数∝的表达式为：

$\∝=1-|\frac{Z-{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}{Z+{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}{|}^2$

其中，ρ₀为空气密度，c₀为声音在空气中的传播速度；

金属纤维毡表面阻抗Z＝-iZ_eqcot(k_eqH)，且Z_eq和k_eq表达式分别为：

$Z_{eq}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_{eq}}{K_{eq}}};k_{eq}=\mathrm{\ω}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_{eq}}{K_{eq}}}$

ρ_eq为金属纤维毡的等效密度，K_eq为金属纤维毡的等效体积模量，且ρ_eq和K_eq均根据Johnson-Champoux-Allard声学模型计算得出；

根据对金属纤维毡吸声系数∝的计算及实验研究发现，金属纤维毡利用摩擦和黏滞力作 用以及热交换效应吸声，具有中高频吸声性能优良而低频吸声较差的特点；而航天器在起飞时，由于噪音过大，容易使灵敏元器件失真或损坏。其起飞时的声强大约在130分贝到170分贝之间，所产生声音的频率涵盖了从0Hz到10000Hz的频段。其次，降低核潜艇的低频噪声的可测性是提高潜艇生存能力的关键技术之一。另外，高速铁路、航空运输等交通工具所产生的噪声，像大部分机器噪声、割草机、汽车发动机、交通噪声、中央空调冷却塔噪声等等的频率一般小于300Hz。

由于金属纤维毡的低频吸声特性很差，参见附图1为厚度分别为20mm、15mm、10mm的金属纤维毡从0Hz到6400Hz的吸声系数曲线图，可知厚度为20mm的金属纤维毡在低频1000Hz频率处的吸声系数仅0.3，而在高频5000Hz时的吸声系数可以高达0.8，所以如何改善金属纤维毡的低频吸声性能非常的急迫。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构，用于改善金属纤维毡在低频范围为0-1500Hz的吸声性能，通过引入声学超材料夹层与质量块来改善材料设定低频率吸声性能，具有频率可调、吸声性能良好的特点。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构由上毡层、中毡层及下毡层依次固接后形成；

所述上毡层、下毡层和中毡层均为金属纤维毡；其中，上毡层和下毡层的厚度相等，均为1.5mm～5mm；

所述中毡层的厚度等于或小于上毡层和下毡层的厚度；中毡层的表面均匀分布有一个以上通孔，通孔的轴线方向与中毡层的高度方向一致；通孔内均固定有薄膜；所述薄膜的形状与通孔的径向截面形状一致，且每个通孔内的薄膜位于同一平面内；每个薄膜上固定有质量块；

其中，所述薄膜为圆形或方形，其厚度为0.01mm～1mm，直径或边长为3mm～7mm；

所述质量块固结在薄膜表面，其厚度为薄膜厚度的1/4～2倍，质量块与薄膜的接触面积为薄膜表面积的10％～90％。

进一步的，所述上毡层、下毡层及中毡层的金属纤维毡的孔隙率为70％～95％，毡丝直径为8μm～150μm。

进一步的，所述中毡层上的通孔的径向截面为圆形或方形。

进一步的，所述中毡层上的通孔由两个尺寸相同的锥台形空腔的大端对接而成，所述薄膜固定在通孔的最大直径处。

进一步的，所述薄膜通过粘结或烧结固定于中毡层的通孔内。

进一步的，所述薄膜的材料为耐火橡胶、聚氨酯膜或铝膜。

进一步的，所述质量块为圆柱体或长方体，厚度为0.01mm～1mm，直径或边长为薄膜的直径或边长的0.1～0.8倍。

进一步的，所述质量块的材料为铝、铁、合金、高聚物材料或水泥。

进一步的，所述质量块通过粘结或烧结固定在薄膜的几何中心处。

进一步的，两层以上的复合吸声结构沿通孔的轴向排列形成整体复合结构时，在所形成的整体复合结构的上下表面分别覆有厚度为4mm的金属纤维毡层。

有益效果：(1)本发明中的上毡层和下毡层选用具有吸声能力的金属纤维毡及中毡层通孔内的薄膜具有的声场耦合增强功能，可以大大改善现有纯金属纤维毡的低频吸声性能，同时具备更轻质的特点，并通过调节单胞构形的几何参数，可以对复合吸声结构的低频吸声性能进行适应性调整。

(2)本发明的通过质量块构建声音共振耦合机制，从而增强金属纤维毡在低频域的吸声能力，并通过调整质量块的尺寸实现其在设定低频率的吸声性能的提高，实现吸声效果更好的毡膜复合吸声结构。

附图说明

图1为现有技术的厚度分别为20mm、15mm、10mm的金属纤维毡从0Hz到6400Hz的吸声系数曲线图。

图2为本发明的通孔为圆形的结构示意图。

图3为本发明的通孔为方形的结构示意图。

图4为本发明的实例1的单胞构形结构示意图。

图5为本发明的实例2的单胞构形结构示意图。

图6为本发明实际加工样品试件的复合材料剖面示意图。

图7为本发明的实例1及2的吸声效果图。

图8为本发明的实例3的吸声效果图。

其中，1-上毡层，2-下毡层，3-中毡层，4-通孔，5-薄膜，6-质量块。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构，参见附图2、3，所述复合吸 声结构由上毡层1、中毡层3及下毡层2依次固接后形成；

所述上毡层1、下毡层2和中毡层3均为具有高孔隙率、开孔的金属纤维毡，金属纤维毡的孔隙率一般为70％到95％之间，毡丝直径为8μm到150μm之间，能够使声音容易进入且具有较好的声损耗能力；

其中，上毡层1和下毡层2的厚度相等，均为1.5mm到5mm之间，也可根据实际使用情况适当加厚；

所述中毡层3的厚度等于或小于上毡层1和下毡层2的厚度；中毡层3的表面均匀分布有多个通孔4，通孔4的轴线方向与中毡层3的高度方向一致；所述通孔4为圆形、方形或由两个尺寸相同的锥台形空腔的大端对接而成；通孔4内均固定有薄膜5；所述薄膜5的形状与通孔4的径向截面形状一致，且每个通孔4内的薄膜5位于同一平面内；每个薄膜5上固定有质量块6；通孔4内的填充材料为空气或密度和模量远低于上毡层1、下毡层2和中毡层3和薄膜5的材料；

其中，薄膜5通过粘结或烧结固定于中毡层3的通孔4内，当通孔4由两个锥台形空腔的大端对接而成时，薄膜5固定在通孔4的最大直径处；薄膜5的材料选用质地较软且具有较强阻尼的材料，比如耐火橡胶、聚氨酯膜或铝膜，能够使声波入射到薄膜5时，具有反射、透射和被损耗吸收的特点；薄膜5为圆形或方形，其厚度为0.01mm～1mm，直径或边长为3mm～7mm，也可根据实际使用情况适当调整；

所述质量块6为圆柱体或长方体，厚度为0.01mm到1mm之间，直径或边长为薄膜5的直径或边长的0.1～0.8倍，也可根据实际使用情况适当调整；质量块6通过粘结或烧结固定在薄膜5的几何中心处，在薄膜5上的位置也可以根据实际情况调整，从而引入偏心质量；质量块6的材料为常见的金属，比如铝、铁、合金等构成或由一定质量重物块构成，比如高聚物材料、水泥等；

所述复合吸声结构的具体制作步骤为：(1)在中毡层3上加工通孔4；(2)裁剪设定尺寸的薄膜5和质量块6，并将质量块6通过粘结或烧结固定在薄膜5表面；(3)利用3D打印或直接制作塑料环或金属环，薄膜5通过所述塑料环或金属环固定在通孔4中；(4)在中毡层3的上面和下面分别粘合或烧结上毡层1和下毡层2，组成完整的复合吸声结构；

或者(1)加工两个相同的带通孔4的中毡层3；(2)裁剪设定尺寸的薄膜5和质量块6，并将质量块6通过粘结或烧结固定在薄膜5表面；(3)将带质量块6的薄膜5固定在两个中毡层3的通孔4的连接处；(4)在中毡层3的上面和下面分别粘合或烧结上毡层1和下毡层2，组成完整的复合吸声结构。

实例1：

为了强化960Hz特定频率处的吸声系数，上毡层1、下毡层2和中毡层3均选取孔隙率为90％、材质为不锈钢的金属纤维毡，毡丝直径为50μm；薄膜5选用模量为50Mp、密度为1097kg/m³、泊松比为0.33的橡胶材料，质量块6选用模量为200GP、密度为7870kg/m³、泊松比为0.3的铝块；

参见附图4，将所述复合吸声结构均匀分割为单胞构形，所述单胞构形包括一个通孔4和一个薄膜5，当通孔4为方形或圆形时，通孔4的边长或内径为a，上毡层1的厚度为b1，下毡层2的厚度为b3，中毡层3的厚度为b2，薄膜5的厚度为h1，质量块6宽度为d、高度为h2；

设a＝4mm，b1＝b2＝b3＝2mm，h1＝0.2mm，d＝2mm，h2＝0.1mm，质量块6的几何中心与薄膜5的几何中心重合；设沿通孔4的轴线方向为y轴方向，沿通孔4的边长或直径方向为x轴方向及z轴方向；一个单胞构形沿x轴、z轴方向排列，铺满整个xz平面形成复合吸声结构；工作时，将该复合材料沿xz方向贴覆需要吸声物体的表面，使声音沿y轴方向入射；

为了方便对比，图7中的吸声效果图中同时给出了不加质量块6的复合吸声结构随频率变化曲线，其材料及几何参数与加质量块6的复合吸声结构的参数完全相同；通过对比得知，本发明加质量块6的复合吸声结构在960Hz处的吸声系数具有明显改善；加入质量块6后的复合吸声结构在960Hz处的吸声系数为0.559，不加质量块的复合吸声结构在960Hz处的吸声系数为0.379，而纯金属纤维毡在960Hz处的吸声系数仅有0.104；通过计算得知，改进后的复合吸声结构比不加质量块的复合吸声结构在960Hz处的吸声系数提高了48％，比纯金属纤维毡在960Hz处的吸声系数提高了4.4倍；

实例2：

为了强化960Hz特定频率处的吸声系数，上毡层1、下毡层2和中毡层3均选取孔隙率为90％、材质为不锈钢的金属纤维毡，毡丝直径为50μm；薄膜5选用模量为50Mp、密度为1097kg/m³、泊松比为0.33的橡胶材料，质量块6选用模量为200GP、密度为7870kg/m³、泊松比为0.3的铝块；

参见附图5，将所述复合吸声结构均匀分割为单胞构形，所述单胞构形包括一个通孔4和一个薄膜5，当通孔4由两个锥台形空腔的大端对接而成时，通孔4的最大内径为a，通孔4的最小内径为c，c为到之间；上毡层1、下毡层2及中毡层3的整体厚度为b，薄膜5的厚度为h，锥台形空腔母线的倾斜角度为θ，θ为30°到60°之间，质量块6宽度为d、高度为h2；

设a＝4mm，b＝6mm，h1＝0.2mm，d＝2mm，h2＝0.1mm，质量块6的几何中心与薄膜5的几何中心重合；设沿通孔4的轴线方向为y轴方向，沿通孔4的边长或直径方向为x轴方向及z 轴方向；一个单胞构形沿x轴、z轴方向排列，铺满整个xz平面形成复合吸声结构；工作时，将该复合材料沿xz方向贴覆需要吸声物体的表面，使声音沿y轴方向入射；

吸声效果与实例1相同；

实例3：

为了强化200Hz特定频率处的吸声系数，上毡层1、下毡层2和中毡层3均选取孔隙率为90％、材质为不锈钢的金属纤维毡，毡丝直径为50μm；薄膜5选用模量为50Mp、密度为1097kg/m³、泊松比为0.33的橡胶材料，质量块6选用模量为200GP、密度为7870kg/m³、泊松比为0.3的铝块；

参见附图4，将所述复合吸声结构均匀分割为单胞构形，所述单胞构形包括一个通孔4和一个薄膜5，当通孔4为方形或圆形时，通孔4的边长或内径为a，上毡层1的厚度为b1，下毡层2的厚度为b3，中毡层3的厚度为b2，薄膜5的厚度为h1，质量块6宽度为d、高度为h2；

设a＝6mm，b₁＝b₂＝b₃＝2mm，h1＝0.2mm，d＝2mm，h2＝0.4mm，质量块6的几何中心与薄膜5的几何中心重合；设沿通孔4的轴线方向为y轴方向，沿通孔4的边长或直径方向为x轴方向及z轴方向；一个单胞构形沿x轴、z轴方向排列，铺满整个xz平面形成复合吸声结构；工作时，将该复合材料沿xz方向贴覆需要吸声物体的表面，使声音沿y轴方向入射；

为了方便对比，图8中的吸声效果图中同时给出了不加质量块6的复合吸声结构随频率变化曲线，其材料参数与加质量块6的复合吸声结构的材料参数除了a＝7.5mm外，其它均相同；根据图8可以得知，本发明加质量块6的复合吸声结构在200Hz处的吸声系数具有明显改善；加入质量块6后的复合吸声结构在200Hz处的吸声系数为0.44，不加质量块6的复合吸声结构在200Hz处的吸声系数为0.167，而纯金属纤维毡在200Hz处的吸声系数仅有0.017；通过计算得知，改进后的复合吸声结构比不加质量块的复合吸声结构在200Hz处的吸声系数提高了2.6倍，比纯金属纤维毡在200Hz处的吸声系数提高了24.9倍；

实例4为实际加工样品试件的复合材料，参见附图6，三个沿y轴方向串联的单胞构形分别沿x轴、z轴方向排列，铺满整个xz平面形成多层复合吸声结构，并在多层复合吸声结构的上下表面分别覆有厚度为4mm的金属纤维毡层，以保护单胞构形不被破坏，其中，金属纤维毡与多层复合吸声结构之间通过粘结或烧结成整体，共同构成厚度为20mm的完整的复合吸声结构试件；工作时，将该复合吸声结构试件沿xz方向贴覆需要吸声物体的表面，使声音沿y轴方向入射；

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。

Claims (10)

1.一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构，其特征在于，所述复合吸声结构由上毡层(1)、中毡层(3)及下毡层(2)依次固接后形成；

所述上毡层(1)、下毡层(2)和中毡层(3)均为金属纤维毡；其中，上毡层(1)和下毡层(2)的厚度相等，均为1.5mm～5mm；

所述中毡层(3)的厚度等于或小于上毡层(1)和下毡层(2)的厚度；中毡层(3)的表面均匀分布有一个以上通孔(4)，通孔(4)的轴线方向与中毡层(3)的高度方向一致；通孔(4)内均固定有薄膜(5)；所述薄膜(5)的形状与通孔(4)的径向截面形状一致，且每个通孔(4)内的薄膜(5)位于同一平面内；每个薄膜(5)上固定有质量块(6)；

其中，所述薄膜(5)为圆形或方形，其厚度为0.01mm～1mm，直径或边长为3mm～7mm；

所述质量块(6)固结在薄膜表面，其厚度为薄膜厚度的1/4～2倍，质量块与薄膜的接触面积为薄膜表面积的10％～90％。

2.如权利要求1所述的一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构，其特征在于，所述上毡层(1)、下毡层(2)及中毡层(3)的金属纤维毡的孔隙率为70％～95％，毡丝直径为8μm～150μm。

3.如权利要求1所述的一种提高金属纤维毡低频吸声性能的复合吸声结构，其特征在于，所述中毡层(3)上的通孔(4)的径向截面为圆形或方形。

4.如权利要求1所述的一种提高金属纤维毡低频吸声性能的复合吸声结构，其特征在于，所述中毡层(3)上的通孔(4)由两个尺寸相同的锥台形空腔的大端对接而成，所述薄膜(5)固定在通孔(4)的最大直径处。

5.如权利要求1所述的一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构，其特征在于，所述薄膜(5)通过粘结或烧结固定于中毡层(3)的通孔(4)内。

6.如权利要求1所述的一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构，其特征在于，所述薄膜(5)的材料为耐火橡胶、聚氨酯膜或铝膜。

7.如权利要求1所述的一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构，其特征在于，所述质量块(6)为圆柱体或长方体，厚度为0.01mm～1mm，直径或边长为薄膜(5)的直径或边长的0.1～0.8倍。

8.如权利要求1所述的一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构，其特征在于，所述质量块(6)的材料为铝、铁、合金、高聚物材料或水泥。

9.如权利要求1所述的一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构，其特征在于，所述质量块(6)通过粘结或烧结固定在薄膜(5)的几何中心处。

10.如权利要求1所述的一种提高设定低频吸声性能的复合吸声结构，其特征在于，两层以上的复合吸声结构沿通孔(4)的轴向排列形成整体复合结构时，在所形成的整体复合结构的上下表面分别覆有厚度为4mm的金属纤维毡层。