CN105931630B - 一种提高金属纤维毡低频吸声性能的复合吸声结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高金属纤维毡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；所述薄膜的厚度为0.01mm～1mm；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来改善材料低频吸声性能的方法，具有频率可调、宽频、吸声性能良好的特点。

Description

一种提高金属纤维毡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，具体涉及一种提高金属纤维毡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：
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＝-iZeqcot(keqH)，且Zeq和keq表达式分别为：
ρeq为金属纤维毡的等效密度，Keq为金属纤维毡的等效体积模量，且ρeq和Keq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金属纤维毡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来改善材料低频吸声性能的方法，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：
一种提高金属纤维毡低频吸声性能的复合吸声结构，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；
所述薄膜的厚度为0.01mm～1mm。
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，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，在所形成的整体复合结构的上下表面分别覆有厚度为3.25mm的金属纤维毡层。
进一步的，所述中毡层上的通孔的直径或边长均设有两种不同的尺寸，且两种不同的尺寸的通孔在中毡层上间隔排布。
进一步的，形成所述通孔的锥台形空腔的最大直径设有两种不同的尺寸，且两种不同的尺寸的通孔在中毡层上间隔排布。
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)本发明的中毡层的通孔设有两种或更多不同的尺寸，并间隔周期排列，可以使金属纤维毡在宽频区域内均具有良好的吸声性能，大大改善了纯金属纤维毡的低频吸声性能；同时可以通过调节中毡层通孔尺寸来对复合吸声结构的吸声频带进行适应性调整。
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为本发明的实例3的复合吸声结构试件的结构示意图。
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。
图9为本发明的实例4的复合吸声结构试件的结构示意图。
图10为本发明的实例5的复合吸声结构试件的结构示意图。
图11为本发明的实例4及5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。
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金属纤维毡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；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；
所述复合吸声结构的具体制作步骤为：在中毡层3上加工通孔4，然后利用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；最后在中毡层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；或者加工两个相同的带通孔4的中毡层3，然后将薄膜5固定在两个中毡层3的通孔4的连接处；最后在中毡层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：
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；
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h；
设a分别为4mm和5mm，b1＝b2＝b3＝2mm，h＝0.2mm；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；
吸声效果根据图7可以得知，该复合材料与厚度为6mm的纯金属纤维毡对比，在低频域效果要改善许多；特别是当a为4mm时，在频率961Hz处吸声系数为0.49，提高了5倍，当a为5mm时，复合材料在频率600Hz处吸声系数为0.40，提高了6.4倍；
实例2：
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；
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；
设a分别为4mm和5mm，b＝6mm，h＝0.2mm；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：
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；
参见附图6，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b3b3，中毡层3的厚度为b2，薄膜5的厚度为h；
设a分别为4mm和5mm，b1＝b2＝b3＝1.5mm，h＝0.2mm；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；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3.25mm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B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；
吸声效果根据图8可以得知，厚度B为20mm的复合吸声结构试件与厚度B为20mm的纯金属纤维毡对比，在低频域效果改善许多；与实施例1类似，当a为4mm时，在频率976Hz处吸声系数为0.73，而等厚度同参数的纯金属纤维毡在同频率处的吸声系数仅为0.27；当a为5mm时，在频率626Hz处吸声系数为0.69，而等厚度同参数的纯金属纤维毡在同频率处的吸声系数仅为0.18；
实例4：
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；
参见附图9，将所述复合吸声结构均匀分割为单胞构形，所述单胞构形包括两个并列的通孔4和两个位于同一平面上的薄膜5，两个通孔4的形状一致但尺寸不同，且两种不同的尺寸的通孔4在中毡层3上间隔排布；当通孔4为方形或圆形时，两个通孔4的边长或直径径分别为d1和d2，且d1+d2＝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h；
设a＝11mm，其中，d1＝＝7mm，d2＝4mm，b1＝b3＝3mm，b2＝2mm，h＝0.2mm；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；
吸声效果根据图11可以得知，该复合材料与厚度为8mm的纯金属纤维毡对比，在低频域效果要改善许多；特别是在宽低频于200-1200Hz均具有良好的吸声性能。
实例5：
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；
参见附图10，将所述复合吸声结构均匀分割为单胞构形，所述单胞构形包括两个并列的通孔4和两个位于同一平面上的薄膜5，两个通孔4的形状一致但尺寸不同，且两种不同的尺寸的通孔4在中毡层3上间隔排布；当通孔4由两个锥台形空腔的大端对接而成时，两个通孔4的最大内径分别为d1和d2，且d1+d2＝a，两个通孔4的最小内径分别为c1和c2；，c1为到之间，c2为到之间，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h，两个通孔4的锥台形空腔母线的倾斜角度均在30°到60°之间；
设a＝11mm，其中，d1＝＝7mm，d2＝4mm，b1＝b3＝3mm，b2＝2mm，h＝0.2mm；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；
吸声效果根据图11可以得知，该复合材料与厚度为8mm的纯金属纤维毡对比，在低频域效果要改善许多；特别是在宽低频于200-1200Hz均具有良好的吸声性能。
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 (7)

1.一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；
所述薄膜(5)的厚度为0.01mm～1mm，所述薄膜(5)的材料为耐火橡胶、聚氨酯膜或铝膜；
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。
2.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，所述薄膜(5)通过粘结或烧结固定于中毡层(3)的通孔(4)内。
5.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，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，在所形成的整体复合结构的上下表面分别覆有厚度为3.25mm的金属纤维毡层。
6.如权利要求3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)的直径或边长均设有两种不同的尺寸，且两种不同的尺寸的通孔(4)在中毡层(3)上间隔排布。
7.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，形成所述通孔(4)的锥台形空腔的最大直径设有两种不同的尺寸，且两种不同的尺寸的通孔(4)在中毡层(3)上间隔排布。
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