CN106042468B - 一种宽频隔音蜂窝板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽频隔音蜂窝板，由第一孔板、第一蜂窝芯、弹性薄膜、第二蜂窝芯、第二孔板依次粘接而成，所述第一蜂窝芯上分布有若干个第一空腔，所述第二蜂窝芯上分布有若干个与所述第一空腔一一对应的第二空腔，所述第一孔板上分布有与所述第一空腔连通的第一微穿孔，所述第二孔板上分布有与所述第二空腔连通的第二微穿孔。本发明既能满足轻量化要求，又能隔绝宽频噪音。

Description

一种宽频隔音蜂窝板
技术领域
本发明涉及隔音板，具体涉及一种宽频隔音蜂窝板。
背景技术
众所周知，进行噪音处理或者施工可以分别从噪音源和噪音传播途径两个方面出发：降低噪音源或从传播途径上隔绝噪音。而在大多数情况下，噪音源无法确定、不唯一或者难以修改，隔绝噪音就成为一种降低噪音的主要手段。
在实际工程中，一般利用在噪音源和接受者之间放置具有隔音或吸音特性的板材作为隔声屏障来降低噪音向外辐射的能量。例如，为了降低高速公路或者高架路桥上车辆噪音对生活区噪音的影响，在公路两侧设置一定高度的声屏障；为了降低汽车发动机噪音通过前壁板传播到乘员舱，一般在前壁板靠近发动机侧铺设机舱隔音垫，在前壁板靠近乘员舱一侧铺设前壁板隔音垫；也有一些深受大型机械噪音困扰的工厂为了降低厂房的噪音，利用隔音板或隔音罩将机器隔离。但实践证明，处理噪音的效果与噪音源所含频率成分有关。一般的吸音材料对于处理以高频成分为主的噪音效果较好，而对于能量较高的低频成分基本没有任何效果；一般的隔音板材隔绝高频噪音也较为容易，而受隔声质量定律的限制，隔绝低频噪音时需要具有较高的面密度。总之，处理低频噪音需要较多的材料，这无疑会对产品的空间、重量和成本都带来不利影响。
在汽车、火车、飞机和船舶等行业中，空间、重量和成本是影响产品竞争力至关重要的参数，轻量化已成为一种发展趋势。蜂窝板是一种具有高强度的轻量化材料，不仅能满足很多产品的强度要求，而且能降低产品重量，从而降低产品的能耗，因此逐渐在这些行业中得到应用。然而在一些具有隔音要求的产品中，轻量化材料的应用对产品的隔音性能带来相当大的挑战，特别是对于具有低频噪音源的产品，材料的轻量化意味着其隔声性能的下降。因此，在提倡轻量化的工业背景下，处理低频噪音成为一种难题，同时能处理高、低频噪音的宽频隔音材料也未见报道。
发明内容
本发明的目的是提出一种宽频隔音蜂窝板，其既能满足轻量化要求，又能隔绝宽频噪音。
本发明所述的一种宽频隔音蜂窝板，由第一孔板、第一蜂窝芯、弹性薄膜、第二蜂窝芯、第二孔板依次粘接而成，所述第一蜂窝芯上分布有若干个第一空腔，所述第二蜂窝芯上分布有若干个与所述第一空腔一一对应的第二空腔，所述第一孔板上分布有与所述第一空腔连通的第一微穿孔，所述第二孔板上分布有与所述第二空腔连通的第二微穿孔。
进一步，所述第一空腔和与其对应的第二空腔的体积不同。
进一步，若干个所述第一空腔具有至少两种不同的体积和/或若干个所述第二空腔具有至少两种不同的体积。
进一步，所述第一微穿孔与所述第二微穿孔的孔径不同。
进一步，所述第一孔板上的第一微穿孔具有至少两种不同的孔径和/或所述第二孔板上的第二微穿孔具有至少两种不同的孔径。
进一步，所述第一孔板和所述第二孔板的厚度不同。
进一步，所述第一空腔和与其对应的第二空腔具有相同的横截面。
进一步，所述第一空腔和所述第二空腔的横截面均为多边形，每个所述第一微穿孔对应一个所述第一空腔且两者共中心轴线，每个所述第二微穿孔对应一个所述第二空腔且两者共中心轴线。
进一步，所述第一蜂窝芯和所述第二蜂窝芯由不同材料制成。
进一步，所述第一孔板和所述第二孔板由不同材料制成。
进一步，所述弹性薄膜被所述第一蜂窝芯和第二蜂窝芯分隔成若干个弹性单元，所述弹性单元可在对应的第一空腔和对应的第二空腔中来回振动，所述弹性单元自身的重量和弹性组成质量-弹簧共振系统，其固有频率f1可以用公式一表示为：
其中，ke为该质量-弹簧共振系统的等效刚度，与所述弹性薄膜材料的弹性模量、泊松比有关；me为弹性单元共振系统的等效质量，与所述弹性薄膜材料的密度有关；固有频率f1对应需要处理的低频噪音的频率范围，并结合上述公式一来选择所述弹性薄膜的材料、所述弹性薄膜的厚度、所述第一空腔和所述第二空腔的尺寸。
进一步，所述第一微穿孔内的空气与所述第一空腔内的空气组成质量-弹簧共振系统，所述第二微穿孔内的空气与所述第二空腔内的空气也组成质量-弹簧共振系统，这种质量-弹簧共振系统的谐振频率f2可以用公式二表示为：
其中，c为空气中的声速，A0为所述第一微穿孔或所述第二微穿孔的面积，V为与A0对应的所述第一空腔或所述第二空腔体积，l为与A0对应的所述第一微穿孔或所述第二微穿孔的深度；谐振频率f2对应需要处理的高频噪音的频率范围，并结合上述公式来选择：所述第一蜂窝芯和所述第二蜂窝芯的厚度，所述第一孔板和所述第二孔板厚度，所述第一微穿孔和所述第二微穿孔的尺寸。
本发明中第一空腔、第一微穿孔和弹性薄膜构成Helmholtz共鸣腔，第二空腔、第二微穿孔和弹性薄膜构成Helmholtz共鸣腔，Helmholtz共鸣腔能够吸收较高频率的噪音；弹性薄膜被第一蜂窝芯和第二蜂窝芯分割成多个小的局域共振单元,能够吸收较低频率的噪音；同时设置不同尺寸的第一微穿孔和第二微穿孔，不同体积的第一空腔和第二空腔，不同的第一孔板和第二孔板,能够进一步拓宽吸音频带；因此本发明可以吸收较宽频率范围的噪音。同时，本发明采用蜂窝板结构，不仅能满足强度要求，而且能降低产品重量，满足轻量化要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为第一蜂窝芯、第二蜂窝芯和弹性薄膜的装配示意图；
图3为消音单元的结构示意图；
图4为本发明与传统隔声板在不同频率的隔声性能对比图。
图中：1—第一蜂窝芯；2—第二蜂窝芯；3—弹性薄膜；4—第一孔板；5—第二孔板；6—第一微穿孔；7—第二微穿孔；8—第一空腔；9—第二空腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示的一种宽频隔音蜂窝板，由第一孔板4、第一蜂窝芯1、弹性薄膜3、第二蜂窝芯2、第二孔板5依次粘接而成，第一蜂窝芯1上分布有若干个第一空腔8，第二蜂窝芯2上分布有若干个与第一空腔8一一对应的第二空腔9，第一孔板4上分布有与第一空腔8连通的第一微穿孔6，第二孔板5上分布有与第二空腔9连通的第二微穿孔7。由于第一空腔8和第二空腔9一一对应，所以第一蜂窝芯1和第二蜂窝芯2将弹性薄膜3分割成若干个弹性单元，每个弹性单元与其两侧的第一空腔8、第二空腔9、第一微穿孔6和第二微穿孔7构成一个如图3所示的消音单元。弹性薄膜3具有一定的质量和弹性，其厚度较薄，其材料可以采用硅橡胶、聚乙烯(PE)或其他聚合物材料。第一蜂窝芯1、第二蜂窝芯2、第一孔板4和第二孔板5可由金属、合金、塑料或者其他轻量化材料制成。
为了吸收不同频率范围的声能，可以采用以下一种或几种方案：第一空腔8和与其对应的第二空腔9的体积不同；若干个第一空腔8具有至少两种不同的体积和/或若干个第二空腔9具有至少两种不同的体积；第一微穿孔6与第二微穿孔7的孔径不同；第一孔板4上的第一微穿孔6具有至少两种不同的孔径和/或第二孔板5上的第二微穿孔7具有至少两种不同的孔径；第一孔板4和第二孔板5的厚度不同；第一蜂窝芯1和第二蜂窝芯2由不同材料制成；第一孔板4和第二孔板5由不同材料制成。
为了方便生产，可以采用以下方案：第一空腔8和与其对应的第二空腔9具有相同的横截面。并且第一空腔8和第二空腔9的横截面均为多边形，每个第一微穿孔6对应一个第一空腔8且两者共中心轴线，每个第二微穿孔7对应一个第二空腔9且两者共中心轴线。作为一种优选，第一空腔8和第二空腔9的横截面皆为正六边形，且大小尺寸相同，此时第一孔板4上的第一微穿孔6为等边平行四边形排列方式，平行四边形的边长都等于两个第一空腔8的中心轴线之间的距离，其较小的夹角为60度；第二孔板5上的第二微穿孔7为等边平行四边形排列方式，平行四边形的边长都等于两个第二空腔9的中心轴线之间的距离，其较小的夹角为60度。
本发明中弹性薄膜3被分割成若干个弹性单元，若干个弹性单元形成若干个局域共振单元，局域共振单元周期性排列组成具有一定带隙特性的局域共振声子结构。位于带隙频率范围的声波，将被禁止在结构中传播，因此带隙也称为禁带。局域共振单元的原理为：在每个消音单元中，弹性单元的中部悬空，可在对应的第一空腔8和对应的第二空腔9中来回振动，弹性单元自身的重量和弹性组成质量-弹簧共振系统，并具有一定的固有频率，其固有频率f1如公式一所示：
其中，ke为弹性单元共振系统的等效刚度，与弹性薄膜3材料的弹性模量、泊松比有关；me为弹性单元共振系统的等效质量，与弹性薄膜3材料的密度有关。局域共振声子带隙的机理表明，当在这一固有频率f1附近频率范围的低频噪音通过宽频隔音蜂窝板引起板的振动时，弹性单元也会发生局域共振并对整个宽频隔音蜂窝板产生反作用力，抵消宽频隔音蜂窝板的振动，从而产生了带隙。这样，整个宽频隔音蜂窝板的振动得到抑制，从而降低了继续向外辐射的声波能量。根据需要处理的低频噪音的频率范围，结合公式一就可以适当选择弹性薄膜3的材料，并设计弹性薄膜3的厚度、第一空腔8和第二空腔9的尺寸。
本发明中第一空腔8、第一微穿孔6和弹性薄膜3构成Helmholtz共鸣腔，第二空腔9、第二微穿孔7和弹性薄膜3构成Helmholtz共鸣腔，这样在一个消音单元中就形成了两层Helmholtz共鸣腔。Helmholtz共鸣腔的原理为：第一微穿孔6内的空气与第一空腔8内的空气组成质量-弹簧共振系统，第二微穿孔7内的空气与第二空腔9内的空气也组成质量-弹簧共振系统，质量-弹簧共振系统的谐振频率f2如公式二所示：
其中，c为空气中的声速，A0为第一微穿孔6或第二微穿孔7的面积，V为与A0对应的第一空腔8或的第二空腔9体积，l为与A0对应的第一微穿孔6或第二微穿孔7的深度。位于f2附近频率范围的高频噪音通过微穿孔进入空腔内时，就会产生空腔的谐振，从而吸收声波的能量。因此，第一蜂窝芯1、第二蜂窝芯2、第一孔板4和第二孔板5的材料，第一蜂窝芯1和第二蜂窝芯2的厚度，第一孔板4和第二孔板5厚度，第一微穿孔6和第二微穿孔7的尺寸都可以设计为不同，以吸收不同频率范围的声能，从而使各个Helmholtz共鸣腔吸收不同频率成分的声能。因此，根据需要处理的高频噪音的频率范围，结合公式二就可以适当选择第一蜂窝芯1、第二蜂窝芯2、第一孔板4和第二孔板5的材料，第一蜂窝芯1和第二蜂窝芯2的厚度，第一孔板4和第二孔板5厚度，第一微穿孔6和第二微穿孔7的尺寸。
如图4所示，本发明所述的宽频隔音蜂窝板在目标频率范围的隔声量明显大于传统隔声板，本发明可以放置在噪音源与保护对象之间，通过适当的设计，可以隔绝和减弱较宽频率范围的噪音或特定频率范围的噪音，特别是难以处理的低频段噪音。本发明可应用于汽车、火车、飞机和船舶等对噪音环境要求较高的领域，隔绝噪音源产生的噪音，保护人体免受噪音伤害，提高产品舒适性。

Claims (11)

1.一种宽频隔音蜂窝板，其特征在于：由第一孔板(4)、第一蜂窝芯(1)、弹性薄膜(3)、第二蜂窝芯(2)、第二孔板(5)依次粘接而成，所述第一蜂窝芯(1)上分布有若干个第一空腔(8)，所述第二蜂窝芯(2)上分布有若干个与所述第一空腔(8)一一对应的第二空腔(9)，所述第一孔板(4)上分布有与所述第一空腔(8)连通的第一微穿孔(6)，所述第二孔板(5)上分布有与所述第二空腔(9)连通的第二微穿孔(7)；所述第一空腔(8)和与其对应的第二空腔(9)的体积不同。
2.根据权利要求1所述的宽频隔音蜂窝板，其特征在于：若干个所述第一空腔(8)具有至少两种不同的体积和/或若干个所述第二空腔(9)具有至少两种不同的体积。
3.根据权利要求1所述的宽频隔音蜂窝板，其特征在于：所述第一微穿孔(6)与所述第二微穿孔(7)的孔径不同。
4.根据权利要求1或3所述的宽频隔音蜂窝板，其特征在于：所述第一孔板(4)上的第一微穿孔(6)具有至少两种不同的孔径和/或所述第二孔板(5)上的第二微穿孔(7)具有至少两种不同的孔径。
5.根据权利要求1或3所述的宽频隔音蜂窝板，其特征在于：所述第一孔板(4)和所述第二孔板(5)的厚度不同。
6.根据权利要求1所述的宽频隔音蜂窝板，其特征在于：所述第一空腔(8)和与其对应的第二空腔(9)具有相同的横截面。
7.根据权利要求1或6所述的宽频隔音蜂窝板，其特征在于：所述第一空腔(8)和所述第二空腔(9)的横截面均为多边形，每个所述第一微穿孔(6)对应一个所述第一空腔(8)且两者共中心轴线，每个所述第二微穿孔(7)对应一个所述第二空腔(9)且两者共中心轴线。
8.根据权利要求1所述的宽频隔音蜂窝板，其特征在于：所述第一蜂窝芯(1)和所述第二蜂窝芯(2)由不同材料制成。
9.根据权利要求1所述的宽频隔音蜂窝板，其特征在于：所述第一孔板(4)和所述第二孔板(5)由不同材料制成。
10.根据权利要求1所述的宽频隔音蜂窝板，其特征在于：所述弹性薄膜(3)被所述第一蜂窝芯(1)和第二蜂窝芯(2)分隔成若干个弹性单元，所述弹性单元可在对应的第一空腔(8)和对应的第二空腔(9)中来回振动，所述弹性单元自身的重量和弹性组成质量-弹簧共振系统，其固有频率f1可以用公式一表示为：
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其中，ke为该质量-弹簧共振系统的等效刚度，与所述弹性薄膜(3)材料的弹性模量、泊松比有关；me为弹性单元共振系统的等效质量，与所述弹性薄膜(3)材料的密度有关；固有频率f1对应需要处理的低频噪音的频率范围，并结合上述公式一来选择所述弹性薄膜(3)的材料、所述弹性薄膜(3)的厚度、所述第一空腔(8)和所述第二空腔(9)的尺寸。
11.根据权利要求1所述的宽频隔音蜂窝板，其特征在于：所述第一微穿孔(6)内的空气与所述第一空腔(8)内的空气组成质量-弹簧共振系统，所述第二微穿孔(7)内的空气与所述第二空腔(9)内的空气也组成质量-弹簧共振系统，这种质量-弹簧共振系统的谐振频率f2可以用公式二表示为：
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其中，c为空气中的声速，A0为所述第一微穿孔(6)或所述第二微穿孔(7)的面积，V为与A0对应的所述第一空腔(8)或所述第二空腔(9)体积，l为与A0对应的所述第一微穿孔(6)或所述第二微穿孔(7)的深度；谐振频率f2对应需要处理的高频噪音的频率范围，并结合上述公式来选择：所述第一蜂窝芯(1)和所述第二蜂窝芯(2)的厚度，所述第一孔板(4)和所述第二孔板(5)厚度，所述第一微穿孔(6)和所述第二微穿孔(7)的尺寸。
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