CN106715849B - 声学装置及使用其来衰减气载声能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了声学装置，所述声学装置包括限定膨胀室的外壳、和延伸穿过所述膨胀室并将所述膨胀室分割为中心室以及与所述中心室相邻的外围室的壁，其中入口和出口与所述中心室连通，并且其中所述壁包括穿过其形成的多个孔，以允许空气流入和流出所述中心室和所述膨胀室，所述多个孔的尺寸被设定为提供范围在100MKS瑞利至5000MKS瑞利内的平均流动阻力。所述声学装置在流线处理气流以降低整个所述膨胀室上的压降的时，有利地示出明显的声音衰减。

Description

声学装置及使用其来衰减气载声能的方法
技术领域
本发明提供了用于降噪的装置和方法。更具体地，所提供的制品和方法涉及降低与流动系统相关联的噪声。
背景技术
与燃机、风扇电机、风扇、暖通空调(HVAC)系统、进气系统等相关联的气载声能造成噪声污染，并且这通常为不期望的。噪声可为任何人居场所的一个问题，诸如在住房、工作环境、车辆内，并且甚至也是个人防护装备诸如呼吸器的一个问题。降低气载噪声在汽车市场尤为重要。许多政府法规针对客用车辆和商用车辆提出了排气噪声的最低降噪标准。此外，车舱噪声低长久以来都是客车的宝贵特征。
优选从源头上消除或降低声能，但这并非总能实现。在汽车中，例如，气载声能源自于内燃机燃烧室废气的快速膨胀。随着这些燃烧气体燃尽，声波以声速向前传播穿过排气系统。汽车噪声也可能来自于冷却风扇、交流发电机、和其它发动机辅助装置。因此，制造商已经转向能够显著降低这些装置发出的噪声的声学技术。
待降低的噪声的性质对于开发一款高效的排气消声器或HVAC消声器具有重大意义。来自燃机或HVAC系统的气载声能通常有很多来源，每种来源在其自身的特性频率上发出声音。通常，通过使声波遇到表面或结构可实现声波的减弱，这些表面和结构致使声能从敏感位置消散或转移；这些相互作用将各个高振幅波分量变成多个低振幅的声波，从而减少整体噪声水平。为了提高效率，此类设备可包括一系列部件装置，分别对这些部件装置进行调谐以改变相应声波的相位关系。
如文献中所述，可使用穿孔膜来减弱灭声器中的声能。然而，这些公开中所述的装置通常用于静态流，并且不能解决此类穿孔膜产生的与该装置相关联的压降效果，如下所述。
发明内容
压降是声控管理中常见的被忽视的问题。如本文所用，压降是直列式声学装置的入口端和出口端之间所测量的空气压力的差值。压降大常常是消声器中流动特性不良的结果，流动特性不良可反过来导致过热，以及装置性能低下。例如，在高性能车辆中，排气系统中的压降大可导致马力和扭矩降低。类似地，在HVAC系统中，压降大迫使驱动空气的风扇更加剧烈地运转，导致功率消耗高。提高声学衰减性的消声器的方面通常趋于增加压降，反之亦然，因而技术解决方案常常被视为这两个考虑因素之间的折衷。
所提供的声学装置通过将一种或多种穿孔膜并入膨胀室的气流场中来解决声学衰减性和压降的双重问题。通过使人类语音跨度范围为250Hz- 4000Hz的宽泛目标频率范围内的压力波减弱，使用穿孔膜使这些装置能够获得明显的声音衰减性。此外，这些装置促进空气穿过膨胀室流动，从而相对于不包括穿孔膜的常规装置的流动性能而言，提高了流动性能。
在一个方面，提供了声学装置。该声学装置具有入口和出口，包括：外壳，该外壳限定膨胀室；和管状壁，其延伸穿过膨胀室并将膨胀室分割成中心室和与中心室相邻的外围室，其中入口和出口均与中心室连通，并且其中管状壁包括穿过管状壁形成的多个孔以允许在中心室和外围室之间流动的气流，多个孔被构造成提供100MKS瑞利至5000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
在另一方面，提供了使用声学装置来衰减气载声能的方法，该声学装置具有限定膨胀室的外壳、延伸穿过膨胀室并将膨胀室分割成中心室和与中心室相邻的外围室的管状壁、和与中心室相对端连通的入口和出口，该方法包括：使空气流过中心室；并将声能从中心室引导穿过设置在管状壁中的多个孔，其中多个孔提供100MKS瑞利至5000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
附图说明
图1是根据一个示例性实施方案的声学装置的前正视图；
图2是图1的声学装置的侧截面图；
图3是根据另一个示例性实施方案的声学装置的前正视图；
图4是图3的声学装置的侧截面图；并且
图5A-图5D是声学装置的进一步示例性构造的透视图。
图6是多个具有单膨胀室的声学装置的相对于频率(单位：赫兹)的传输损耗(单位：分贝)频谱图。
图7是多个具有双膨胀室的声学装置的相对于频率(单位：赫兹)的传输损耗(单位：分贝)频谱图。
图8是多个具有单膨胀室的声学装置的相对于流速(升/分钟)的空气压降(帕斯卡)的比较图。
具体实施方式
如本文所用，术语“优选的”和“优选地”是指在某些情况下可提供某些益处的本文所述的实施方案。然而，在相同或其它情况下，也可优选其它实施方案。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其它实施方案是不可用的，且并非意图将其它实施方案排除在本发明范围之外。
除非上下文另有明确指出，否则本文和所附权利要求书中使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数指代。因此，例如，“一个”或“所述”部件可能包括本领域技术人员已知的一个或多个部件及其等同物。另外，术语“和/或”意指所列元件中的一个或全部或者所列元件中的任何两个或更多个的组合。
值得注意的是，术语“包括”及其变型在出现在所附说明书中时不具有限制性含义。此外，“一个”、“一种”、“该”、“至少一个”及“一个或多个”在本文中可互换使用。
本文可使用相对术语诸如左、右、向前、向后、顶部、底部、侧面、上部、下部、水平，垂直等，并且如果是这样，则它们来自在具体附图中所观察的视角。然而，这些术语仅用于简化描述，而并非以任何方式限制本发明的范围。
贯穿本说明书的对“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“实施方案”的引用，意味着结合实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书的多处出现的短语，诸如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在实施方案中”，不一定指本发明的相同实施方案。附图未必按比例绘制。
图1和图2示出了示例性声学装置，在此以数字100进行标示。声学装置100具有外壳102，该外壳通常为中空外壳，并且具有刚性壁。任选地，并且如图2所示，外壳102为圆柱形。对于外壳102的形状没有具体限制，然而，该形状不需要沿着其长度具有一致的横截面。例如，外壳可以呈多种几何形状中的任一种，包括长方体、椭圆棱柱、或圆锥体。
可将外壳102作为单个整体部件提供，或外壳包括联接在一起的两个或多个部件。如果需要，可以将两半或两部分沿着界面进行接合来形成外壳102，该界面沿着声学装置100的长度延伸。
如图1和图2进一步所示，中空外壳102的内表面限定膨胀室104。膨胀室104既与入口106连接也与出口108连接，空气可分别通过该入口和该出口流入以及流出声学装置100。对于入口106和出口108没有具体限制，它们可具有相同的或不同的直径。
究其性质，膨胀室104的横截面积明显大于入口106的横截面积。如所示，膨胀室104的横截面积还大于出口108的横截面积，该出口的直径与入口106类似。在图1至图2中，膨胀室104具有一致的横截面积，尽管在另选构造中，膨胀室的横截面尺寸可能在尺寸或形状上与此处所示有偏差。
尽管膨胀室104的横截面积大于入口106的横截面积，但是对于膨胀室104的绝对尺寸没有特别限制。在一些优选实施方案中，膨胀室104为 1/4波长谐振器。
1/4波长谐振器是封闭体，其中所传播的声波可在一端处进入，并在相对端处的刚性边界以生成驻波的方式反射离开。当在膨胀室104入口处的反射压缩和稀疏相位恰好与声源的振动完全一致时，即在所谓的共振情况下，发生上述情况。共振时，存在由膨胀室104优化的声波的散射和/或吸收。可以将在不同频率处共振的多个膨胀室串联，以降低宽频率范围内的噪声。
声学装置100还包括管状壁110，该管状壁是圆柱形的，并且沿着膨胀室104的纵向轴线延伸。从图1的剖视图显而易见的是，管状壁110的直径大致匹配入口106和出口108的直径。然而，这一点并不重要，并且入口106、出口108和管状壁110的横截面积不需要相同。此外，入口 106、出口108和管状壁110可以与膨胀室104的中心纵向轴线对齐或偏移。
管状壁110不需要是圆柱形，并且其它形状(诸如圆锥或方管)也应当发挥光学功能。
管状壁110沿着膨胀室104的全部长度将膨胀室104分为两个腔室：中心室112和外围室114。中心室112是界定在管状壁110的内表面内的圆柱形空间。中心室112的远端与入口106和出口108两者纵向对齐，使得中心室112与每一个该入口和该出口自由连通。如所示，外围室114是膨胀室104位于中心室112的外部的部分。在本实施方案中，外围室114呈圆柱壳形，其与中心室112同轴。
尽管此时管状壁110纵贯膨胀室104的总体长度延伸，但是管状壁110 也可能仅沿着膨胀室104总体长度的一部分延伸。在此类情况下，中心室 112应当由管状臂110在外壳102内的末端界定，其中外围室114使膨胀室 104保持平衡。有利地，可调谐管状壁110的末端与膨胀室104的出口端之间的间隔，以优先减弱特定频率的声音。
如果在轴线方向上细分外围室114以形成与管状壁110相邻的单元、节段或隔间，该声学装置100也可发挥功能。因此，不需要持续连接的腔室与管状壁110相邻。代表此类隔间边界的壁可以是实心壁或穿孔壁。在一些实施方案中，这些隔间之间只有部分壁。
根据所需的声频剖面，管状壁110可沿着膨胀室104总体长度的至少 50％、至少60％、至少70％、至少80％、或至少90％延伸。此外，管状壁 110可沿着膨胀室104总体长度的至多99％、至多95％、至多80％、至多 70％、或至多60％延伸。
外壳102和管状壁110可以由任何在结构上合适的材料形成。在包括大多数HVAC应用的环境温度应用中，这些部件有利地由聚合物材料制成，这可比它们的金属对应物制成的部件更轻巧更洁净。优选的聚合物材料包括适合于注模、挤压、吹塑模制、滚塑模制、反应性注模和压缩模制的热塑性塑料和热固性塑料。特别合适的热塑性聚合物包括(例如)ABS、尼龙、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。需注意的是，所选材料的硬度也可影响整个装置的声学性能，该方面将稍后进行描述。
管状壁110的厚度直接关系到设置在其中的孔的长度。在一些实施方案中，管状壁110的厚度为至少50微米、至少60微米、至少75微米、至少100微米、或至少150微米。在一些实施方案中，管状壁110的厚度为至多625微米、至多600微米、至多575微米、至多550微米、或至多500 微米。
现在参见图2，管状壁110沿着其某段或全部长度被穿孔。如图所示，管状壁110包括多个孔116(即，通孔)，其允许空气在中心室112与外围室114之间流动。在本实施方案中，孔116限定大致为圆柱形的空气塞，这些空气塞是谐振系统内的主要部件。这些主要部件在孔116内振动，并且由于空气塞与孔116的壁之间的摩擦，使声能消散。由于在外围室114中被反射的声音在孔116入口处受到相消干扰，也发生一些消散过程。
在声学装置100中，孔116可有利地通过调整其排列方式(例如，数目和间隔)和尺寸(例如，孔直径、形状和长度)被调谐，以获得给定频率范围内所需的声学性能，同时使入口106与出口108之间的压降最小化。通常通过声学装置100的传输损耗来测量声学性能，传输损耗在此定义为：声学压力波从入口106传播至出口108时声学强度的累积减少量。
在所示附图中，孔116沿着管状壁110的整个长度设置，纵向维度被定义为空气流经管状壁110的方向。任选地，孔116可仅沿着该长度中的一些进行设置。孔116优选地沿着管状壁110总体长度的至少15％、至少 20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少 80％、至少85％、至少90％、至少95％进行设置。因此，管状壁110仅可被部分穿孔，即，在一些区域、而不是其它区域中被穿孔。例如，此时的入口或出口周围可以是非穿孔区域。穿孔区域也可沿着纵向方向延伸，并且与一个或多个非穿孔区域相邻，例如，管状壁可具有矩形横截面的管子，该管子仅一侧或两侧被穿孔。
孔116可具有宽泛范围的几何结构和尺寸，并且可通过多种切割或冲孔操作中任一种而制成。孔116的横截面可以是(例如)圆形、正方形或六边形。在一些实施方案中，孔116由细长狭缝阵列表示。尽管图2中孔 116的直径沿着其长度是一致的，但可使用形状为截角圆锥的孔或侧壁沿着其至少某段长度呈锥形的孔。多种孔构造描述于美国专利6,617，002(Wood) 中。
任选地并且如附图所示，孔116相对于彼此具有基本一致的间隔。如果是这样，孔116可按照二维盒子的模式或交错模式进行布置。孔116也可按照随机构造设置在管状壁110上，在该构造中，相邻孔之间的准确间隔不一致，虽然如此，但是从宏观上看，孔116平均分布在整个管状壁110 上。
在一些实施方案中，孔116的直径沿着管状壁110基本一致。可选地，孔116可以具有某直径分布。不管怎样，在声学装置100的优选实施方案中，孔116的平均最小直径为至少10微米、至少15微米、至少20微米、至少25微米、或至少30微米。此外，孔116的平均最小直径优选为至多300微米、至多250微米、至多200微米、至多175微米、或至多150 微米。为了清楚起见，非圆形孔的直径在本文中被定义为在平面图中面积与非圆形孔相等的圆形的直径。
究其性质，穿孔管状壁110具有特定的声学阻抗，声学阻抗是整个管状壁压差与靠近此表面的有效速度(在频率空间中)的比率。在有孔的刚性壁的理论模型中，速度源自于空气在多个孔中的移近和移出。在壁不是刚性而是柔性的情况下，壁的移动可有助于进行计算。特定声学阻抗通常作为频率的函数而变化，并且为复数，这反映了以下事实：压力波和速度波可为相差的。
如本文所用，特定声学阻抗的测量单位是MKS瑞利，其中1瑞利等于 1帕斯卡-秒/米(Pa·s·m-1)，或相当于1牛顿-秒/立方米(N·s·m-3)，或可选地为 1kg·s-1·m-2。声学装置100中的多个孔116的尺寸优选地被设定为在从大约 250Hz延伸到4000Hz的声频范围内实现明显声学弱化。
声学装置100的穿孔管状壁110可通过测量其传输阻抗进行表征。对于相对较薄的膜，传输阻抗是膜在入射侧的声学阻抗与膜不存在的情况下应当观察到的声学阻抗(即，仅气腔的声学阻抗)之间的差值。在特定实施方案中，孔116的尺寸被形成为提供实分量为至少100瑞利、至少200 瑞利、至少250瑞利、至少300瑞利、至少325瑞利、或至少350瑞利的声学传输阻抗。此外，多个孔116的尺寸可被设定为提供实分量为至多5000 瑞利、至多4000瑞利、至多3000瑞利、至多2000瑞利、至多1500瑞利、至多1400瑞利、至多1250瑞利、至多1100瑞利、或至多1000瑞利(单位全部为MKS瑞利)的声学传输阻抗。
流动阻力是传输阻抗的低频限值。从实验上来讲，流动阻力可通过以下方式进行估算：在穿孔的管状壁110处以低速吹动已知的空气，并测量与之相关联的压降。流动阻力可被确定为：测得的压降除以速度。对于一些实施方案，通过管状壁110的流动阻力为至少50瑞利、至少100瑞利、至少250瑞利、至少500瑞利、或至少1000瑞利。此外，流动阻力可以为至多5000瑞利、至多3000瑞利、至多2000瑞利、至多1500瑞利、至多 1000瑞利、或至多800瑞利(单位全部为MKS瑞利)。
管状壁110的孔隙率为无因次值，表示未被固体结构占据的给定体积分数。在图1至图2所示的简化图中，孔116可以呈圆柱形，在此情况下，孔隙率可以用平面图中由孔116替代的管状壁110的表面积的百分比进行近似模拟。在示例性实施方案中，管状壁110的孔隙率为至少0.3％、至少0.5％、至少1％、至少3％、或至少4％。在上端，管状壁110的孔隙率可以是至多5％、至多4％、至多3.5％、至多3％、或至多2％。
管状壁110优选地由具有以下模量的材料制得：可适当地进行调谐以响应于相关频率的入射声波进行振动的模量。连同孔116内的空气塞的振动一起，管状壁110自身的局部振动可以使声能消散，并且增加通过声学装置100的传输损耗。管状壁110的模量或硬度也直接影响其声学传输阻抗。
在一些实施方案中，管状壁包含具有以下模量的材料：至少0.2吉帕斯卡、和/或至多10吉帕斯卡、至多7吉帕斯卡、至多5吉帕斯卡、或至多 4吉帕斯卡。
有利地，所提供的声学装置100使来自入106的声压波能够膨胀进入膨胀室104中，而不会对通过中心室112的质量流产生明显干扰。换句话说，声学装置100解决了使空气通过声学装置100并允许压力波消散的技术难题。
通常来说，可归因于多个设置在柔性膜中的孔的吸声特性描述于(例如)美国专利6,617,002(Wood)、6,977,109(Wood)和7,731,878(Wood)中。
基于上述特征，所提供的声学装置100的主要优点是其降低气载噪声同时使通过装置的压降最小化的能力。该效果可(例如)相对于具有不含穿孔管状壁110的膨胀室102的声控装置进行测量。在一些实施方案中，在基准流速为170升/分钟的情况下，相对于与单独的膨胀室104(即，移除管状壁110的情况下)相关联的压降而言，在管状壁110上设置多个孔116将压降降低最少20％、至少35％、至少50％、至少60％、或至少 70％。
图3示出了根据另一示例性实施方案的具有入口206和出口208的声学装置200，该声学装置在大多数方面与声学装置100类似，但是还包括第二外围室218。在该构造中，中心室212、第一外围室214、和第二外围室 218由逐渐增大的同轴圆柱外表面进行界定。与声学装置100中的等效结构一样，中心室212由被多个孔216穿孔的第一管状壁210限定，并且在几何学上与入口206和出口208对齐。
如图所示，第二外围室218为圆柱壳，其与第一外围室214相邻。第二管状壁220设置在第一外围室214与第二外围室218之间，其限定了第一外围室214的外边界以及第二外围室218的内边界。与第一管状壁210 一样，第二管状壁220被多个第二孔222穿孔。第二孔222允许第一外围室214与第二外围室218之间的有限连通，用于通过与第一孔216一样的方式使声能消散。
然而，第二开孔222可以调谐至、也可不谐调至与孔216相同的声学属性。在一种情况下，孔222具有与孔216相同或相似的声学传输阻抗、流动阻力、和/或孔隙率。可选地，孔222可具有比孔216明显更高或更低的声学传输阻抗，这取决于噪声源。
在一些实施方案中，孔222的声学传输阻抗可以比孔216低50瑞利、 100瑞利、150瑞利、200瑞利、300瑞利、400瑞利、或500瑞利。相反地，孔222的声学传输阻抗可以比孔216高50瑞利、100瑞利、150瑞利、 200瑞利、300瑞利、400瑞利、或500瑞利(单位全部为MKS瑞利)。
尽管相对于声学装置100而言，声学装置200所提供的声音衰减性得到了增强，但未发现添加第二管状壁220和第二外围室218明显增加在整个膨胀室上的压降。这是一项主要技术优势，因为孔222可具体地进行调谐，以使特定声频消散，而不使压降明显增加。
声学装置200的其余方面与声学装置100的那些相似，如图1和图2 已示，在此不作解释。
据设想，可将另外的外围室包括在所提供的结构特征与本文所述的外围室114，214，218相似的声学装置中。
图5A-图5B示出了一系列双腔室声学装置。在所示的可选构造中的每一者中，已经将另外的膨胀室并入声学装置中。图5A示出了声学装置 300，其总体长度与声学装置100，200相同，但包括一对膨胀室304，304，每个膨胀室不足膨胀室104，204长度的一半。图5B和图5C示出了具有相应的非对称膨胀室404，504的声学装置400，500。在声学装置400中，与入口相邻的膨胀室404更长；在声学装置500中，与出口相邻的膨胀室504 更长。图5D示出了具有膨胀室604的声学装置600，这些膨胀室尺寸相同，但是更短，并且以更大距离彼此分开。对这些装置中的每一者进行调谐，以减弱不同声频范围内的噪声。
尽管此处没有进行例示，但是可添加另外的膨胀室(第三、第四膨胀室等等)以进一步减弱特定频率范围内的声能。此外，可以将相邻腔室之间的间距减小至零，在此情况下，只需将外围室沿着其长度分割成许多环形节段。
并非旨在进行限定，下面描述了其它示例性实施方案：
1.一种具有入口和出口的声学装置，包括限定膨胀室的外壳以及延伸穿过膨胀室并将膨胀室分为中心室以及与中心室相邻的外围室的管状壁，其中入口和出口均与中心室连通，并且其中管状壁包括穿过管状壁形成的多个孔以允许在所述中心室和所述外围室之间流动的气流，所述多个孔被构造成提供100MKS瑞利至 5000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
2.根据实施方案1所述的声学装置，其中所述多个孔被构造成提供 250MKS瑞利至3000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
3.根据实施方案2所述的声学装置，其中所述多个孔被构造成提供 500MKS瑞利至2000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
4.根据实施方案1至3中任一项所述的声学装置，其中所述孔具有 10微米至250微米范围内的平均最窄直径。
5.根据实施方案4所述的声学装置，其中所述孔具有20微米至200 微米范围内的平均最窄直径。
6.根据实施方案5所述的声学装置，其中所述孔具有30微米至150 微米范围内的平均最窄直径。
7.根据实施方案1至6中任一项所述的声学装置，其中所述管状壁具有50微米至625微米范围内的厚度。
8.根据实施方案7所述的声学装置，其中所述管状壁具有75微米至 575微米范围内的厚度。
9.根据实施方案8所述的声学装置，其中所述管状壁具有150微米至500微米范围内的厚度。
10.根据实施方案1至9中任一项所述的声学装置，其中所述管状壁具有0.3％至5％范围内的孔隙率。
11.根据实施方案10所述的声学装置，其中管状壁具有0.3％至3.5％范围内的孔隙率。
12.根据实施方案11所述的声学装置，其中管状壁具有0.3％至2％范围内的孔隙率。
13.根据实施方案1至12中任一项所述的声学装置，其中管状壁包含具有0.2GPa至10GPa范围内的模量的材料。
14.根据实施方案13所述的声学装置，其中管状壁包含具有0.2GPa 至5GPa范围内的模量的材料。
15.根据实施方案14所述的声学装置，其中管状壁包含具有0.2GPa 至4GPa范围内的模量的材料。
16.根据实施方案1至15中任一项所述的声学装置，其中外围室和中心室同轴。
17.根据实施方案1至16中任一项所述的声学装置，其中相对于仅与膨胀室相关联的压降，在流速为170升/分钟的情况下，管状壁将入口到出口的压降降低最少20％。
18.根据实施方案17所述的声学装置，其中相对于仅与膨胀室相关联的压降，管状壁将压降降低最少50％。
19.根据实施方案18所述的声学装置，其中相对于仅与膨胀室相关联的压降，管状壁将压降降低最少70％。
20.根据实施方案1至19中任一项所述的声学装置，其中入口和出口的横截面直径大致匹配管状壁的横截面直径。
21.根据实施方案1至20中任一项所述的声学装置，其中管状壁沿着膨胀室的整个长度延伸。
22.根据实施方案1至21中任一项所述的声学装置，其中管状壁沿着膨胀室的总体长度的50％至99％延伸。
23.根据实施方案22所述的声学装置，其中管状壁沿着膨胀室的总体长度的60％至95％延伸。
24.根据实施方案23所述的声学装置，其中管状壁沿着膨胀室的总体长度的70％至80％延伸。
25.根据实施方案1至24中任一项所述的声学装置，其中管状壁为第一管状壁，这些孔为第一孔，并且外围室为第一外围室，并且还包括：限定与第一外围室相邻的第二外围室的第二管状壁，其中第二管状壁具有多个第二孔，多个第二孔的尺寸被形成为提供的声学传输阻抗明显低于多个第一孔的声学传输阻抗。
26.根据实施方案25所述的声学装置，其中多个第二孔的尺寸被形成为提供100MKS瑞利至5000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
27.根据实施方案26所述的声学装置，其中多个第二孔的尺寸被形成为提供250MKS瑞利至3000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
28.根据实施方案27所述的声学装置，其中多个第二孔的尺寸被形成为提供500MKS瑞利至2000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
29.根据实施方案1至28中任一项所述的声学装置，其中膨胀室为第一膨胀室，并且外壳还包括具有第一膨胀室的全部限制条件的第二膨胀室，其中第一膨胀室的出口与第二膨胀室的入口连通。
30.一种使用声学装置来衰减气载声能的方法，该装置具有限定膨胀室的外壳、延伸穿过膨胀室并将膨胀室分为中心室以及与中心室相邻的外围室的管状壁、以及与中心室的相对端连通的入口和出口，该方法包括：
使空气流过中心室；以及
将声能从中心室引导穿过设置在管状壁中的多个孔，其中多个孔提供100MKS瑞利至5000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
31.根据实施方案30所述的方法，其中相对于仅与膨胀室相关联的压降，在流速为170升/分钟的情况下，管状壁将入口到出口的压降降低最少20％。
32.根据实施方案31所述的方法，其中相对于仅与膨胀室相关联的压降，在流速为170升/分钟的情况下，管状壁将入口到出口的压降降低最少50％。
33.根据实施方案32所述的方法，其中相对于仅与膨胀室相关联的压降而言，在流速为170升/分钟的情况下，管状壁将入口到出口的压降降低最少70％。
34.根据实施方案30至33中任一项所述的方法，其中该壁为第一壁，这些孔为第一孔，并且外围室为第一外围室，并且还包括：将声能从第一外围室引导穿过多个设置在第二壁中的第二孔，该第二壁将第一外围室界定到与第一外围室相邻的第二外围室中，以为第二壁提供明显低于第一壁的传输阻抗。
35.根据实施方案34所述的方法，其中第二壁提供100MKS瑞利至 5000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
36.根据实施方案35所述的方法，其中第二壁提供250MKS瑞利至 3000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
37.根据实施方案36所述的方法，其中第二壁提供500MKS瑞利至 2000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
实施例
测试方法
声学测试
微穿孔膜或微穿孔板的声学属性可按照ASTM E2611-09(Standard Test Methodfor Measurement of Normal Incidence Sound Transmission of AcousticalMaterials Based on the Transfer Matrix Method)(ASTM E2611-09 (基于传输矩阵法来测量吸音材料的垂直入射声音传播的标准测试方法))中概述的工序进行测量。从该工序收集的数据可用于获得声学传输损耗。
该数据也可用于获得该膜的传输阻抗。该工序的输出之一为2×2传输矩阵，该矩阵涉及微穿孔膜两侧上的压力和声学粒子速度。按照以下概述的工序，可将传输矩阵元素用于计算膜的传输阻抗。
膜的前表面和后表面上的压力与速度之间的关系可使用传输矩阵进行描述：即，
为了计算传输阻抗，先假设前速度v1和后速度v2相同(基于穿过该膜的气流不可进行压缩的假设)；然后膜的传输阻抗可按以下进行描述：
根据等式(1)，p1和v1可书写为以下形式：
p1＝T11p2+T12v2 (3)
v1＝T21p2+T22v2 (4)
然后可利用等式(3)和(4)来获得以下结果：
p1-p2＝(T11-1)p2+T12v2 (5)
T21p2＝(1-T22)v1
将等式(6)代入等式(5)之后，获得
然后，将等式(7)代入等式(2)可获得传输阻抗：即，
压降测试
为了提供压降测试值的基准线，组装分离的声学装置，所述装置不具有任何穿孔膜，并且不具有形成腔室的外壳。仅使用一个端盖，并且将该测量值作为不具有任何腔室或膜的情况下的气流基准测量值。然后用图8 所示的每个测量值减去该基准测量值，使得所示压降曲线表示相对于基准线的压降增加值。
对于压降测试，使用压缩空气来生成气流，该压缩空气由NORGREN 稳流器(ModelNo.11-018-146，最大出口压力为10psig)进行控制与节流。调节稳流器以改变流速。流速通过TSI流量计(Model 4040)进行在线测量。从那里引导气流穿过具有侧旋塞的直管，使用压力传感器TSI VELOCICALC(Model 8386A)来在线测量压力。
实施例1(图6：52，图8：64)
图1和图2示意性地示出的声学装置使用以下工序和材料进行组装。通过快速原型法(美国明尼苏达州伊登普雷利的Stratasys有限公司的型号为Fortus 400的3D打印机(Fortus 400model printer，Stratasys Ltd.，Eden Prairie，MN))使用黑色的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂(美国明尼苏达州伊登普雷利的Stratasys有限公司(StratasysLtd.，Eden Prairie，MN))来制备限定腔室的圆柱形外壳。腔室长9.6cm。外壳的内径和外径分别为2.9cm和 15.2cm。腔室的端盖也分别通过快速原型法和使用黑色ABS树脂进行制备。这些端盖含有直径为2.9cm的圆环，系统空气可通过该圆环流经声学装置。将环形槽并入端盖设计中以容纳穿孔膜的管。
穿孔膜如美国专利6,617,002(Wood)所述进行制备。使用膜级别的聚丙烯树脂来挤压该膜。挤压后，通过以下方式对膜进行穿孔：将膜压印，然后对压印品进行热处理以形成孔。所得膜厚0.35mm，基重为大约 400g/m2，并且打孔/穿孔密度为111个孔/cm2，其中每个单独的孔基本为圆形，直径为大约0.094mm。流动阻力确定为大约450MKS瑞利。
用穿孔膜制备开放式端部的管，管长9.7cm，并且直径为2.9cm。然后将管插入外壳以及端盖内的环形槽中，从而形成中心室112和外围室114。
有关该装置的声学和压降数据分别在图6和图8中给出，如所示。
比较例C1(图6：50；图8：63)
如上述实施例1一样组装不具有任何穿孔膜(表示只有膨胀室)的声学装置。
有关该装置的声学和压降数据分别在图6和图8中给出，如所示。
实施例2(图8：66)
如上述实施例1一样组装声学装置。所得膜厚0.35mm，基重为大约 400克/米2，并且打孔密度为46个孔/厘米2，平均孔直径为大约 0.077mm。相比于实施例1，有效孔直径减小了，以生产静态空气流动阻力为大约1750MKS瑞利的膜。
有关该装置的压降数据提供于图8中，如所示。
实施例3(图6：54)
如上述实施例1一样组装声学装置，不同的是：用穿孔膜制造直径不同的两个单独的管，以提供图4所示的构造。将这些管插入外壳以及端盖内的环形槽中，从而形成中心室212以及第一外围室214和第二外围室 218。这两条同轴管以大约2.8cm的间距沿着径向方向彼此间隔开。
有关该装置的声学数据提供于图6中，如所示。
实施例4(图7：58)
如上述实施例1一样组装声学装置，不同的是：使用串联的两个单独的腔室，其在图5C中示意性地示出(空气从左至右流动)。这两个腔室彼此流体连通，并以大约2cm的间隙间隔开。
有关该装置的声学数据提供于图7中，如所示。
比较例C2(图7：56)
如上述实施例4一样组装声学装置，不同的是：声学装置不具有任何穿孔膜。
有关该装置的声学数据提供于图7中，如所示。
实施例5(图7：60)
如上述实施例3一样组装声学装置，不同的是：使用如实施例4所示的两个串联的单独的腔室。这两个腔室以大约2cm的间隙彼此间隔开。
如实施例3一样，每个腔室均含有一对直径不同的用穿孔膜制造的同轴管，其中直径较大的同轴管以大约2.8cm的间距与直径较小的管沿着径向方向间隔开。
有关该装置的声学数据提供于图7中，如所示。
比较例C3(图8：67)
如实施例1一样组装声学装置，不同的是：用非穿孔膜代替穿孔膜。
有关该装置的压降数据提供于图8中，如所示。
上述的所有专利和专利申请均由本文明确以引用方式并入。尽管本文已参考具体实施方案描述本发明，但应当理解，这些实施方案仅说明性地表示本发明的原理和应用。对于本领域的技术人员将显而易见的是，在未脱离本发明的实质和范围的情况下，可对本发明的方法和设备作出各种修改和变型。因此，本发明旨在包括在所附权利要求及其等同物范围内的修改和变型。

Claims (14)

1.一种适于环境温度应用的具有入口和出口的声学装置，所述声学装置包括：
外壳，所述外壳限定膨胀室；和
管状壁，所述管状壁延伸穿过所述膨胀室并将所述膨胀室分割成中心室和与所述中心室相邻的外围室，其中所述入口和所述出口均与所述中心室连通，并且
其中所述管状壁的厚度在50微米至625微米之间，所述管状壁包括具有0.2GPa至5GPa范围的模量的热塑性材料，并且穿过其形成的多个孔以允许在所述中心室和所述外围室之间流动的气流，所述多个孔被构造成提供100MKS瑞利至5000MKS瑞利范围内的平均流动阻力，并且其中所述多个孔的平均最小直径在10微米至300微米范围。
2.根据权利要求1所述的声学装置，其中所述多个孔被构造成提供250MKS瑞利至3000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
3.根据权利要求2所述的声学装置，其中所述多个孔被构造成提供500MKS瑞利至2000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
4.根据权利要求1所述的声学装置，其中所述管状壁具有0.3％至5％范围内的孔隙率。
5.根据权利要求1所述的声学装置，其中相对于仅与所述膨胀室相关联的压降，在流速为170升/分钟的情况下，所述管状壁将所述入口到所述出口的压降降低最少20％。
6.根据权利要求5所述的声学装置，其中相对于仅与所述膨胀室相关联的所述压降，在流速为170升/分钟的情况下，所述管状壁将从所述入口到出口的压降降低最少50％。
7.根据权利要求1所述的声学装置，其中所述入口和所述出口的横截面直径大致匹配所述管状壁的横截面直径。
8.根据权利要求1所述的声学装置，其中所述管状壁沿着所述膨胀室的整个长度延伸。
9.根据权利要求1所述的声学装置，其中所述管状壁为第一管状壁，所述孔为第一孔，并且所述外围室为第一外围室，并且还包括：
第二管状壁，所述第二管状壁限定与所述第一外围室相邻的第二外围室，
其中所述第二管状壁具有多个第二孔，所述多个第二孔的尺寸被设定为提供比所述多个第一孔的声学传输阻抗明显低的声学传输阻抗。
10.根据权利要求9所述的声学装置，其中所述多个第二孔的尺寸被设定为提供100MKS瑞利至5000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
11.根据权利要求10所述的声学装置，其中所述多个第二孔的尺寸被设定为提供250MKS瑞利至3000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
12.根据权利要求11所述的声学装置，其中所述多个第二孔的尺寸被形成为提供500MKS瑞利至2000MKS瑞利范围内的平均流动阻力。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的声学装置，其中所述膨胀室为第一膨胀室，并且所述外壳还包括具有所述第一膨胀室的全部限制的第二膨胀室，其中所述第一膨胀室的所述出口与所述第二膨胀室的入口连通。
14.一种使用声学装置来衰减气载声能的方法，所述声学装置具有限定膨胀室的外壳、延伸穿过所述膨胀室并将所述膨胀室分割成中心室和与所述中心室相邻的外围室的管状壁，和与所述中心室的相反端部连通的入口和出口，其中所述管状壁的厚度在50微米至625微米之间，所述管状壁包括具有0.2GPa至5GPa范围的模量的热塑性材料，所述方法包括：
使空气流过所述中心室；以及
将所述声能从所述中心室引导穿过设置在所述管状壁中的多个孔，其中所述多个孔提供100MKS瑞利至5000MKS瑞利范围内的平均流动阻力，并且其中所述多个孔的平均最小直径在10微米至300微米范围。
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