CN107195292A - 一种宽低频吸声的超薄吸声结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽低频吸声的超薄吸声结构，属于声学技术领域；该结构由相同的方形单胞均匀排列组成，每个方形单胞均由前面板、中间层及刚性背板顺序固定连接组成；所述前面板上加工有通孔；所述中间层上加工有与前面板的通孔相同的通孔及以所述通孔为起始点进行盘绕的大管径盘曲螺线管和小管径盘曲螺线管；所述大管径盘曲螺线管和小管径盘曲螺线管串联、并联或混联分布。本发明通过在中间层加工大小不同的盘曲螺线管进行串联、并联或混联分布，具有超薄和宽低频良好吸声的特点。

Description

一种宽低频吸声的超薄吸声结构

技术领域

本发明属于声学技术领域，具体涉及一种宽低频吸声的超薄吸声结构。

背景技术

噪声是指发声体做无规则振动时发出的声音，会严重妨碍人们正常休息、学习和生活。噪声污染一方面主要来源于交通运输、建筑施工、工业噪声、社会噪音、家庭生活噪声等，所以为了人们生活的舒适度不被噪声影响，降噪就显得尤为重要。另一方面，在军事应用领域，降低航天器起飞时的强噪音可减少其对灵敏元器件的损害；降低核潜艇发动机噪声的可测性是提高核潜艇生存能力的关键技术之一。

然而，进行低频吸声降噪一直是有待解决的难题，根本原因在于低频声音与吸声结构弱的摩擦和热交换作用，导致声能损耗很小。目前人们已经通过一些结构设计的方法去放大低频声音与吸声结构的耦合作用，从而提高材料低频吸声性能。总结来看，目前常见的方法有以下四类：

(1)提高材料低频吸声性能的最常用方法是，优化多层吸声结构的参数分布。在相同材料厚度条件下，通过优化调整每一层吸声结构的孔隙率、开孔方式、密度、弹性模量等方式，可以得到比均匀吸声结构吸声性能更加良好的结果。

(2)通过设计吸声结构的几何微结构来达到提高结构低频吸声性能的目的。比如金属纤维毡是利用拉成细丝的金属丝压制盘绕而成，其在中高频域具有良好的吸声性能，但是低频吸声很差。通过化学或物理处理方法，可以增加金属丝外表面的粗糙度，从而增强低频声音与金属纤维毡的损耗，最终达到提高结构低频吸声性能的效果。

(3)通过引入固支的薄膜或者固支薄膜和质量块，与刚性壁面共同形成吸声结构。此类方法的特点是通过调整固支薄膜的预张力大小、质量块的位置和大小等方式，利用混合共振态实现结构在低频的完美吸声，是近些年提高结构吸声性能的突破性方法。

(4)利用亥姆赫兹共振腔原理，通过设计大量丝米级小孔或附加突变空腔的方法，使得吸声结构在低频频域产生共振，从而达到良好吸声效果。

然而，前两类方法所设计的吸声结构只能在一定程度上改良低频吸声的性能。第三类方法虽然能够实现良好的低频吸声性能，但是其只能在单一固定频率实现，并且想要实现宽低频吸声需要较大的尺寸，在一定程度上限制了该类结构的应用。第四类方法虽然也能够实现良好的低频吸声性能，但是其材料厚度要求是与吸声波长可匹配的，也就是厚度太厚，限制了该类结构实际的工程应用。

此外，最近有人尝试将第四类方法中设计的空腔盘绕起来，也实现了良好的低频吸声性能，并且实现了吸声结构厚度很薄。但是其所设计的结构低频吸声为单一频率，限制了其实际应用。

因此，到目前为止，仍没有一种结构能够实现材料厚度很薄的情况下，同时在低频域具有较宽频带且吸声性能良好的吸声结构。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种宽低频吸声的超薄吸声结构，通过在中间层加工大小不同的盘曲螺线管进行串联、并联或混联分布，具有超薄和宽低频良好吸声的特点。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种宽低频吸声的超薄吸声结构，由相同的方形单胞均匀排列组成，每个方形单胞均由前面板、中间层及刚性背板顺序固定连接组成；

所述前面板上加工有通孔；

所述中间层上加工有与前面板的通孔相同的通孔及以所述通孔为起始点进行盘绕的大管径盘曲螺线管和小管径盘曲螺线管；所述大管径盘曲螺线管和小管径盘曲螺线管串联、并联或混联分布。

进一步的，所述大管径盘曲螺线管和小管径盘曲螺线管盘旋为矩形或圆形。

进一步的，所述大管径盘曲螺线管为通孔，其横截面为矩形，小管径盘曲螺线管位于中间层内部，其横截面为矩形或圆形。

进一步的，所述前面板、中间层和刚性背板选用的材料均为金属材料或硬质塑料。

进一步的，所述前面板的厚度为0.1mm～2mm；中间层的厚度为1mm～30mm；刚性背板的厚度为0.1mm～2mm；可根据实际需求厚度适当调整。

进一步的，当小管径盘曲螺线管的横截面为矩形时：

所述小管径盘曲螺线管长L_t1、大管径盘曲螺线管长L_t2、小管径盘曲螺线管矩形截面边长a₁₁、a₁₂,大管径盘曲螺线管矩形截面边长a₂₁、a₂₂,方形单胞的边长D、超薄指标Ut及吸声频域带宽Fb应满足如下关系：

超薄指标Ut＝min(f₁h/c₀)，且满足∝≧∝₀，a₁₁a₁₂＜a₂₁a₂₂；

吸声频域带宽Fb＝max(f₂-f₁)，且满足∝≧∝₀,a₁₁a₁₂＜a₂₁a₂₂；

其中，∝为材料的吸声系数，可通过实验测得；∝₀为0-1之间的常数，一般取0.6-1之间的数；f₁为结构第一次达到∝₀时对应的频率；f₂为结构第二次达到∝₀时对应的频率；h为方形单胞的总厚度；c₀为声音在空气中传播速度。

当小管径盘曲螺线管的横截面为圆形时：

所述小管径盘曲螺线管长L_t1、大管径盘曲螺线管长L_t2、小管径盘曲螺线管圆形截面直径d₁,大管径盘曲螺线管矩形截面边长a₂₁、a₂₂,方形单胞的边长D、超薄指标Ut及吸声频域带宽Fb应满足如下关系：

超薄指标Ut＝min(f₁h/c₀)，且满足∝≧∝₀，

吸声频域带宽Fb＝max(f₂-f₁)，且满足∝≧∝₀,

其中，∝为材料的吸声系数，可通过实验测得；∝₀为0-1之间的常数，一般取0.6-1之间的数；f₁为结构第一次达到∝₀时对应的频率；f₂为结构第二次达到∝₀时对应的频率；h为方形单胞的总厚度；c₀为声音在空气中传播速度。

有益效果：(1)本发明通过在中间层加工大小盘曲螺线管进行串联并对其几何参数进行优化，使得吸声结构能够同时具有超薄、宽低频良好吸声特点。

(2)本发明通过在中间层加工多种大小盘曲螺线管进行并联或混联排列，可以调节和扩宽吸声结构的吸声频带带宽。

附图说明

图1为本发明的超薄吸声结构的中间层进行方形盘绕的结构组成图。

图2为本发明的中间层进行方形盘绕的结构示意图。

图3为本发明的超薄吸声结构的中间层进行圆形盘绕的结构组成图。

图4为本发明的中间层进行圆形盘绕的结构示意图。

图5为实例1的前面板的结构示意图。

图6为实例1的中间层的结构示意图。

图7为实例1的吸声效果图。

图8为实例2的前面板的结构示意图。

图9为实例2的中间层的结构示意图。

图10为实例2的吸声效果图。

图11为实例3的前面板的结构示意图。

图12为实例3的中间层的结构示意图。

图13为实例3的吸声效果图。

其中，1-前面板，2-中间层，3-刚性背板。

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。

本发明提供了一种宽低频吸声的超薄吸声结构，参见附图1-4，由相同的方形单胞均匀排列组成，每个方形单胞均由前面板1、中间层2及刚性背板3顺序固定连接组成；

其中，所述前面板1、中间层2和刚性背板3选用的材料均为铝、铁等金属材料或硬质塑料等弹性模量较大材料；

前面板1的厚度为0.1mm～2mm；中间层2的厚度为1mm～30mm，具体厚度需要根据所设定的目标频域来确定；刚性背板3的厚度为0.1mm～2mm；

所述前面板1上加工有通孔；

所述中间层2上加工有与前面板1的通孔相同的通孔及以所述通孔为起始点进行盘绕的大管径盘曲螺线管和小管径盘曲螺线管；

所述大管径盘曲螺线管和小管径盘曲螺线管串联、并联或混联分布，大管径盘曲螺线管和小管径盘曲螺线管可以盘旋为矩形或圆形，大管径盘曲螺线管为通孔，其横截面为矩形，小管径盘曲螺线管位于中间层2内部，其横截面为矩形或圆形；

其中，当小管径盘曲螺线管的横截面为矩形时：

小管径盘曲螺线管长L_t1、大管径盘曲螺线管长L_t2、小管径盘曲螺线管矩形截面边长a₁₁、a₁₂,大管径盘曲螺线管矩形截面边长a₂₁、a₂₂,方形单胞的边长D、超薄指标Ut及吸声频域带宽Fb应满足如下关系：

超薄指标Ut＝min(f₁h/c₀)，且满足∝≧∝₀，a₁₁a₁₂＜a₂₁a₂₂；

吸声频域带宽Fb＝max(f₂-f₁)，且满足∝≧∝₀,a₁₁a₁₂＜a₂₁a₂₂；

其中，∝为材料的吸声系数；∝₀为0-1之间的常数，一般取0.6-1之间的数；f₁为结构第一次达到∝₀时对应的频率；f₂为结构第二次达到∝₀时对应的频率；h为方形单胞的总厚度；c₀为声音在空气中传播速度。

当小管径盘曲螺线管的横截面为圆形时：

所述小管径盘曲螺线管长L_t1、大管径盘曲螺线管长L_t2、小管径盘曲螺线管圆形截面直径d₁,大管径盘曲螺线管矩形截面边长a₂₁、a₂₂,方形单胞的边长D、超薄指标Ut及吸声频域带宽Fb应满足如下关系：

超薄指标Ut＝min(f₁h/c₀)，且满足∝≧∝₀，

吸声频域带宽Fb＝max(f₂-f₁)，且满足∝≧∝₀,

其中，∝为材料的吸声系数；∝₀为0-1之间的常数，一般取0.6-1之间的数；f₁为结构第一次达到∝₀时对应的频率；f₂为结构第二次达到∝₀时对应的频率；h为方形单胞的总厚度；c₀为声音在空气中传播速度。

所述超薄吸声结构的具体制作步骤为：

1)在前面板1上加工矩形通孔；

2)在中间层2上加工与前面板1的矩形通孔大小和位置相同的矩形通孔，所述矩形通孔的边长满足设定的大管径盘曲螺线管截面边长a₂₁和a₂₂；

3)在中间层2上以所述矩形通孔的一边为起始点，以圆形盘绕或矩形盘绕的方式开通孔，直到通孔长度满足设定的大管径盘曲螺线管长L_t2；

4)将中间层2在厚度方向上沿中轴线分开后，在一半的中间层2上以大管径盘曲螺旋管的末端为起始点，以圆形盘绕或矩形盘绕的方式开槽，直到槽的长度满足设定的小管径盘曲螺线管长L_t1，其中，所开槽的槽宽满足设定的小管径盘曲螺线管截面边长a₁₁、a₁₂或截面直径d₁；

5)在另一半的中间层2上加工相同的槽后，然后将中间层2的两部分通过铆钉或胶水固定连接；

6)将前面板1、中间层2、刚性背板3通过铆钉或胶水顺序固定连接后形成所述超薄吸声结构的方形单胞；

工作时，所述方形单胞沿垂直于厚度方向铺满整个平面形成所述超薄吸声结构，声音沿超薄吸声结构的厚度方向入射；

实例1：中间层加工有大小不同的盘曲螺线管进行串联分布

前面板1、中间层2和刚性背板3所采用的材料均为PLA，PLA为常用3D打印材料，其拉伸强度和弯曲模量均大于60Mpa，满足超薄吸声结构对于刚性的要求；

参见附图5-6，前面板1、中间层2及刚性背板3的边长D均为100mm，总厚度h为23.3mm；

其中，所述前面板1的厚度为1mm；前面板1的几何中心处开有方形通孔，方形通孔的边长为21.3mm，且方形通孔的几何中心和前面板1的几何中心重合；

所述中间层2的厚度为21.3mm；在中间层2上加工有与前面板1的方形通孔位置和大小相同的方形通孔，以所述方形通孔为起始点(即大管径盘曲螺线管矩形截面的一个边长a₂₁＝21.3mm，即为图中的d₂＝21.3mm)，并以方形盘绕的方式开通孔形成大管径盘曲螺线管，长度为205mm(即大管径盘曲螺线管长L_t2＝205mm)；然后以大管径盘曲螺线管末端的截面中心为起始位置，并以方形盘绕的方式开小孔形成小管径盘曲螺线管，长度为200mm(即小管径盘曲螺线管长L_t1＝200mm)；其中，小孔横截面为边长为2.3mm的方孔(即小管径盘曲螺线管矩形截面的一个边长a₁₁＝2.3mm，即为图中的d₁＝2.3mm)或小孔横截面为直径为2.3mm的圆孔(即小管径盘曲螺线管圆形截面直径d₁＝2.3mm)；

所述刚性背板3的厚度为1mm；

设垂直于前面板1的厚度方向分别为x轴方向和y轴方向，平行于厚度方向为z轴方向；前面板1、中间层2和刚性背板3形成的方形单胞沿x轴、y轴方向排列，铺满整个xy平面形成超薄吸声结构；

工作时，将该超薄吸声结构沿xy方向覆盖需要吸声降噪物体，使声音沿z轴方向入射；吸声效果根据图7可知，该吸声结构从381Hz到441Hz，其吸声系数均达到0.8以上，吸声频带高达60Hz，厚度仅为波长的1/39。

实例2：中间层加工有大小不同的盘曲螺线管进行串联分布

前面板1、中间层2和刚性背板3所采用的材料均为金属铝。铝的弹性模量为69Gpa，满足吸声结构对于刚性壁面的要求；

参见附图8-9，前面板1、中间层2及刚性背板3的边长D均为108.4mm，总厚度h为6.5mm；

其中，所述前面板1的厚度为0.1mm；前面板1上距离两相邻直角边0.2mm的位置加工有53mm*6mm的矩形通孔；

所述中间层2的厚度为6mm；在中间层2上加工有与前面板1的矩形通孔位置和大小相同的矩形通孔；以所述矩形通孔的长边为起始点(即大管径盘曲螺线管矩形截面的一个边长a₂₁＝53mm，即为图中的d₂＝53mm)，并以方形盘绕的方式开通孔形成大管径盘曲螺线管，长度为205mm(即大管径盘曲螺线管长L_t2＝205mm)；然后以大管径盘曲螺线管末端的截面中心为起始位置，并以方形盘绕的方式开小孔形成小管径盘曲螺线管，长度为200mm(即小管径盘曲螺线管长L_t1＝200mm)；其中，小孔横截面为边长为1.52mm的方孔(即小管径盘曲螺线管矩形截面的一个边长a₁₁＝1.52mm，即为图中的d₁＝1.52mm)或小孔横截面为直径为1.52mm的圆孔(即小管径盘曲螺线管圆形截面直径d₁＝1.52mm)；

所述刚性背板3的厚度为0.4mm；

设垂直于前面板1的厚度方向分别为x轴方向和y轴方向，平行于厚度方向为z轴方向；前面板1、中间层2和刚性背板3形成的方形单胞沿x轴、y轴方向排列，铺满整个xy平面形成超薄吸声结构；

工作时，将该超薄吸声结构沿xy方向覆盖需要吸声降噪物体，使声音沿z轴方向入射；吸声效果根据图10可知，该吸声结构从387Hz到429Hz，其吸声系数均达到0.8以上，吸声频带高达42Hz，厚度仅为波长的1/136。

实例3：中间层加工有大小不同的盘曲螺线管进行混联分布

前面板1、中间层2和刚性背板3所采用的材料均为金属铝。铝的弹性模量为69Gpa，满足吸声结构对于刚性壁面的要求；

参见附图11-12，前面板1、中间层2及刚性背板3的边长D均为100mm，总厚度h为30.4mm；

其中，所述前面板1的厚度为0.2mm；前面板1上加工有两个呈对角线的方形通孔，两个方形通孔分别与两相邻直角边的最近距离均为2mm，两个方形通孔的边长分别为30mm和26mm；

所述中间层2的厚度为6mm；在中间层2上加工有与前面板1的两个方形通孔位置和大小相同的两个方形通孔；分别以两个方形通孔为起始点(即两个大管径盘曲螺线管矩形截面的一个边长分别为30mm，26mm，即为图中的d₂＝30mm，d₂’＝26mm)，并以方形盘绕的方式开通孔形成两个大管径盘曲螺线管，边长为30mm的方形通孔形成的大管径盘曲螺线管的长度为120mm，边长为26mm的方形通孔形成的大管径盘曲螺线管的长度为100.5mm(即大管径盘曲螺线管长L_t2＝120mm，L_t2’＝100.5mm)；然后分别以两个大管径盘曲螺线管末端的截面中心为起始位置，并以方形盘绕的方式开小孔形成两个小管径盘曲螺线管，边长为30mm的方形通孔对应的小管径盘曲螺线管的长度为120mm，边长为26mm的方形通孔对应的小管径盘曲螺线管的长度为100.5mm(即小管径盘曲螺线管长L_t1＝120mm，L_t1’＝100.5mm)；其中，边长为30mm的方形通孔对应的小孔横截面为边长为3.2mm的方孔，边长为26mm的方形通孔对应的小孔横截面为边长为2.5mm的方孔(即小管径盘曲螺线管矩形截面的一个边长分别为3.2mm，2.5mm，即为图中的d₁＝3.2mm，d₁’＝2.5mm)；或边长为30mm的方形通孔对应的小孔横截面直径为3.2mm的圆孔，边长为26mm的方形通孔对应的小孔横截面为直径为2.5mm的圆孔(即两个小管径盘曲螺线管圆形截面直径分别为d₁＝3.2mm，d₁’＝2.5mm)

两个小孔横截面为直径为1.52mm的圆孔(即小管径盘曲螺线管圆形截面直径d₁＝1.52mm；

所述刚性背板3的厚度为0.2mm；

设垂直于前面板1的厚度方向分别为x轴方向和y轴方向，平行于厚度方向为z轴方向；前面板1、中间层2和刚性背板3形成的方形单胞沿x轴、y轴方向排列，铺满整个xy平面形成超薄吸声结构；

工作时，将该超薄吸声结构沿xy方向覆盖需要吸声降噪物体，使声音沿z轴方向入射；吸声效果根据图13可知，该吸声结构从633Hz到849Hz，其吸声系数均达到0.8以上，吸声频带高达216Hz。

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 (8)

1.一种宽低频吸声的超薄吸声结构，其特征在于，由相同的方形单胞均匀排列组成，每个方形单胞均由前面板(1)、中间层(2)及刚性背板(3)顺序固定连接组成；

所述前面板(1)上加工有通孔；

所述中间层(2)上加工有与前面板(1)的通孔相同的通孔及以所述通孔为起始点进行盘绕的大管径盘曲螺线管和小管径盘曲螺线管；所述大管径盘曲螺线管和小管径盘曲螺线管串联、并联或混联分布。

2.如权利要求1所述的一种宽低频吸声的超薄吸声结构，其特征在于，所述大管径盘曲螺线管和小管径盘曲螺线管盘旋为矩形或圆形。

3.如权利要求1所述的一种宽低频吸声的超薄吸声结构，其特征在于，所述大管径盘曲螺线管为通孔，大管径盘曲螺线管的横截面为矩形，小管径盘曲螺线管位于中间层(2)内部，小管径盘曲螺线管横截面为矩形或圆形。

4.如权利要求1所述的一种宽低频吸声的超薄吸声结构，其特征在于，所述前面板(1)、中间层(2)和刚性背板(3)选用的材料均为金属材料或硬质塑料。

5.如权利要求1所述的一种宽低频吸声的超薄吸声结构，其特征在于，所述前面板(1)的厚度为0.1mm～2mm；中间层(2)的厚度为1mm～30mm；刚性背板(3)的厚度为0.1mm～2mm。

6.如权利要求1所述的一种宽低频吸声的超薄吸声结构，其特征在于，当小管径盘曲螺线管的横截面为矩形时：

所述小管径盘曲螺线管长L_t1、大管径盘曲螺线管长L_t2、小管径盘曲螺线管矩形截面边长a₁₁、a₁₂，大管径盘曲螺线管矩形截面边长a₂₁、a₂₂，方形单胞的边长D、超薄指标Ut及吸声频域带宽Fb应满足如下关系：

超薄指标Ut＝min(f₁h/c₀)，且满足∝≧∝₀，a₁₁a₁₂＜a₂₁a₂₂；

吸声频域带宽Fb＝max(f₂-f₁)，且满足∝≧∝₀,a₁₁a₁₂＜a₂₁a₂₂；

其中，∝为材料的吸声系数；∝₀为0-1之间的常数；f₁为结构第一次达到∝₀时对应的频率；f₂为结构第二次达到∝₀时对应的频率；h为方形单胞的总厚度；c₀为声音在空气中传播速度。

7.如权利要求1所述的一种宽低频吸声的超薄吸声结构，其特征在于，当小管径盘曲螺线管的横截面为圆形时：

所述小管径盘曲螺线管长L_t1、大管径盘曲螺线管长L_t2、小管径盘曲螺线管圆形截面直径d₁,大管径盘曲螺线管矩形截面边长a₂₁、a₂₂,方形单胞的边长D、超薄指标Ut及吸声频域带宽Fb应满足如下关系：

超薄指标Ut＝min(f₁h/c₀)，且满足∝≧∝₀，

吸声频域带宽Fb＝max(f₂-f₁)，且满足∝≧∝₀,

其中，∝为材料的吸声系数；∝₀为0-1之间的常数；f₁为结构第一次达到∝₀时对应的频率；f₂为结构第二次达到∝₀时对应的频率；h为方形单胞的总厚度；c₀为声音在空气中传播速度。

8.如权利要求6或7所述的一种宽低频吸声的超薄吸声结构，其特征在于，所述∝₀取值为0.6-1。