CN107563065A

CN107563065A - 中低频腔管宽频吸声结构设计方法及其结构

Info

Publication number: CN107563065A
Application number: CN201710792400.4A
Authority: CN
Inventors: 罗伟; 王欢
Original assignee: Shanghai Swat Acoustics Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Shengwang Acoustics Technology Co ltd; Tongji University
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2037-09-05
Also published as: CN107563065B

Abstract

本发明涉及一种中低频腔管宽频吸声结构设计方法及其结构，其中包括以下步骤：确定相关限值和设计目标；将整体产品分割成若干吸声单体，设计最低频带对应的第一个吸声单体：将作用带宽的下限频率设计为第一个吸声单体的中心频率f₀₁，根据中心频率和目标吸声系数，得到第一个吸声单体的面积、管长和管截面积；设计第二个吸声单体：由于第一个吸声单体的中心频率在低频段，为了设计与第一个吸声单体强耦合的第二吸声单体，使低频部分的吸声单体发生强耦合，以此来增加带宽和吸声系数，首先，确定第二吸声单体的中心频率，然后再根据中心频率和目标吸声系数，计算得到吸声单体的结构参数；设计后续吸声单体。本发明厚度薄，占用空间少，结构坚固。

Description

中低频腔管宽频吸声结构设计方法及其结构

技术领域

本发明属声学技术领域，特别是涉及一种中低频腔管宽频吸声结构设计方法及其结构。

背景技术

低频声能量的吸收，通常是一个技术难点，例如常见的穿孔板吸声结构，通常由穿孔板和后面的空腔组成，而想要对低频有较好的吸声效果，就需要空腔做的比较厚，但在实际应用中，并不希望它占用过多的空间；常见的多孔性吸声材料，想做到低频需要很大的厚度(基本对应波长的1/4)；再如平板式的共振吸声结构，虽然也可以做到很薄，但是频带较窄，就限制了其应用。

对于常见的亥姆霍兹共振器有以下三个缺点：

1、常见亥姆赫兹共振器的声质量部分由璧上穿孔实现，受限于壁厚，所以不会很长，要在低频达到很好的吸声效果，其共振腔体积会比较大(截面面积和结构厚度均较大)，无法实现后续的将多个共振腔体耦合共同吸声；

2、常见亥姆赫兹共振器的频带比较窄，要实现宽频，必须将孔变得很小，且就算变成微穿孔(1mm以下)的共振器，由于只有一个峰值，其吸声效果无法在一个较大的范围保持很高的吸声系数，而是从吸声峰值开始往频率两端减少，此外，微穿孔吸声结构作用在低频范围时其的厚度依然较厚；

3、常见亥姆赫兹共振器的吸声性能整体表现为一个个完整的峰，在实际应用中由于声源的不同，很难针对声源在频带上的声音峰值进行吸声，导致整体吸声效率不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种中低频腔管宽频吸声结构设计方法及其结构，解决现有技术中低频吸声材料或结构的厚度过大的问题，可以实现对噪声源更精确的更有针对性的吸收。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种中低频腔管宽频吸声结构设计方法，其中包括以下步骤：

(a)确定相关限值和设计目标：根据项目加工工艺、成本方面要求，确定产品整体的面积、厚度、带宽和吸声系数四个参数；

(b)将整体产品分割成若干吸声单体，设计最低频带对应的第一个吸声单体：由亥姆霍兹共振结构的基本理论公式可知，每个吸声单体作用于不同的中心频率，设计按从低频到高频顺序，对应的吸声单体体积从大到小；将作用带宽的下限频率设计为第一个吸声单体的中心频率f₀₁，根据中心频率和目标吸声系数，得到第一个吸声单体的面积、管长和管截面积；

(c)设计第二个吸声单体：由于第一个吸声单体的中心频率在低频段，为了设计与第一个吸声单体强耦合的第二吸声单体，使低频部分的吸声单体发生强耦合，以此来增加带宽和吸声系数，首先，确定第二吸声单体的中心频率，然后再根据中心频率和目标吸声系数，计算得到吸声单体的结构参数，即面积、管长、管截面积；

(d)设计后续吸声单体：重复步骤(c)，依次设计后续吸声单体，直至完成最终产品。

本发明的进一步技术方案是，所述步骤(c)中，所述强耦合为两个共振峰对应的吸声单体组合到一起时、两个共振峰耦合成一条中部没有低谷的光滑弧形共振曲线，且共振曲线的频带略有扩展、峰值增加。

本发明的又进一步技术方案是，所述步骤(c)中，第二吸声单体的中心频率计算公式为f₀₂＝(f″₁-f′₁)*K+f₀₁，其中，f₀₂为第二吸声单体的中心频率，f″₁为第二吸声单体的上限频率，f₁为第二吸声单体的下限频率，K为常数。

本发明的再进一步技术方案是，所述K是在设计过程中按实际吸声系数的需求取值。

本发明的再进一步技术方案是，所述步骤(d)中，最终产品的面积上，距离最远的两个吸声单体之间的距离小于四分之一波长。

一种所述的一种中低频腔管宽频吸声结构设计方法制作的中低频腔管吸声结构，包括本体，其中所述本体内部通过分隔板形成若干吸声单体，所述吸声单体内部为空腔结构，所述的吸声单体、本体同侧设有孔，用于安装长管，所述长管安装在吸声单体的空腔内。

本发明的再进一步技术方案是，所述本体由若干大小不同或相同的吸声单体拼合形成。

本发明的再进一步技术方案是，所述本体和吸声单体为规则或不规则几何体。

本发明的再进一步技术方案是，所述本体为可塑性金属或非金属材料。

本发明的更进一步技术方案是，所述本体表面的孔进行封口处理或不做处理。

有益效果

本发明厚度薄，占用空间少，结构坚固，可制成完全无纤维的吸声体，且可根据实际需求，针对不同噪声源的频谱特点设计成不同规格，进行处理，根据设计指标，可在中低频段较宽频带内达到平稳的高吸声系数，由于本发明设计精度强，不论在专业领域(实验室)或噪声治理(消声器、声屏障、环境噪声控制等)方面都将有广泛的应用。

附图说明

图1为本发明一侧剖开结构示意图。

图2、图3为本发明结构示意图。

图4为本发明网格封口结构示意图。

图5为本发明多孔板封口结构示意图。

图6为现有吸声频率示意图。

图7为本发明吸声频率示意图。

图8为本发明打开结构示意图。

图9为本发明强耦合时曲线图。

图10为本发明弱耦合时曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种中低频腔管宽频吸声结构设计方法，其中包括以下步骤：

(c)设计第二个吸声单体：由于第一个吸声单体的中心频率在低频段，为了设计与第一个吸声单体强耦合的第二吸声单体，使低频部分的吸声单体发生强耦合，以此来增加带宽和吸声系数，首先，确定第二吸声单体的中心频率，第二吸声单体的中心频率计算公式为f₀₂＝(f″₁-f′₁)*K+f₀₁，其中，f₀₂为第二吸声单体的中心频率,f″₁为第二吸声单体的上限频率，f′₁为第二吸声单体的下限频率，K为K值，然后再根据中心频率和目标吸声系数，计算得到吸声单体的结构参数，即面积、管长、管截面积；

(d)设计后续单元：重复步骤(c)，依次设计后续单元，直至完成最终产品，且最终产品的面积上，距离最远的两个吸声单体之间的距离小于四分之一波长。

所述步骤(c)中，所述强耦合为两个共振峰对应的吸声单体组合到一起时、两个共振峰耦合成一条中部没有低谷的光滑弧形共振曲线，且共振曲线的频带略有扩展、峰值增加，如图9所示。当两个共振峰距离较远时(K值约大于0.8)，耦合而成的共振峰是一个凹形的，中部有一个低谷，此种类型的耦合定义为弱耦合，如图10所示。

所述K值是在设计过程中按实际吸声系数的需求取值，从下表中可以看出，其实在设计时要综合多方面的因素来考虑，K值并不是都取得越小越好，如果K都取的很小，就会造成最终产品的吸声带宽很窄；K值如果都取的很大，那么吸声系数就会偏低，甚至出现很深的低谷。在设计吸声单体吸声系数中心频率时，公式f₀₂＝(f″₁-f′₁)*K+f₀₁中涉及的参数，可控制共振峰的距离，在实际设计时，如果需要最终得到的吸声系数曲线较好，比如低谷处也要达到0.85，那么K需要取值0.8左右，如果不需要都保持那么高的吸声系数，就可以取0.9或者1。

注：Alpha*弱耦合时代表低谷处的吸声系数。

系数K**值是通过理论推演和试验得来

如图1及图8所示，一种中低频腔管吸声结构，包括本体5，其中所述本体5内部通过分隔板6形成若干吸声单体1，所述吸声单体1内部为空腔结构，所述的吸声单体1、本体5同侧设有孔，用于安装长管2，所述长管2安装在吸声单体1的空腔内。

如图2和图3所示，所述本体5由若干大小不同或相同的吸声单体1拼合形成。

所述本体5和吸声单体1为规则或不规则几何体。

所述本体5为可塑性金属或非金属材料，所述本体5表面的孔通过网格3或多孔板4进行封口处理，如图4和图5所示，。

实际设计时，例如成品为厚度为200mm、面积为200mm×200mm的长方体，且长方体内分隔成25个大小不同的吸声单体，常规设计是根据每个吸声单体的吸声面积来设计，因而各个吸声单体是独立的，做出来的吸声频率如图7所示，按照本发明方法进行设计：

1、确定最终产品的厚度为200mm、面积为200mm×200mm的长方体、带宽为100Hz-300Hz和平均吸声系数0.95四个参数；

2、将整体产品分割成25个吸声单体，设计最低频带对应的第一个吸声单体：由亥姆霍兹共振结构的基本理论公式可知，每个吸声单体作用于不同的中心频率，设计按从低频到高频顺序，对应的吸声单体体积从大到小；将作用带宽的下限频率设计为第一个吸声单体的中心频率f₀₁，根据中心频率和目标吸声系数，得到第一个吸声单体的面积、管长和管截面积；

3、设计第二个吸声单体：由于第一个吸声单体的中心频率在低频段，所以要设计与第一个吸声单体强耦合的第二吸声单体，使低频部分的吸声单体发生强耦合，以此来增加带宽和吸声系数，首先，确定第二吸声单体的中心频率，第二吸声单体的中心频率计算公式为f₀₂＝(f″₁-f′₁)*K+f₀₁，其中，f₀₂为第二吸声单体的中心频率,f″₁为第二吸声单体的上限频率，f′₁为第二吸声单体的下限频率，K为常数，然后再根据中心频率和目标吸声系数，计算得到吸声单体的结构参数，即面积、管长、管截面积；

4、设计后续吸声单体：重复步骤(d)，依次设计后续吸声单体，完成最终产品，且最终产品为由25个大小不同的吸声单体组成，因而总体具有很好的耦合特性，从结果的表现上来看，就是一个个独立的峰值变为一条平直的线，如图7所示。

按照上述设计，在中低频腔管吸声结构整体厚度为200mm、面积为200mm×200mm的情况，其可以实现100Hz-300Hz的平均吸声系数0.95左右的吸声性能，这时，各个吸声单体管口直径范围为5-40mm，且管口直径最佳范围为8-12mm，其中管口直径为12mm时，管长为20-80mm，管口直径为10mm时，管长为10-35mm，管口直径为8mm时，的管4-15mm范围。

另外，随着单位结构面积改变，管口最佳直径为单元结构改变的比例的2/3次方，比如整体结构面积由200mm×200mm变为100mm×100mm时，其管口最佳直径应为乘以一个参数(100/200)^2/3＝0.63，即5mm-7.6mm范围，且最佳管长变化一般依旧在上述范围内。

若保持相同的相对吸声带宽，如作用于100-300Hz的相对带宽为(300-100)/{(300+100)/2}＝200/200＝1，中心频率为200Hz，而中心频率若为100Hz时，如本发明作用于50-150Hz段，其整体厚度是乘以1.5(其他变化对吸声频率影响较小，可忽略不计)，相对上述实施例，即300mm厚度可实现以上效果；但当结构整体厚度上升以后，要保持50-300Hz达到平均0.95以上吸声效果，整体厚度应乘以2左右，即400mm厚左右。

因此，在中低频腔管吸声结构整体厚度为200mm、面积为200mm×200mm，分隔形成25个大小不同的吸声单体时，实现100Hz-300Hz的平均吸声系数0.95左右的吸声性能的基础上，保持上限吸声频率基本不变的情况下，往低频扩展一个倍频程整体厚度约乘以2，如果保持相对带宽不变，约乘1.5；此外，若不需要0.95以上的平均吸声系数，该结构的厚度可降低，如平均吸声系数0.75时结构厚度可降约一半。

对于某些应用场合，可能并不希望结构表面留有较大孔洞，此时可以进行封口处理(对性能影响可以忽略)，可通过网格3或多孔板4等方式进行封口处理，如图4和图5所示。

Claims

1.一种中低频腔管宽频吸声结构设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(b)将整体产品分割成若干吸声单体，设计最低频带对应的第一个吸声单体：由亥姆霍兹共振结构的基本理论公式可知，每个吸声单体作用于不同的中心频率，设计按从低频到高频顺序，对应的吸声单体体积从大到小；将作用带宽的下限频率设计为第一个吸声单体的中心频率f₀₁，根据中心频率和目标吸声系数，计算得到第一个吸声单体的面积、管长和管截面积；

2.根据权利要求1所述的一种中低频腔管宽频吸声结构设计方法，其特征在于：所述步骤(c)中，所述强耦合为两个共振峰对应的吸声单体组合到一起时、两个共振峰耦合成一条中部没有低谷的光滑弧形共振曲线，且共振曲线的频带略有扩展、峰值增加。

3.根据权利要求1所述的一种中低频腔管宽频吸声结构设计方法，其特征在于：所述步骤(c)中，第二吸声单体的中心频率计算公式为f₀₂＝(f″₁-f′₁)*K+f₀₁，其中，f₀₂为第二吸声单体的中心频率,f_″1为第二吸声单体的上限频率，f′₁为第二吸声单体的下限频率，K为常数。

4.根据权利要求3所述的一种中低频腔管宽频吸声结构设计方法，其特征在于：所述K是在设计过程中按实际吸声系数的需求取值。

5.根据权利要求1所述的一种中低频腔管宽频吸声结构设计方法，其特征在于：所述步骤(d)中，最终产品的面积上，距离最远的两个吸声单体之间的距离小于四分之一波长。

6.一种根据权利要求1所述的一种中低频腔管宽频吸声结构设计方法制作的中低频腔管宽频吸声结构，包括本体(5)，其特征在于：所述本体(5)内部通过分隔板(6)形成若干吸声单体(1)，所述吸声单体(1)内部为空腔结构，所述的吸声单体(1)、本体(5)同侧设有孔，用于安装长管(2)，所述长管(2)安装在吸声单体(1)的空腔内。

7.根据权利要求6所述的一种中低频腔管宽频吸声结构，其特征在于：所述本体(5)由若干大小不同或相同的吸声单体(1)拼合形成。

8.根据权利要求6所述的一种中低频腔管宽频吸声结构，其特征在于：所述本体(5)和吸声单体(1)为规则或不规则几何体。

9.根据权利要求6所述的一种中低频腔管宽频吸声结构，其特征在于：所述本体(5)为可塑性金属或非金属材料。

10.根据权利要求6所述的一种中低频腔管宽频吸声结构，其特征在于：所述本体(5)表面的孔进行封口处理或不做处理。