CN107990079A - 允许流体通过的低频吸声器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种允许流体通过的低频吸声器，其包括若干个吸声单元，于各所述吸声单元之间形成有可供流体通过的间隙；且所述吸声单元包括空心管体，于所述管体的侧壁上设有沿所述管体轴向延伸的开口，还包括分别布置于所述管体的两端、以封闭所述管体两端的板体。本发明所述的允许流体通过的低频吸声器，在各吸收单元之间形成间隙，可供流体通过，从而可实现吸声器在管道系统等场合的应用，以能够在流体通过的同时实现对声波的吸收，减少低频噪音。
Description
技术领域
本发明涉及声波处理技术领域，特别涉及一种允许流体通过的低频吸声器。
背景技术
低频(<400Hz)声波在生活中广泛存在，例如人说话的语音以及设备振动产生的噪音，因此对低频声波的控制与吸收一直是声学工程中的重要课题。由于在低声压级(<120dB)下声学系统是线性的，声波和材料之间的耗散作用相对于频率的平方成正比，因此声波在低频段难以耗散，低频声波的吸收从而也一直是一个长期难题。
由于在低频下空气中的声波波长很长(约1m)，传统的多孔吸声材料在被壁支撑的情况也至少需要四分之一波长的厚度才能有显著的吸收，这就会占用很大的区域，在空间有限的情况下难以忍受。同时，多孔材料的废屑也很不环保，在室内的使用既不方便，也不健康。
为了克服这些传统材料不容忽视的缺点，人们尝试开发出新的亚波长声学超材料低频吸声器，但是目前提出的超材料吸声器大多都需要刚性背衬作为反射板才能实现大于80％高效率的声波吸收，如果没有反射板则最大吸收甚至很难超过50％。然而在有刚性背衬等反射板的情况下，流体会无法通过吸声器，因此这些超材料吸声器大都不能应用在管道系统中。
迄今为止，现有技术中仅有一种基于薄膜共振单元的超材料吸声器允许流体通过，可应用于管道系统中，不过薄膜容易损坏，而且薄膜的吸收依赖于薄膜的形变，在长期使用中可能出现蠕变的问题，导致薄膜发生永久变形，而影响薄膜的吸收性能。
为此，设计一种可允许流体通过，同时不依赖于薄膜的低频吸声器便显得很有意义。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种允许流体通过的低频吸声器，旨在克服现有技术中的至少一点不足。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种允许流体通过的低频吸声器，其包括若干个吸声单元，于各所述吸声单元之间形成有可供流体通过的间隙；且所述吸声单元包括空心管体，于所述管体的侧壁上设有沿所述管体轴向延伸的开口，还包括分别布置于所述管体的两端、以封闭所述管体两端的板体。
进一步的，所述管体为一个或是嵌套设置的多个。
进一步的，嵌套设置的各所述管体中，相邻所述管体上的所述开口背对布置。
进一步的，所述管体为并排布置、且固连为一体的至少两个；并且固连在一起的多个所述管体的截面形状完全相同或者有所不同。
进一步的，于并排布置的各所述管体内还嵌套有至少一个所述管体。
进一步的，并排相邻或嵌套相邻的所述管体上的所述开口背对布置。
进一步的，所述吸声单元为沿声波传输方向布置的至少一排或至少一列，或者所述吸声单元为沿声波传输方向呈阵列布置。
进一步的，各所述吸声单元周期性或非周期性排布。
进一步的，所述管体的截面为矩形、圆形、椭圆形或梯形中的一种。
进一步的，所述开口为沿所述管体轴向延伸的直线形或弯折状，或者所述开口呈螺旋状绕所述管体分布。
进一步的，所述开口沿所述管体的轴向贯穿所述管体；或者所述开口被设置为沿所述管体轴向长度的部分的开口孔，所述开口孔的形状包括沿所述管体的轴向延伸的矩形、椭圆形、长圆形或者圆形、方形。
进一步的，所述管体沿其轴向长度具有恒定的或变化的横截面。
进一步的，所述吸声单元由致密材质制成。
进一步的，所述吸声单元由金属、塑料、玻璃以及陶瓷中的一种制成。
进一步的，所述吸声单元通过3D打印、模具注塑、车床加工或激光切割中的一种成型。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明的允许流体通过的低频吸声器，在各吸收单元之间形成间隙，可供流体通过，从而可实现吸声器在管道系统等场合的应用，以能够在流体通过的同时实现对声波的吸收，减少低频噪音。
本发明的允许流体通过的低频吸声器中，经由具有开口且两端封闭的管体的设置，使用时通过声波与管壁的摩擦，以及所引起的管体与低频声波间的共振，可使声波的能量转换为热被吸收，这一转化在发生共振时尤为显著，而本吸声器可支持低频下的共振模式，从而能够实现对低频声波的有效吸收。
同时，本发明的低频吸声器不需设置多孔材料或薄膜结构，由此可便于保护环境及使用者的健康，并在一定强度的剪切力或压力下也不会破坏吸声器结构的稳定性，且也能够避免薄膜结构因蠕变永久形变、进而影响吸收性能的不足之处，故而也使得该吸声器有更好的实用性。而且本发明的低频吸声器的结构设计，其在实现低频声波吸收的同时，吸声器的总体厚度相较于现有多孔材料四分之一波长的厚度要求亦会大大降低，亦能够使该吸声器在尺寸上有着极强的竞争力。
此外，本发明的低频吸声器中相邻管体上的开口背对布置，也可在背对的开口之间形成回旋的声波路径，能够有效地降低吸声器的共振频率；通过改变管体的数量，以及调节管体横截面和开口的形状与尺寸，可以调节吸声器共振模式的频率与最大吸收，可匹配不同应用场合的几何限制，能够适应不同的应用需求；而由金属、塑料、玻璃或陶瓷等致密材料制成，并可采用常规手段加工成型，也能够使得吸声器具有生产制造简单、成本低廉的优点。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的吸声单元的一种示例性结构示意图(图中未示出顶端的板体)；
图2为图1中吸声单元的截面示意图；
图3为本发明实施例所述的吸声单元的另一种示例性结构示意图；
图4为本发明实施例所述的开口为孔状时的结构示意图；
图5为本发明实施例所述的开口为弯折状时的结构示意图；
图6为本发明实施例所述的并排布置、且固连在一起的管体为不同截面形状的结构示意图；
图7为图1中的吸声单元阵列布置而构成的低频吸声器的示意图；
图8为对由图1中吸声单元所构成的低频吸声器进行模拟得到的吸收系数，其中，低频吸声器分别为包含有1排、2排、3排吸声单元；
图9为由图1中吸声单元所构成的低频吸声器进行模拟得到的吸收系数，其中，低频吸声器包含有2排吸声单元；
图10为由图1中吸声单元所构成的低频吸声器进行实验得到的吸收系数，其中，低频吸声器包含有1排吸声单元；
图11为由图1中吸声单元所构成的低频吸声器进行实验得到的吸收系数，其中，低频吸声器包含有2排吸声单元；
附图标记说明：
1-第一管体，2-第二管体，3-开口，4-板体，5-固定框架，6-空隙；
10-吸声单元。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例涉及一种允许流体通过的低频吸声器(以下简称“低频吸声器”)，其在结构上包括若干个吸声单元，于各吸声单元之间形成有可供流体通过的间隙，且吸声单元具体包括空心的管体，以及分别设置于该管体两端的以封闭管体两端的板体，同时，在管体的侧壁上也设置有沿管体轴向延伸的开口。
工作时，本实施例的低频吸声器通过各吸声单元之间间隙的设置，可允许流体通过低频吸声器，而经由具有开口且两端封闭的管体的设置，通过声波与管壁的摩擦，以及所引起的管体与低频声波间的共振，可使声波的能量转换为热而被吸收，这一转化在发生共振时尤为显著，而本低频吸声器可支持低频下的共振模式，因而能够实现对低频声波的有效吸收。
基于如上的整体结构，本实施例的构成该低频吸声器的吸声单元的一种示例性结构由图1结合图2所示，其中，在该示例中该吸声单元10内的管体的截面设置为矩形，且管体也为并排布置并固连为一体的两个，形成于各管体上的开口3位于管体一侧的侧壁上，同时，该开口3为沿管体的轴向贯穿管体布置的直线形，而相固连的两个管体上的开口之间也设计为背对布置，该背对布置也即使两个管体上的开口3在布置上表现为180°的反转。
本实施例中进一步的，于吸声单元10内的两个并排布置的各管体内还分别嵌套设置有一个管体，为便于描述，本实施例中将嵌套布置的管体由外及内分别称之为第一管体1和第二管体2，第二管体2与第一管体1构造相同，同时，第二管体2上的开口3与第一管体1上的开口3之间也设置为背对设置，也即嵌套设置的两个管体上的开口3在布置上同样表现为180°的反转。
本实施例中板体4如图1中所示的封闭于两个第一管体1端部的敞口处，其中为便于吸声单元10内部结构的示出，图1中未显示位于顶端的板体4。本实施例中以矩形截面的管体对该吸声单元的具体结构进行阐述，但需要说明的是，除了横截面设计为矩形，当然管体亦可采用其它截面形状，如其可为圆形、椭圆形、梯形或是多边形以及不规则的环形结构等，其中优选的为采用矩形截面。
而进一步的，该吸声单元中的第一管体1除了如上述的为固连于一起的两个，当然其也可为仅设置一个，或是设置为并排布置的三个、四个或五个等更多数量，仅设置一个时的结构可如图3中所示。其中，当第一管体1为并排布置的多个时，各第一管体1之间优选的可为图2中所示的固连成一排，且相邻第一管体1上的开口3采用背对布置的方式。当然除了成一排布置，各第一管体1之间也可为采用其它位置排布方式，并固连为一体。
本实施例中，于第一管体1内嵌套设置的管体除了如上述示例的仅具有一个第二管体2，当然同样的亦可使第一管体1中嵌套设置的管体为两个、三个或是其他数量，以此形成多个管体相嵌套的形式。不过需要注意的是，在为嵌套布置的其它数量时，相邻的管体上的开口3也应采用如图1或图2中所示例的背对布置方式。
除了在管体的截面形状及其设置数量上，本实施例中值得说明的是，设置于各管体上的开口3除了为前述的沿管体的轴向贯穿布置，开口3还可如图4所示的为设置在管体轴向长度的开口孔，此时开口3仅为一贯通管体内外侧的孔状结构。该孔状结构的开口3优选的仍为沿管体的轴向设置的长圆孔、矩形孔或椭圆孔等长条状结构，当然，除此之外，开口3的形状亦可为圆孔、方孔等其它形式，不过其在吸声效果上会有所不同。
本实施例中对开口3而言，其除了可为如图1所描述的沿管体的轴向布置的直线形(长条状结构的矩形孔、椭圆孔以及长圆孔也均可视为直线形)，在设置时还可使开口3为沿管体轴向布置的弯折状，或者使得开口3呈螺旋状绕管体分布。此时，弯折状设计的开口3具体可为由多段直线状的开口3连接而成如图5所示的折线形，或者其也可为圆滑状的波浪式结构，而螺旋状的开口3在布置时，其螺旋升角优选的应设置的较大，且螺旋状的开口3一般应仅设置于管体的一侧，而不能够延伸至管体的整个周向上。
此外，本实施例中的管体在设计上，沿其轴线方向，管体的横截面可如图2中所示为恒定不变的，当然除了恒定不变的结构，沿管体的轴向，其横截面结构也可设置为变化的(如横截面面积或形状上的变化)，但管体横截面的变化不能够对多个管体间的嵌套产生影响。
另外，本实施例中对于固连为一体的各管体，亦或是嵌套于一起的各管体，优选的为使得各管体在构造上是相同的，也即如同图2中所示出的那样，相互固连的两个第一管体1，以及嵌套设置的第一管体1和第二管体2在截面形状、开口3的结构等方面均是相同的，不同之处仅在于规格大小上有所不同。
不过，需要指出的是，除了使得各管体在构造上相一致，与图6中所示意出的使并排固连的两个第一管体1设置为不同截面形状相类似，在本实施例的吸声单元10的设计中，使不同管体在截面形状或是开口3的结构等处进行一些变形，以使各管体除了在大小规格上有所不同之外，在构造上也具有一些不同亦是可以的，这同样在本实施例对管体的限定范围内。而且为利于对各管体构成的吸声单元10的整体描述，对于不同规格或是构造上有不同的管体，其统一都以“管体”一词来称谓(如上述的第一管体1和第二管体2，在吸声单元10的整体结构描述中，两者都称之为“管体”，且两者具体为嵌套于一起的两个“管体”)。
本实施例的吸声单元10在制造时，其具体由致密材质制成，且在选材上例如可为金属(如不锈钢、铝合金等)、塑料、玻璃以及陶瓷中的一种，而在成型方式上则可采用3D打印、采用热塑料通过模具注塑成型，以及车床加工和激光切割中的一种。采用上述的成型方式可具有工艺简单、成本低廉的优点，有利于该吸声器的大规模工业生产。而在采用塑料制备管体时，因管体内所形成的共振腔本身也支持低频的固体共振模式，从而还可具有提高吸声效果的作用。
本实施例的由上述吸声单元10所构成的低频吸声器在使用时，其主要作为对低于400Hz的低频声波进行吸收，且特别的，该低频吸声器可放置于管道系统内，以用于对流体流动噪音进行吸收。此时，为利于各吸声单元10在管道中的固定，仍如图1中所示的，可在吸声单元10中的各第一管体1的同一侧连接一固定框架5，该固定框架5即用于相应的吸声单元10的固定布置，而且为允许流体通过，在固定框架5上也形成有贯穿状的空隙6，流体可以从中通过。
本实施例中在使若干个吸声单元10构成低频吸声器时，如图7中所示的，优选的可将各吸声单元10设置为沿声波的传输方向呈阵列布置，且此时阵列布置的吸声单元10的列数可视低频吸声器的设置空间进行设计，其以保证相邻吸声单元10之间的间隙，不影响流道通过性为准。而阵列布置的吸声单元10的排数则一般应至少为两排，并且在空间许可的情况下，布置的排数愈多，吸声效果也愈好。当然，在空间有限时，吸声单元10仅布置一排亦是可以的，只是在吸声效果上会有些差距。
本实施例中除了如上述的呈阵列式布置，当然各吸声单元10之间也能够采用其它布置形式，例如其可为沿声波的传输方向布置有一排或多排，或是一列或多列，且在此需要解释的是，布置为多排或多列时的各吸声单元10的排布与前述的阵列式布置是不同的，此时的各排之间或是各列之间不需要如阵列布置方式那样依循一定的布置规律，其仅需使各吸声单元10分为几排或几列布置便可。此外，还需要说明的是，除了采用成排与成列的布置形式，使得各吸声单元10按无规则的方式散落布置也是可以的，不过其在使用时会存在吸声效果的不同。
此外，仍需要说明的是，在呈阵列式布置时，或者在成排或成列布置时，各吸声单元10之间在间距上可为周期性布置或者非周期性布置。此处的周期性也即各吸声单元10之间的间距在设置上遵循一定的规律，非周期性则表示在间距的选择上无规律可寻，仅留出供流体通过的间隙即可。
下面将结合具体实验数据及程序模拟数据对本实施例的低频吸声器的使用性能进行描述。
在实验时以及程序模拟时，吸声单元10仍以图1中所示的结构为例制作样品进行说明，具体制作中如图2中所示的，此时第一管体1的长和宽分别为a＝45mm，b＝35mm，管壁的厚度t＝2mm，开口3的宽度w＝1.6mm，第一管体1和第二管体2之间的通道宽度k＝1.6mm，管体的高度为88mm，管体两端的板体4的厚度为1mm，整个吸声单元10采用3D打印而成，样品总厚度45mm。
同时，实验时与程序模拟中，构成低频吸声器的各吸声单元10也以图7中所示的阵列方式布置，且每排(与声波传输方向正交)吸声单元10中，相邻吸声单元10之间的中心距离为55mm，而每列吸声单元10，相邻吸声单元10之间的中心距离为90mm，每列吸声单元10之间的间隙使得流体可以通过。
本实施例中采用COMSOL Multiphysics软件进行有限元方法模拟，低频吸声器仿真获得的吸收系数的一组结果如图8中所示，图8中的实线、虚线以及点线分别对应放置1排、2排、3排吸声单元10时得到的吸收结果。从图8中可以看出随着吸声单元10排数的增加，吸收效果得到增强，而且当吸收单元10的排数达到2排以及2排以上时，在共振峰(341Hz)周围具有大于90％吸收的区域。
为了确认声波吸收的稳定性，本实施例中以布置有2排吸声单元10的情形为例，通过使2排吸声单元10的间距发生改变，而获得仿真结果如图9中所示，其中，实线表示2排吸声单元10的距离在55mm，虚线和点线分别表示2排吸声单元10的距离在95mm和145mm。从图9中可以看出，共振峰341Hz附近的高效吸收在不同排吸声单元10间距发生变化的情况下仍然非常稳定。
本实施例在实验时，在方形横截面的阻抗管中采用四传声器法测量低频吸声器对声波的吸收，阻抗管侧面长度90mm，对应于平面波截止频率1700Hz，声波传播方向仍如图7中所示。实验测得的低频吸声器的吸收值如图10中所示，图10为仅布置有1排吸声单元10的情形，由其可以看出共振峰位于318Hz处，与上述模拟得到的频率偏差小于10％，符合较好(模拟和实验中的差异一般为样品制作和实验测量中的误差所致)。而且在吸收峰值(341Hz或318Hz)处的声波在空气中的波长超过吸声器样品总厚度的20倍，因此本吸声器的厚度相对于现有多孔吸收材料所需的1/4声波波长的厚度来说小了很多。
本实施例中布置2排吸声单元10时的实验测得的低频吸声器的吸收值如图11中所示，其中，2排吸声单元10的距离为145mm，由图11可以看出在共振峰318Hz处吸收值达到了90％，并且低频吸声器在102Hz的频率范围内具有大于50％的吸收，其对应于30.6％的吸收带宽，这相比于现有的基于薄膜共振结构的允许流体通过的吸声器在吸收带宽上大大增加，因而本实施例的低频吸声器结构更适于实际应用。
通过以上的模拟与实验可以看出，本实施例的如上结构的低频吸声器可实现对低频声波的有效吸收，而且，本实施例的低频吸声器在满足低频声波有效吸收的同时，其相对于现有吸声器结构亦具有结构尺寸更小、更易于布置应用，吸收带宽更大，特别是可允许流体通过而能够使用于诸如管道噪音控制领域，从而使得本实施例的低频吸声器有着很好的实用性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (15)
1.一种允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：包括若干个吸声单元，于各所述吸声单元之间形成有可供流体通过的间隙；且，
所述吸声单元包括空心管体，于所述管体的侧壁上设有沿所述管体轴向延伸的开口，还包括分别布置于所述管体的两端、以封闭所述管体两端的板体。
2.根据权利要求1所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：各所述吸声单元内，所述管体为一个或是嵌套设置的多个。
3.根据权利要求2所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：嵌套设置的各所述管体中，相邻所述管体上的所述开口背对布置。
4.根据权利要求1所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：所述管体为并排布置、且固连为一体的至少两个；并且固连在一起的多个所述管体的截面形状完全相同或者有所不同。
5.根据权利要求4所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：于并排布置的各所述管体内还嵌套有至少一个管体。
6.根据权利要求5所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：并排相邻或嵌套相邻的所述管体上的所述开口背对布置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：所述吸声单元为沿声波传输方向布置的至少一排或至少一列，或者所述吸声单元为沿声波传输方向呈阵列布置。
8.根据权利要求7所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：各所述吸声单元周期性或非周期性排布。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：所述管体的截面为矩形、圆形、椭圆形或梯形中的一种。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：所述开口为沿所述管体轴向延伸的直线形或弯折状，或者所述开口呈螺旋状绕所述管体分布。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：所述开口沿所述管体的轴向贯穿所述管体；或者所述开口被设置为沿所述管体轴向长度的部分的开口孔，所述开口孔的形状包括沿所述管体的轴向延伸的矩形、椭圆形、长圆形或者圆形、方形。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：所述管体沿其轴向长度具有恒定的或变化的横截面。
13.根据权利要求1至6中任一项所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：所述吸声单元由致密材质制成。
14.根据权利要求13所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：所述吸声单元由金属、塑料、玻璃以及陶瓷中的一种制成。
15.根据权利要求14所述的允许流体通过的低频吸声器，其特征在于：所述吸声单元通过3D打印、模具注塑、车床加工或激光切割中的一种成型。
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