CN108257589A - 一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊,采用轻质柔性材料缝制成气囊,气囊中填充有天然羽绒。其中轻质柔性材料采用有孔材料,气囊中天然羽绒的充绒密度为0.005g/cm3~0.1g/cm3,气囊在来声方向的厚度不小于5mm。本发明采用充绒气囊作为吸声材料使用,具有超轻、易加工、所需形状可以根据实际需要确定及价格低廉等优势;充绒气囊属于无骨架多孔吸声材料,与硬质骨架材料如泡沫铝相比,具有更加优异的吸声性能,能够在骨架多孔材料无法满足的应用条件下使用。

Description

一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊
技术领域
本发明涉及声学领域,具体为一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊。
背景技术
在声学领域,主要采用的实现吸声性能的材料是穿孔板吸声体结构,其具有阻抗结构,吸声频带较宽。穿孔板吸声体结构中应用最广泛的吸声材料是多孔骨架材料,主要用于道路声屏障、机场、列车、飞机等方面。多孔骨架材料包括硬质骨架材料和软质骨架材料,硬质骨架材料如泡沫铝,铝作为骨架材料,在结构上相互连贯,构成整体多孔结构,软质骨架材料指构成骨架的材质是具有柔韧性的材料,如海绵。
多孔骨架材料的吸声原理是:当声波进入多孔骨架材料中时,引起孔中空气运动,进而引起空气与骨架壁面间的摩擦产生热,从而将声能转化为热而消耗。在硬质骨架材料中,硬质骨架能够使声波多次反射,硬质骨架本身在声波的作用下基本不产生振动,因此不会二次向外辐射声波;由于存在多次反射作用,且基本不产生振动,因此硬质骨架材料对声波的转化能力较强,吸声性能优异。而在海绵等软质骨架材料中,由于骨架为软质材料,在声波的作用下会产生骨架振动而向外二次辐射声波,故对声波转化能力较小,所以软质骨架材料的吸声性能远不如硬质骨架材料。
虽然骨架多孔材料尤其是硬质骨架多孔材料的吸声性能比较优异,但在长期高强声波作用下,产生的热不容易散出,骨架材料容易老化,导致结构降低;另外,硬质骨架材料的抗冲击能力差,易破碎,难以加工复杂构件,影响其应用;此外,硬质骨架材料作为吸声材料,也无法在需要变形的情况下使用,如宇航飞行器的载人舱内壁、具有吸声功能的剧院座椅和飞机内座椅等。
此外,多孔材料在低频段的吸声性能比较差,这是因为声波与电磁波一样是一种能量波,能量的大小随频率而变,频率低能量就小,频率高能量就高。声波的频率在20Hz—20KHz范围内,在低频范围其能量就非常低。当声波遇到障碍物时,如果能够将其推动,那么声波就可以转化为其它能量形式,如声波进入多孔材料孔中,推动空气分子的运动,进而使空气与材料壁面摩擦产生热能,将声能转化为热,从而将声音消除。对于低频声而言,其能量很低,由于孔中空气运动受到与壁面之间的摩擦阻力的影响,无法推动空气运动,此时声波显示其波动性而绕过孔道传播出去,因此,一般多孔材料的低频吸声性能差。
发明内容
为解决传统多孔骨架材料低频吸声性能差,且应用范围常常受限的问题,本发明提出一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊,创造性的将气囊和超轻质材料如天然羽绒相结合,构成可以使用的吸声材料。
羽绒一般作为服装和被褥等的填充物,具有轻便、保暖和舒适等特点,广泛应用于人们的日常生活中。但申请人在研究过程中发现羽绒,尤其的天然羽绒的结构非常独特,若经过合理的使用是可以具有良好的吸声性能的,由于其吸声机理与骨架多孔材料不同,尚无对于羽绒材料吸声性能的研究和应用。
在微观下可以观察到,在动物羽毛的根部生长着细长的绒,与梗相连,将这些绒与梗剥离后被称为天然羽绒。天然羽绒的结构非常独特,每根绒上有整齐排列非常细小的绒毛,绒毛间距小于1mm。绒毛的一端固定在绒上,另一端没有固定,受力时可以在空中摆动。单根绒的直径一般为十分之几毫米,长度一般在1cm—5cm不等,受力时可以向任何方向自由弯曲。绒上面的单根绒毛的直径是微米级,长度小于1mm,质量极轻。羽绒的这种结构在遇到声波时,声波的能量可以使绒毛摆动,也可以使绒移动,从而将声能转变为机械能,这就是羽绒的吸声机理。由于羽绒是鸟类自然长成的,绒的大小是非规则的,有长有短,大小不一,因此对不同频率的声波都有吸声作用。低频声可以引起绒毛的摆动,高频声可以引起绒毛的摆动和绒的移动,因而羽绒呈现出优异的宽频吸声性能。
单独羽绒轻质、易变形、无法固定和成型,我们称它为无骨架结构。但作为吸声材料进行使用时,又需要一定的形状和强度。由于这种特点,羽绒很难单独作为吸声材料使用。如果将羽绒充填到具有一定形状的袋中,由于羽绒自身具有一定的张力,即可以恢复其天然形状能力,故在填充后自动形成充气囊,可以解决上述问题。这样羽绒就可以作为吸声材料使用,即成为无骨架吸声材料。
常规的气囊主要作用是增加浮力和减小冲击,用于制造浮艇、救生和减震产品。而实际上,气囊作为一种空腔,能够起到亥姆赫兹共振器的作用,具有吸声作用,但吸声频带窄,仅对消除特定频带有效。
而本发明中对气囊主要考虑气囊表面材料应为可以透过声波的材质,最佳选择是有孔材料,如布、皮革,这样声波从空气中可以容易导入气囊中。从声学知识可知,当空气的特性阻抗(ρc)与材料表面的特性阻抗匹配时,即二者特性阻抗相近,声波容易导入。有孔隙的材料(如布)的表面有大量孔,使材料表面的密度减小,特性阻抗与空气接近,声波可以通过孔隙传入气囊中。而如果选择无孔材料,那么材料的密度要选择越小越好,使其与空气的特性阻抗接近。如选用轻质薄膜材料也可。当然如果本身就存在封闭空间中,直接充填羽绒也可起到吸声效果。
基于上述原理,本发明的技术方案为:
所述一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊,其特征在于:采用轻质柔性材料缝制成气囊,气囊中填充有天然羽绒。
进一步的优选方案,所述一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊,其特征在于:所述轻质柔性材料采用有孔材料。
在申请人的研究中发现,充绒密度和气囊在来声方向的厚度是影响气囊吸声性能的主要因素。其中气囊中的天然羽绒充绒密度不能多也不能少,羽绒用量太少时,没有足够的绒毛作用,转化声波的能力小,故吸声性能不佳,而羽绒用量过多时,吸声性能也会大幅下降,经过分析发现其原因是:羽绒用量过多时,绒枝会相互缠绕,阻碍绒毛的运动,进而导致吸声能力下降。此外,气囊在来声方向的厚度在一定范围内是越厚越好,厚度不小于5mm,而厚度大于100mm吸声性能不再增加。
因此,进一步的优选方案,所述一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊,其特征在于:气囊中天然羽绒的充绒密度为0.005g/cm3~0.1g/cm3
进一步的优选方案,所述一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊,其特征在于:气囊在来声方向的厚度不小于5mm。
由于天然羽绒价格较高,申请人尝试采用人造绒和人造丝等成本低廉的超轻质材料填充在气囊中,经过测试发现也具有一定的吸声性能,分析其主要原理是人造绒和人造丝等超轻质材料填充在气囊中形成了中空结构,而气囊空腔越大,从声学中的亥姆赫兹共振器的吸声原理可以解释其低频吸声效果越好,体现了声波的波动性能,即声波在空间中来回反射,从而消耗声能,空腔越大,容纳声波的波长越长,即频率越低,对低频吸声有利。
所述一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊,其特征在于:采用轻质柔性材料缝制成气囊,气囊中填充有人造绒和/或人造丝。
有益效果
本发明具有以下效果:
1、采用充绒气囊作为吸声材料使用,具有超轻、易加工、所需形状可以根据实际需要确定及价格低廉等优势;
2、充绒气囊属于无骨架多孔吸声材料,与硬质骨架材料如泡沫铝相比,具有更加优异的吸声性能,在实际降噪中将有很广的应用前景;
3、在实际应用中能够在骨架多孔材料无法满足的应用条件下使用,如在复杂空间中使用、在需要变形的情况下使用及需要移动的情况下使用等;
4、在实际应用中具有方便携带、抽真空包装、拆装简单及运输方便等优点;
5、制备方法简单,材料易得,具有商品化的前景。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1:气囊外形示意图;
图2:气囊内部结构示意图;
图3:充绒密度为0.013g/cm3的气囊吸声系数曲线;
图4:充绒密度为0.019g/cm3的气囊吸声系数曲线;
图5:充绒密度为0.036g/cm3的气囊吸声系数曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
实施例1:
采用440支的无纺呢绒布缝制成外罩,外罩直径99mm,厚度10mm,充入羽绒密度0.013g/cm3。气囊外形示意图如图1和图2所示,测得吸声系数曲线如图3所示。可以看出,气囊的起始吸声频率约为380Hz,即从此频率开始气囊具有吸声作用,在约1050Hz处有最大吸声系数为0.98,平均吸声系数为0.65。
实施例2:
采用440支的无纺呢绒布,缝制成外罩,外罩直径99mm,厚度10mm,充入羽绒密度0.019g/cm3。气囊外形示意图如图1和图2所示,测得吸声系数曲线如图4所示。可以看出,气囊的起始吸声频率约为300Hz,即从此频率开始气囊具有吸声作用,在约1000Hz处有最大吸声系数为0.99,平均吸声系数为0.72。
实施例3:
采用440支的无纺呢绒布,缝制成外罩,外罩直径99mm,厚度10mm,充入羽绒密度0.036g/cm3。气囊外形示意图如图1和图2所示,测得吸声系数曲线如图5所示。可以看出,气囊的起始吸声频率约为300Hz,即从此频率开始气囊具有吸声作用,在约800Hz处有最大吸声系数为0.81,平均吸声系数为0.64。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊,其特征在于:采用轻质柔性材料缝制成气囊,气囊中填充有天然羽绒。
2.根据权利要求1所述一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊,其特征在于:所述轻质柔性材料采用有孔材料。
3.根据权利要求1或2所述一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊,其特征在于:气囊中天然羽绒的充绒密度为0.005g/cm3~0.1g/cm3
4.根据权利要求3所述一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊,其特征在于:气囊在来声方向的厚度不小于5mm。
5.一种具有高吸声性能的无骨架轻质气囊,其特征在于:采用轻质柔性材料缝制成气囊,气囊中填充有人造绒和/或人造丝。
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