CN108885863A - 用于吸收或辐射非常低的声波频率的小厚度穿孔多层结构式声学谐振器 - Google Patents

用于吸收或辐射非常低的声波频率的小厚度穿孔多层结构式声学谐振器 Download PDF

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菲利普·勒克莱尔
托马斯·杜邦
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Abstract

本发明涉及一种包括谐振部(1)的声学谐振器，所述谐振部具有：在传播方向(21)上延伸的主穿孔(2)和与主穿孔(2)连通以形成非常薄的声学谐振器的一系列侧腔(3)，每个侧腔(3a,3b,3c…)通过所述主穿孔(2)的相应段的整个周边通向主穿孔(2)，并且侧腔(3)构成流体薄层，使得谐振部(1)具有“多层”结构，该“多层”结构包括所述流体薄层和谐振部(1)的将这些流体薄层分隔开的材料层。

Description

用于吸收或辐射非常低的声波频率的小厚度穿孔多层结构式 声学谐振器
技术领域
本发明涉及声学谐振器的领域。
更具体地，本发明涉及一种谐振器，该谐振器可以用于吸声类型的应用，例如用作吸声或消音材料，或者用于声学辐射类型的应用，例如扬声器端口(“低音反射”盒)类型的应用。
背景技术
聚氨酯泡沫、玻璃棉类型的纤维材料或三聚氰胺泡沫通常是用于吸声的材料。这种多孔材料被包含在大多数吸声材料中，并且通常对于吸收高频(通常高于1KHz)是有效的。然而，这些多孔材料对于吸收低频(通常低于1KHz)通常不是非常有效。更一般地，这种多孔材料的缺点是吸收效率与材料的厚度成正比。例如，发明人估计三聚氰胺泡沫在500Hz的频率下的吸收系数的相同值将意味着该泡沫至少为几十厘米厚。
吸声装置在一类型的现有技术中也是已知的，该类型的现有技术包含适合于接收和传播声波的通道并且包含形成亥姆霍兹谐振器的侧腔。例如，以下文献描述了这样的设备：
-Sugimoto N.,Horioka T.,Dispersion characteristics of sound waves ina tunnel with an array of Helmholtz resonators,J.Acoust.Soc.Am.97,1446-1459,1995(以下称为SUGIMOTO 95)；
-EP1291570A2。
在SUGIMOTO 95文献中，每个侧腔通过通道壁中的点式切口的孔口通向通道。在文献EP1291570A2中，侧孔沿周向平行于通道延伸(参见本文献的图5b)。
一般而言，配备亥姆霍兹谐振器的系统能够吸收低频，通常低于1KHz。然而，低频率的吸收需要谐振器的尺寸较大。因此，发明人认为，为了利用形成谐振器的腔获得500Hz的谐振频率，该腔的长度应为大约17cm。
在下一文献中描述了另一种类型的吸声装置，其中一些作者也是本发明的发明人：
-Leclaire P.,Umnova O.,Dupont T.,Panneton R.,Acoustical properties ofair-saturated porous material with periodically distributed dead-end pores,J.Acoust.Soc.Am.,137(4),1772-1782,2015(以下称为LECLAIRE 15)。
该文献LECLAIRE 15描述了一种材料，该材料包含适合于接收和传播声波的几个主穿孔，并且包含“死端孔”类型的侧穿孔。
本发明的一个目的在于提出一种具有小厚度的声学谐振器，其能够吸收低频，通常低于1kHz。
本发明的另一个目的在于提出一种还能够在声学辐射类型的应用中工作的声学谐振器。
发明内容
为此，本发明提出了一种包括谐振部的声学谐振器，所述谐振部具有：
-向右穿过谐振部的主穿孔，主穿孔沿传播方向延伸，该主穿孔适合于在传播方向上接收和传播至少一个声波，
-一系列侧腔，其与主穿孔连通以形成声学谐振器，每个侧腔相对于传播方向横向延伸，
主穿孔和侧腔被流体充满，该流体优选是空气(或者可替代地，能够是例如水)，
每个侧腔通过该主穿孔的相应段的整个周边通向主穿孔，
侧腔构成流体薄层，使得谐振部具有“多层”结构，该多层结构包括这些流体薄层和谐振部的将这些流体薄层分隔开的材料层。
换言之，谐振部具有由流体薄层和材料层交替形成的多层结构。
谐振部可以由单块材料制造或通过组装和接合例如单独加工的几个元件来制造。
在流体是空气并且材料是金属的情况下，根据本发明的谐振器的多层结构因此特征在于在谐振部中在整个传播方向上的一连串金属层和空气薄层。
作为非限制性说明，对于包括两个侧腔的谐振部，多层结构将依次包括：金属层、空气薄层、金属层、空气薄层和金属层。
这样的设置有这种多层结构的谐振器使得能够使谐振部的材料与填充主穿孔和侧腔的流体之间的交换表面最大化。流体薄层内的热交换和由于主穿孔和侧腔之间的对流产生的热交换导致主穿孔中流体的可压缩性显著提高，并且因此特别地，低频率的声学吸收显著增加。
优选地，谐振部可以由金属材料制成。金属材料有利于谐振部的产生。根据变型，谐振部可以由任何其它材料制成，例如由塑料制成。
优选地，侧腔可以沿传播方向规则地间隔开。侧腔的规则间隔(即流体薄层的周期性布置)促进了主穿孔和侧腔之间的热交换，这导致主穿孔中流体的可压缩性提高，并且特别地使得较低频率的吸收成为可能。优选地，侧腔相对于传播方向垂直延伸。
在一个实施例中，将流体薄层分隔开的每个材料层可以具有与侧腔的厚度相等的厚度。
该特征使得可以针对传播方向上的总尺寸减小的谐振部优化多层结构的热交换效果。
优选地，侧腔中的每个和/或将流体薄层分隔开的每个材料层的厚度可以小于3mm，优选小于2mm，优选小于或等于1mm。优选地，侧腔中的每个和/或将流体薄层分隔开的每个材料层因此可以具有几百微米的厚度。
在一个实施例中，每个侧腔或流体薄层可以具有由彼此平行但不平行于传播方向的两个横向平面限定的厚度。优选地，这些横向平面可以垂直于传播方向，使得侧腔相对于传播方向垂直延伸。
在一个实施例中，侧腔中的每个可以形成由以下限定的空间：
-平行于传播方向且彼此平行的两个第一侧向平面，这两个第一侧向平面限定了侧腔的高度，
-彼此平行且垂直于第一侧向平面的两个第二侧向平面，这两个第二侧向平面限定了侧腔的宽度，侧腔的宽度优选等于侧腔的高度，
-限定了侧腔的所述厚度的所述两个横向平面，
使得所述空间是平行六面体的。
在后一实施例中，相对于所述平行六面体的空间，侧腔的高度与厚度之比和/或侧腔的宽度与厚度之比可以优选大于15，优选大于20，优选等于25。
在本发明的变型中，每个侧腔可以形成非平行六面体的空间，例如圆盘、直的或向内弯曲的六边形棱镜等。
优选地，侧腔中的每个侧腔的横截面与主穿孔的截面之比可以大于75，优选大于125，优选为150到160。
在本文中，“截面”指的是由一个平面与一个空间相交所限定的形状。
特别地，侧腔的“横截面”表述是指由该腔与该侧腔在主穿孔的对应段处切割传播方向的正中面相交所限定的形状。因此，当侧腔相对于传播方向垂直延伸时，侧腔的横截面是由该侧腔与垂直于传播方向的平面相交所限定的形状。
类似地，主穿孔的截面是通过由该穿孔构成的空间与垂直于传播方向的平面相交而限定的形状，该平面穿过所述材料层之一。
优选地，侧腔的高度和/或宽度可以大于或等于25mm，优选大于30mm，优选等于50mm。
在一个实施例中，主穿孔可以具有正方形截面。可替代地且非限制性地，主穿孔的截面可以是圆形或任何其他形状。
在一个实施例中，主穿孔可以具有小于24mm2、优选小于9mm2、优选等于4mm2的截面。
侧腔和/或谐振部的这种几何形状和/或尺寸促进了谐振器内的热和对流效应。
特别地，较大侧向尺寸D1和D2的空气薄层构成较大的热交换表面。
根据本发明的谐振器使得能够针对谐振部至少在传播方向上的总尺寸减小产生低频率(通常小于1KHz)的声学吸收。事实上，谐振部在传播方向上的总厚度可以特别小于4cm，这与谐振器的声学吸收能力相比被视为较小的厚度。
根据本发明的谐振器还使得能够针对谐振部至少在传播方向上的总尺寸减小产生声学辐射。
附图说明及具体实施方式
通过阅读对非限制性的实施例的详细描述以及附图，本发明的其他优点和特征将变得明显，在附图中：
-图1是根据本发明的谐振器的立体横截面视图，示出了一系列的5个侧腔；
-图2是图1中谐振器的前视图。
-图3是根据本发明的谐振器的侧视图，示出了相对于传播方向垂直延伸的一系列的15个侧腔；
-图4是根据本发明的谐振器的侧向剖视图，示出了相对于传播方向倾斜延伸的一系列的4个侧腔；
-图5示出了由发明人利用根据本发明的谐振器获得的实验结果。
由于下文描述的实施例绝不是限制性的，因此可以考虑本发明的变型，本发明的变型仅包括所描述的特征的选集，且独立于所描述的其他特征(即使该选集在包含这些其他特征的句子中是孤立的)，只要该特征的选集足以赋予技术优点或者将本发明与现有技术区别开。该选集包括不具有结构细节或者仅具有一部分结构细节的至少一个特征(优选功能性特征)，只要该部分结构细节单独足以赋予技术优点或者将本发明与现有技术区别开。
图1和图2示出了根据本发明的声学谐振器。
该谐振器包括谐振部1，在本示例中，该谐振部包括具有平行六面体形状的块。谐振部1优选由金属材料或任何其它材料制成。
谐振部1包括穿过谐振部1的主穿孔2。主穿孔2在传播方向21上延伸。
图1中的正交参照系示出了传播方向21、第一侧向311和第二侧向312，这三个方向21、311和312彼此垂直。
主穿孔2适合于在传播方向21上接收和传播至少一个声波9。特别地，能够通过由谐振部1的接收表面11中的主穿孔2形成的孔而在谐振部1中接收到这样的声波，所述接收表面11暴露于至少一个声波9在其中传播的环境空间。以这种方式在谐振部1中接收到至少一个声波9，至少一个声波9可以通过主穿孔2在谐振部1中传播，通常以便向右通过谐振部1。
至少一个声波9可以由任何系统或装置(而不是本发明的主题)产生。
谐振部1还设置有与主穿孔2连通的一系列侧腔3，以形成声学谐振器。特别地，这样的侧腔3通常能够在至少一个声波9在主穿孔2中传播期间衰减所述至少一个声波9的频率。
如图1和图2所示，每个侧腔3a、3b、3c等形成于谐振部1内。换句话说，每个侧腔3a、3b、3c等形成谐振部1中的内部空间。
主穿孔2和侧腔3a、3b、3c等被流体充满。通常，该流体是空气。因此，该流体占据了所述至少一个声波9在其中传播的所述环境空间。
根据本发明，每个侧腔3a、3b、3c等相对于传播方向21横向延伸。在图1和图3中的示例中，侧腔3a、3b、3c等相对于传播方向21垂直延伸。在图4中的示例中，侧腔3a、3b、3c和3d等相对于传播方向21倾斜地延伸。
侧腔3a、3b、3c等可以直接在谐振部1中加工，例如利用3D打印、结构接合和组装技术加工。谐振部1可以由单块材料制造或通过组装和接合例如单独加工的几个元件来制造。
根据本发明，每个侧腔3a、3b、3c等经由主穿孔2的相应段的整个周边通向主穿孔2。因此，附图示出了，例如在图2中，主穿孔2在几何上相对于第一侧向311和第二侧向312被包含在一系列侧腔3中。因此，参照图1，在主穿孔2的段D3上，通过几何构造得到的结果是侧腔3a通过主穿孔2的段D3的整个周边通向主穿孔2，该段D3示出了侧腔3a在传播方向21上的厚度。对于其他侧腔3b、3c等也同样如此。
根据本发明的另一重要特征，侧腔3构成流体薄层，使得谐振部1具有多层结构，该多层结构包括这些流体薄层和谐振部1的将这些流体薄层分隔开的材料层。换言之，该多层结构交替地具有一方面填充主穿孔2和侧腔3a、3b、3c等的流体薄层和另一方面形成谐振部1的材料层。
优选地，该一系列侧腔3包括至少三个侧腔。图3中所示的实施例表示设置有一系列15个侧腔3a、3b、…3o的谐振部1。
侧腔3a、3b、3c等能够周期性地布置，即它们能够沿传播方向21规则地间隔开。这样的周期性布置促进了侧腔3a、3b、3c等与主穿孔2之间的热交换，并导致主射孔2中流体的可压缩性的提高。
优选地，每个侧腔的厚度D3对于所有的侧腔是相同的。优选地，将流体薄层分隔开的每个材料层的厚度D4对于所有相邻对的侧腔是相同的。
在图1和图3所示的实施例中，将流体薄层分隔开的每个材料层具有与侧腔的厚度D3相等的厚度D4。
参照图1至图3，侧腔3a、3b、3c等形成平行六面体空间。这样的空间可以在几何上如下限定。
侧腔3a、3b、3c等中的每个或流体薄层具有由彼此平行但不平行于传播方向21的两个横向平面限定的厚度D3。在图1和图3的实施例中，这两个横向平面垂直于传播方向21。
侧腔3a、3b、3c等中的每个形成由以下限定的空间：
-平行于传播方向21且彼此平行的两个第一侧向平面，这两个第一侧向平面限定了侧腔的高度D1，
-彼此平行且垂直于第一侧向平面的两个第二侧向平面，这两个第二侧向平面限定了侧腔的宽度D2，
-限定了侧腔的所述厚度D3的所述两个横向平面，
使得该空间是平行六面体的。
在图2中的示例中，宽度D2等于高度D1。图1是谐振部1的截面图，其中，仅对于侧腔3a而言，该侧腔3a的半宽度D21是可见的。
侧腔3a、3b、3c等和/或主穿孔2的尺寸特征也可以有助于在吸声类型的应用中产生低频(通常低于1kHz)吸收，同时仍然产生厚度小(特别是谐振部2在传播方向21上的尺寸小)的谐振器。
根据不同的可兼容实施例：
-侧腔的厚度D3小于3mm，优选小于2mm，优选小于或等于1mm；
-将流体薄层分隔开的材料层的厚度D4小于3mm，优选小于2mm，优选小于或等于1mm；
-高度D1与厚度D3之比和/或宽度D2与厚度D3之比大于15，优选大于20，优选等于25；
-由侧腔的高度D1和宽度D2的乘积所限定的每个侧腔的横截面与由图2所示的尺寸D5和D6的乘积限定的主穿孔2的截面之比大于75，优选大于125，优选为150到160；
-侧腔的高度D1和/或宽度D2大于或等于25mm，优选大于30mm，优选等于50mm。
在图1和图2的示例中，主穿孔2具有正方形截面。该正方形截面由两个侧边D5和D6限定。在可替代实施例中，主穿孔2具有圆形截面。
在本发明的变型实施例中，每个侧腔3a、3b、3c等的空间为圆柱形(未示出)。在这种变型中，每个侧腔的横截面是圆形的。
在尺寸方面，主穿孔2可以具有小于24mm2、优选小于9mm2、优选等于4mm2的截面。
第一系列测试
通过实验，发明人制造了8个根据本发明的声学谐振器，以测试它们在吸声类型的应用中的能力。对于这些谐振器中的每一个，主穿孔2具有4×4mm的正方形截面，谐振部1被设置有尺寸为D1＝D2＝25mm和D3＝1mm的一系列15个侧腔，将侧腔分隔开的每个材料层的厚度D4为1mm。
在阻抗管中进行测试，以测量这些谐振器的吸声系数。
图5示出了在这些测试期间的吸收系数曲线(对于每个被测试的谐振器有一条曲线)，Y轴上的VAL1代表吸收系数，X轴上的VAL2代表以Hz为单位的频率。
这些曲线示出，根据本发明的谐振器使得能够针对总厚度(谐振部1在传播方向21上的尺寸)为31mm的谐振器，可重复地获得频率低于500Hz的吸收峰。
第二系列测试
在第二系列的测试中，发明人制造了根据本发明的声学谐振器，以测试其在吸声类型的应用中以及在声学辐射类型的应用中的能力。主穿孔2具有圆形截面和6.5mm的直径。谐振部1设置有一系列15个侧腔，这些侧腔具有直径为21.3mm且厚度D3为1mm的圆形截面。将侧腔分隔开的每个材料层的厚度D4为1.2mm。谐振部1在传播方向上的总厚度为35.3mm。
进行测试以测量：
-一方面，放置在声学管中并受到平面声波激励的谐振器的吸声系数，
-另一方面，放置在设置有吸声材料的外壳中并且受空气射流激励的谐振器的声学辐射。
这些测试表明，对于在传播方向上的总厚度为35.3mm的谐振部1，该谐振器使得能够获得接近吸收峰的频率值的谐振频率，特别地获得主谐振频率接近1000Hz的辐射和吸收。与传统系统相比，研究人员认为，这种频率的吸收或辐射分别需要长度为85.8mm的腔或管。
当然，本发明不限于刚才描述的实施，并且可以在不超出本发明范围的情况下对这些示例进行多次调整。例如，谐振部1可以设置有与主穿孔2平行的次级穿孔。此外，本发明的不同特征、形式、变型和实施例可以以各种组合组合在一起，只要它们不是不兼容或互斥的。

Claims (12)

1.一种包括谐振部(1)的声学谐振器，所述谐振部(1)设置有：
-向右穿过所述谐振部(1)的主穿孔(2)，所述主穿孔(2)沿传播方向(21)延伸，该主穿孔(2)适合于在所述传播方向(21)上接收和传播至少一个声波(9)，
-一系列侧腔(3)，其与所述主穿孔(2)连通，以便形成声学谐振器，每个侧腔(3a,3b等)相对于所述传播方向(21)横向延伸，
所述主穿孔(2)和所述侧腔(3a,3b,3c等)被流体充满，
其特征在于，每个侧腔(3a,3b,3c等)通过该主穿孔(2)的相应段的整个周边通向所述主穿孔(2)，
并且在于，所述侧腔(3)构成流体薄层，使得所述谐振部(1)具有多层结构，该多层结构包括这些流体薄层和所述谐振部(1)的将这些流体薄层分隔开的材料层，
并且在于，所述侧腔(3a,3b,3c等)中的每个侧腔的横截面与所述主穿孔(2)的截面之比大于75。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述侧腔(3a,3b,3c等)沿所述传播方向(21)规则地间隔开。
3.根据权利要求1或2所述的谐振器，其特征在于，所述侧腔(3a,3b,3c等)相对于所述传播方向(21)垂直延伸。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的谐振器，其特征在于，将所述流体薄层分隔开的每个材料层具有与侧腔的厚度(D3)相等的厚度(D4)。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的谐振器，其特征在于，所述侧腔(3a,3b,3c等)中的每个和/或将所述流体薄层分隔开的每个材料层的厚度(D3,D4)小于3mm，优选小于2mm，优选小于或等于1mm。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的谐振器，其特征在于，所述侧腔(3a,3b,3c等)中的每个或流体薄层具有由彼此平行但不平行于所述传播方向(21)的两个横向平面限定的厚度(D3)。
7.根据权利要求6所述的谐振器，其特征在于，所述侧腔(3a,3b,3c等)中的每个形成由以下限定的空间：
-平行于所述传播方向(21)且彼此平行的两个第一侧向平面，这两个第一侧向平面限定了侧腔的高度(D1)，
-彼此平行且垂直于所述第一侧向平面的两个第二侧向平面，这两个第二侧向平面限定了侧腔的宽度(D2)，
-限定了侧腔的所述厚度(D3)的所述两个横向平面，
使得所述空间是平行六面体的。
8.根据权利要求7所述的谐振器，其特征在于，相对于所述平行六面体的空间，侧腔的高度(D1)与厚度(D3)之比和/或侧腔的宽度(D2)与厚度(D3)之比大于15，优选大于20，优选等于25。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的谐振器，其特征在于，所述侧腔(3a,3b,3c等)中的每个侧腔的横截面与所述主穿孔(2)的截面之比大于125，优选为150到160。
10.根据权利要求7或8所述的谐振器，其特征在于，所述侧腔的高度(D1)和/或宽度(D2)大于或等于25mm，优选大于30mm，优选等于50mm。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的谐振器，其特征在于，所述主穿孔(2)具有正方形截面(D5,D6)。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的谐振器，其特征在于，所述主穿孔(2)具有小于24mm2的截面，优选小于9mm2的截面，优选等于4mm2的截面。
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