CN109671419A - 一种开缝双孔隙率吸声装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开缝双孔隙率吸声装置及其应用，通过在多孔材料基底上开设曲折缝来实现，曲折通道大大提高了声波进入多孔材料的曲折度，声波在低频段首先进入曲折缝，再经由曲折缝进入多孔材料的微孔，利用声波在多孔材料上所开设的曲折缝和多孔材料微孔之间强烈耦合所带来的声能耗散，增强本发明的吸声材料的低频吸声性能，又结合多孔材料一贯良好的高频吸声性能，使得本发明在厚度较小的情况下，即可在超低频率处出现吸声峰值，同时又具有一定的中高频吸声能力。本发明结构简单实用、易加工，具有良好且广泛的应用前景。

Description

一种开缝双孔隙率吸声装置及其应用

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种开缝双孔隙率吸声装置及其应用。

背景技术

现有的吸声材料以吸声减噪为目的，主要应用于音乐厅、博物馆、图书馆、消声室、道路两侧和交通工具的内壁面等场景。传统的吸声材料主要分为两类：

(1)以多孔泡沫和多孔纤维为主的多孔材料，吸声系数随频率增加而上升，适用于高频吸声且有效吸声频带较宽，缺点为低频吸声效果差；

(2)带有背部空腔的微穿孔板，其可以在较低频率处出现共振吸声峰值，适用于中低频吸声，其背腔厚度越大，低频吸声效果越好，但背腔厚度的提升也占用了更多的空间，一些有空间限定的场景限制了它的使用，同时其有效吸声频带宽度也不如多孔材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种开缝双孔隙率吸声装置及其应用，解决目前现有结构难以兼顾低频吸声、中高频吸声和有限的材料厚度。

本发明采用以下技术方案：

一种开缝双孔隙率吸声装置，包括多孔材料基底和缝隙，缝隙包括多个，周期性设置在多孔材料基底上形成弯曲或曲折通道，弯曲或曲折通道的长度大于多孔材料基底的厚度。

具体的，缝隙的宽度大于多孔材料基底中微孔平均孔径5倍以上。

进一步的，开缝双孔隙率吸声装置所对应的不开设缝隙的多孔材料基底的表面声阻抗率的实部与空气特征阻抗的比值在目标低频段大于1。

具体的，缝隙的宽度沿声波进入方向保持不变、变大或变小。

进一步的，缝隙的宽度沿声波进入方向大小交替变化。

具体的，缝隙的开缝率为10.6～38.3％。

具体的，缝隙的曲折度大于1。

进一步的，多孔材料基底设置在安装表面或刚性背衬上，多孔材料基底与安装表面或刚性背衬之间设置有空腔。

更进一步的，空腔的高度为0～50mm。

一种开缝双孔隙率吸声装置在室内墙体、交通运输工具壁面和机器内壁面的应用。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明的开缝双孔隙率吸声装置，通过在多孔材料基底上开设弯曲或曲折缝来实现，弯曲或曲折通道大大提高了声波进入多孔材料的曲折度，声波在低频段首先进入曲折缝，再经由曲折缝进入多孔材料的微孔，利用声波在多孔材料上所开设的曲折缝和多孔材料微孔之间强烈耦合所带来的声能耗散，增强本发明的吸声材料的低频吸声性能，又结合多孔材料一贯良好的高频吸声性能，使得本发明的多孔材料在厚度较小的情况下，即可在超低频率处出现吸声峰值，同时又具有一定的中高频吸声能力，结构简单、易加工，十分有利于技术推广。

进一步的，通过设置弯曲或曲折缝缝宽比多孔材料基底中的微孔平均孔径大5倍以上，以便在入射声波为低频时，声波首先进入缝宽较大的曲折缝中，而后经由曲折缝再进入孔径较小的多孔材料微孔中，通过声波在曲折缝与多孔材料之间强烈耦合所带来的声能耗散，实现本吸声装置超低频吸声能力。

进一步的，通过合理选择基底多孔材料参数、多孔材料基底的厚度，使得所设计的开缝双孔隙率吸声装置所对应的不开设曲折缝的多孔材料基底的表面声阻抗率的实部与空气特征阻抗的比值在目标低频段大于1，以保证声波在低频段经由曲折缝进入多孔材料的微孔中，而不是直接进入多孔材料的微孔中，并利用声波在曲折缝与多孔材料之间强烈耦合所带来的声能耗散提升本吸声装置的超低频吸声性能。

进一步的，在声波沿曲折缝进入方向上，曲折缝孔径可一直不变，以方便加工；也可由大变小，因此阻抗渐变，故而扩宽了吸声峰值频率处的吸声频带；也可以由小变大，这会增加声波在曲折缝入口处的能量耗散；还可以大小来回变，这样会进一步增加曲折缝的曲折度，有利于吸声峰值频率向低频移动。

进一步的，通过合理设置曲折缝的开缝率10.6～38.3％，在适当减小吸声材料声阻率的情况下，提高吸声材料的声抗率，使得更多的声波在低频段经由曲折缝进入多孔材料中，利用声波在曲折缝与多孔材料之间强烈耦合所带来的声能耗散以提升本吸声装置的超低频吸声性能。

进一步的，通过在多孔材料基底内开设弯曲或曲折缝，相比于直缝，大大增大了曲折度，延长了低频声波在所开设缝内的传播和增大了所开设缝与多孔材料的接触面积，极大地促进了低频声波由曲折缝向多孔材料微孔的扩散。

进一步的，在安装时，可在本发明的开缝双孔隙率吸声装置与安装表面留有0～50mm空腔，增加本发明的吸声装置的下表面的声能耗散。

综上所述，本发明结构简单实用，在有限厚度的要求下，可在超低频取得吸声峰值，同时在中高频也具有一定的吸声能力，具有良好且广泛的应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1的二维元胞结构示意图；

图2为本发明实施例1的吸声系数曲线；

图3为本发明实施例2的二维元胞结构示意图；

图4为本发明实施例2的吸声系数曲线；

图5为本发明实施例3的吸声系数曲线；

图6为本发明实施例4的吸声系数曲线。

图7为本发明实施例5的吸声系数曲线。

图8为本发明实施例6的吸声系数曲线。

其中：1.多孔材料基底；2.曲折缝。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种开缝双孔隙率吸声装置，通过在多孔材料基底上开设曲折、折叠或弯曲缝隙来实现，曲折通道大大提高了声波进入多孔材料的曲折度，声波在低频段首先进入曲折缝，再经由曲折缝进入多孔材料的微孔，利用声波在多孔材料上所开设的曲折缝和多孔材料微孔之间强烈耦合所带来的声能耗散，增强本发明的吸声材料的低频吸声性能，又结合多孔材料一贯良好的高频吸声性能，使得本发明在厚度较小的情况下，即可在超低频率处出现吸声峰值，同时又具有一定的中高频吸声能力。本发明结构简单实用、易加工，具有良好且广泛的应用前景。

本发明一种开缝双孔隙率吸声装置，包括多孔材料基底1和缝隙2，缝隙2设置在多孔材料基底1内形成弯曲、折叠或曲折通道，弯曲或曲折通道的长度大于多孔材料基底1的厚度。

通过合理选择基底多孔材料参数、多孔材料基底1的厚度，使得所设计的开缝双孔隙率吸声装置所对应的不开设曲折缝的多孔材料基底的表面声阻抗率的实部与空气特征阻抗的比值在目标低频段大于1，以保证声波在低频段经由缝隙2进入多孔材料的微孔中，而不是直接进入多孔材料的微孔中，并利用声波在缝隙2与多孔材料基底1之间强烈耦合所带来的声能耗散提升本吸声装置的超低频吸声性能。

在多孔材料基底1内开设缝隙2，相比于开设直缝，缝隙2可以大大增加低频声波在所开设孔内传播的曲折度，以延长低频声波在所开设缝内的传播和增大所开设缝与多孔材料的接触面积，可以极大促进了低频声波由曲折缝向多孔材料微孔的扩散。

设置缝隙2的缝宽比多孔材料基底1中的微孔平均孔径大5倍以上，以便在入射声波为低频时，声波首先进入缝宽较大的缝隙2中，而后经由缝隙2再进入孔径较小的多孔材料微孔中，通过声波在缝隙2与多孔材料之间强烈耦合所带来的声能耗散，实现本吸声装置超低频吸声能力。

设置缝隙2的开缝率(开缝总体积占未开缝时多孔材料基底的总体积)为10.6～38.3％，在适当减小吸声材料声阻率的情况下，提高吸声材料的声抗率，使得更多的声波在低频段经由曲折缝进入多孔材料中，利用声波在缝隙2与多孔材料之间强烈耦合所带来的声能耗散以提升本吸声装置的超低频吸声性能。

在声波沿缝隙2进入方向上，可设置缝隙2的缝宽一直不变，以方便加工；也可由大变小，因此阻抗渐变，以扩宽了吸声峰值频率处的吸声频带；也可以由小变大，以增加声波在曲折缝入口处的能量耗散；还可以大小来回变，以进一步增加缝隙2的曲折度，有利于吸声峰值频率向低频移动。

在安装时，可在本发明的开缝双孔隙率吸声装置与安装表面留有0～50mm空腔，以增加本发明的吸声装置的下表面的声能耗散。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1中的元胞及图2中该元胞的吸声曲线，在一块总高H为41mm、总宽L为33mm，s为20mm的多孔材料基底1中开设缝隙2，基底多孔材料的孔隙率为90％，流阻率为489336N·s/m²，粘性特征长度为19.7μm，热特征长度为36μm，曲折度为1.05；缝隙2缝宽d为3.5mm，尺寸t和s分别为6mm和20mm，缝隙2的开缝率(开缝总体积占未开缝时基底的总体积)为34.9％；该吸声装置下端面放置于刚性背衬上，以模拟将所设计的吸声材料紧贴于室内墙体、交通运输工具的壁面和机器的内壁面的情况。

请参阅图2，相比于同等厚度和采用同样基底材料而不开缝的多孔材料板，本发明的结构能够在390Hz这一较低频率处更早地出现吸声峰值，且峰值处的吸声系数达到了0.988，此外在260Hz以上范围内实现了增强吸声。同时图2中也绘制了在相同元胞中垂直开设相同缝宽(3.5mm)的直缝的吸声频率曲线图，这种情况可以看成是曲折度为1的情况，此时的开缝率为10.6％，其吸声曲线峰值在770Hz达到0.9，将其与曲折开缝实施例对比，可以看到，提高曲折度可以使得吸声峰值提高并向低频偏移。

实施例2

请参阅图3中的元胞及图4中该元胞的吸声曲线，将实施例1中的总高度H提高至50.5mm。而基底多孔材料保持不变，总宽L仍为33mm，缝隙2缝宽d仍为3.5mm，尺寸t和s也仍然分别为6mm和20mm，缝隙2的开缝率因此变为35.3％。

请参阅图4，高度的提升对所发明吸声装置的低频吸声性能提升明显，相比于同等厚度和采用同样基底材料而不开缝的多孔材料板，本发明的结构能够在310Hz这一超低频率处更早地出现吸声峰值，且峰值处的吸声系数达到1，此外在210Hz以上范围内实现了增强吸声。

实施例3

请参阅图3中的元胞及图5中该元胞的吸声曲线，将实施例2中的s增长为27.5mm，随即元胞总宽L增长为40.5mm，缝隙2的开缝率(开缝总体积占未开缝时基底的总体积)因此变为35.2％，而基底多孔材料和其它结构参数均保持不变。

请参阅图5，总宽度的增长延长了声波在曲折缝隙中传播的长度，对所发明吸声装置的低频吸声性能提升明显，相比于同等厚度和采用同样基底材料而不开缝的多孔材料板，本发明的结构能够在250Hz这一超低频率处更早地出现吸声峰值，且峰值处的吸声系数达到了0.95，此外在170Hz以上范围内实现了增强吸声。

实施例4

请参阅图3中的元胞及图6中该元胞的吸声曲线，将实施例3中的缝隙2缝宽d增加为4mm，随即元胞总高度H增高为53mm，缝隙2的开缝率变为38.3％，而基底多孔材料和其它结构参数均保持不变。

请参阅图6，缝隙2缝宽d的变大增加了进入曲折缝隙的声波，对所发明吸声装置的低频吸声峰值系数有所提升，相比于同等厚度和采用同样基底材料而不开缝的多孔材料板，本发明的结构能够在260Hz这一超低频率处更早地出现吸声峰值，且峰值处的吸声系数达到了0.974，此外在170Hz以上范围内实现了增强吸声。相比于实例3的吸声曲线，虽然吸声峰值频率退后了10Hz，但吸声峰值系数也由实例3的0.95提升至实例4的0.974。

实施例5

将实施例2中的元胞与背衬之间留有25mm厚度的空腔，以模拟开缝双孔隙率吸声装置与室内墙体、交通运输工具壁面和机器内壁面间存在空腔的情形。本发明的实施例5的吸声系数参见图7。相比于同等厚度和采用同样基底材料而不开缝的多孔材料板，本发明的结构能够在220Hz这一超低频率处更早地出现吸声峰值，且峰值处的吸声系数达到了0.974，此外在150Hz以上范围内实现了增强吸声。

实施例6

将实施例2中的元胞与背衬之间留有50mm厚度的空腔，以模拟开缝双孔隙率吸声装置与室内墙体、交通运输工具壁面和机器内壁面间存在空腔的情形。本发明的实施例6的吸声系数参见图8。相比于同等厚度和采用同样基底材料而不开缝的多孔材料板，本发明的结构能够在170Hz这一超低频率处更早地出现吸声峰值，且峰值处的吸声系数达到了0.9，此外在130Hz以上范围内实现了增强吸声。

比较实施例1、5、6可知，随着空腔高度增加，吸声峰值向低频偏移，但吸声谷值减小。

以上实例说明，相对于不开设曲折缝的传统多孔材料，本发明所设计的开缝双孔隙率吸声装置，在有限厚度下，可在超低频取得吸声峰值，同时在中高频也具有一定的吸声能力，并可以通过调整吸声装置总高、总宽、缝隙宽度以及背部空腔厚度对吸声系数曲线的峰值频率和峰值吸声系数进行有效调节，此外本发明结构简单、易加工，具有良好且广泛的应用前景。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开缝双孔隙率吸声装置，其特征在于，包括多孔材料基底(1)和缝隙(2)，缝隙(2)包括多个，周期性设置在多孔材料基底(1)上形成弯曲或曲折通道，弯曲或曲折通道的长度大于多孔材料基底(1)的厚度。

2.根据权利要求1所述的开缝双孔隙率吸声装置，其特征在于，缝隙(2)的宽度大于多孔材料基底(1)中微孔平均孔径5倍以上。

3.根据权利要求2所述的开缝双孔隙率吸声装置，其特征在于，开缝双孔隙率吸声装置所对应的不开设缝隙的多孔材料基底(1)的表面声阻抗率的实部与空气特征阻抗的比值在目标低频段大于1。

4.根据权利要求1所述的开缝双孔隙率吸声装置，其特征在于，缝隙(2)的宽度沿声波进入方向保持不变、变大或变小。

5.根据权利要求4所述的开缝双孔隙率吸声装置，其特征在于，缝隙(2)的宽度沿声波进入方向大小交替变化。

6.根据权利要求1所述的开缝双孔隙率吸声装置，其特征在于，缝隙(2)的开缝率为10.6～38.3％。

7.根据权利要求1所述的开缝双孔隙率吸声装置，其特征在于，缝隙(2)的曲折度大于1。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的开缝双孔隙率吸声装置，其特征在于，多孔材料基底(1)设置在安装表面或刚性背衬上，多孔材料基底(1)与安装表面或刚性背衬之间设置有空腔。

9.根据权利要求8所述的开缝双孔隙率吸声装置，其特征在于，空腔的高度为0～50mm。

10.一种根据权利要求1至9中任一项所述开缝双孔隙率吸声装置在室内墙体、交通运输工具壁面和机器内壁面的应用。