CN109686354A - 一种螺旋开孔双孔隙率吸声装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋开孔双孔隙率吸声装置及其应用，通过在多孔材料基底上开设螺旋孔来实现，螺旋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螺旋孔，再经由螺旋孔进入多孔材料的微孔，利用声波在多孔材料上所开设的螺旋孔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，具有良好且广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种螺旋开孔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，提供一种螺旋开孔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：
一种螺旋开孔双孔隙率吸声装置，包括多孔材料基底和螺旋孔，螺旋孔包括多个，周期性设置在多孔材料基底内形成弯曲或螺旋通道，弯曲或螺旋通道的长度远大于多孔材料基底的厚度。
具体的，螺旋孔的开孔率为8.2～30％。
具体的，螺旋孔的孔径沿声波进入方向保持不变、变大或变小。
进一步的，螺旋孔的孔径沿声波进入方向大小交替变化。
具体的，螺旋孔的孔径大于多孔材料基底中微孔平均孔径5倍以上。
进一步的，螺旋开孔双孔隙率吸声装置所对应的不开设螺旋孔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，螺旋孔为空间螺旋或平面螺旋，多个螺旋孔相互缠绕连通或通过连通直孔连通。
进一步的，多孔材料基底设置在安装表面或刚性背衬上，或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。
本发明的另一个技术方案是：一种螺旋开孔双孔隙率吸声装置在室内墙体、交通运输工具壁面和机器的内壁面的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明的螺旋开孔双孔隙率吸声装置，通过在多孔材料基底上开设螺旋孔来实现，螺旋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螺旋孔，再经由螺旋孔进入多孔材料的微孔，利用声波在多孔材料上所开设的螺旋孔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，通过在多孔材料基底内开设螺旋孔，相比于直孔，大大增大了曲折度，延长了低频声波在所开设孔内的传播和增大了所开设孔与多孔材料的接触面积，极大促进了低频声波由螺旋孔向多孔材料微孔的扩散。
进一步的，通过合理设置螺旋孔的开孔率8.2～30％，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螺旋孔进入多孔材料中，利用声波在螺旋孔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，在声波沿螺旋孔进入方向上，螺旋孔孔径可一直不变，这样方便加工；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，这会增加声波在螺旋孔入口处的能量耗散；还可以大小来回变，这样会进一步增加螺旋孔的曲折度，有利于吸声峰值频率向低频移动。
进一步的，通过设置螺旋孔孔径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，声波首先进入孔径较大的螺旋孔中，而后经由螺旋孔再进入孔径较小的多孔材料微孔中，通过声波在螺旋孔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，使得所设计的螺旋开孔双孔隙率吸声装置所对应的不开设螺旋孔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螺旋孔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，并利用声波在螺旋孔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，螺旋孔既可以是空间螺旋，也可以是平面螺旋以减小吸声材料的厚度，还可以是多个螺旋孔的相互缠绕以增大一定体积吸声装置中螺旋孔与多孔材料的接触面积，多个螺旋孔之间更可以互相连通以进一步增大所开设的孔与多孔材料的接触面积。
进一步的，在安装时，可在本发明的螺旋开孔双孔隙率吸声装置与安装表面或刚性背衬留有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的三维元胞结构示意图；
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改变基底多孔材料的吸声系数曲线；
图4为本发明实施例2改变H的吸声系数曲线；
图5为本发明实施例2改变D的吸声系数曲线；
图6为本发明实施例2改变p的吸声系数曲线；
图7为本发明实施例2改变l的吸声系数曲线；
图8为本发明实施例3的三维元胞结构示意图；
图9为本发明实施例3的吸声系数曲线；
图10为本发明实施例4的吸声系数曲线；
图11为本发明实施例5的吸声系数曲线；
其中：1.多孔材料基底；2.螺旋孔；3.螺旋线；4.连通直孔。
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”、“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。
本发明提供了一种螺旋开孔双孔隙率吸声装置，通过在多孔材料基底上开设螺旋孔来实现，螺旋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螺旋孔，再经由螺旋孔进入多孔材料的微孔，利用声波在多孔材料上所开设的螺旋孔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，具有良好且广泛的应用前景。
本发明一种螺旋开孔双孔隙率吸声装置，包括多孔材料基底1和螺旋孔2，螺旋孔2设置在多孔材料基底1内形成螺旋通道，螺旋通道的长度远大于多孔材料基底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，使得所设计的螺旋开孔双孔隙率吸声装置所对应的不开设螺旋孔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螺旋孔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，并利用声波在螺旋孔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内开设螺旋孔2，相比于开设直孔，螺旋孔2可以大大增加低频声波在所开设孔内传播的曲折度，以延长了低频声波在所开设孔内的传播和增大所开设孔与多孔材料的接触面积，可以极大促进低频声波由螺旋孔向多孔材料微孔的扩散。
设置螺旋孔2的孔径比多孔材料基底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，声波首先进入孔径较大的螺旋孔2中，而后经由螺旋孔2再进入孔径较小的多孔材料微孔中，通过声波在螺旋孔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。
设置螺旋孔2的开孔率(开孔总体积占未开孔时基底的总体积)为8.2～30％，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螺旋孔进入多孔材料中，利用声波在螺旋孔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。
在声波沿螺旋孔2进入方向上，可设置螺旋孔2的孔径一直不变，这样方便加工；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，以增加声波在螺旋孔入口处的能量耗散；还可以大小来回变，以进一步增加螺旋孔2的曲折度，有利于吸声峰值频率向低频移动。
可设置所开设的螺旋孔2为空间螺旋，也可以是平面螺旋以减小吸声材料的厚度，还可以是多个螺旋孔的相互缠绕连通以增大一定体积吸声装置中螺旋孔与多孔材料的接触面积，多个螺旋孔之间更可以互相连通以进一步增大所开设的孔与多孔材料的接触面积。
安装表面或刚性背衬可以是室内墙体、交通运输工具的壁面和机器的内壁面。
在安装时，可在本发明的螺旋开孔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50mm、直径D为35mm的多孔材料基底1中开设螺旋孔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；螺旋孔2以螺旋线3为引导进行开设，螺旋孔2在垂直螺旋线3方向为圆形，该圆形直径也即螺旋孔孔径d为10mm，螺旋线3的螺旋半径l为此螺旋线的螺旋直径15mm，螺旋线3的螺距p为15mm，螺旋孔2的开孔率(开孔总体积占未开孔时基底的总体积)为26.5％；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孔的多孔材料板，本发明的结构能够在290Hz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180Hz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通道直径(10mm)的直孔的吸声频率曲线图，这种情况可以看成是开设螺旋孔相对应的螺旋线的螺距无限大的极限情况，此时的开孔率为8.2％，其吸声曲线在510Hz达到0.84。与螺旋开孔实施例对比可以看到，通过将直孔螺旋，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至图7，以实施例1中的材料参数和结构参数为默认值，使用单一变量法，给出不同基底多孔材料以及结构尺寸对所发明的螺旋开孔双孔隙率吸声装置的吸声系数的影响；图3中的三种多孔材料的参数分别为：多孔材料MAT1，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；多孔材料MAT2，孔隙率为99％，流阻率为200000N·s/m2，粘性特征长度为17.48μm，热特征长度为34.96μm，曲折度为1；多孔材料MAT3，孔隙率为94％，流阻率为135000N·s/m2，粘性特征长度为49μm，热特征长度为166μm，曲折度为2.1。图4-7则分别比较了图1中元胞总高H、直径D、螺旋线3的螺距p和螺旋半径l等不同结构参数对吸声系数的影响，图中单位均为mm。实例结果表明：
(1)拥有更大流阻率的基底多孔材料，可以提升所发明吸声装置的低频吸声峰值系数并得到更低的峰值频率；
(2)提升总高H同样可以提升所发明吸声装置的低频吸声峰值并得到更低的峰值频率；
(3)减小直径D有助于提升峰值系数，但峰值所对应的频率向高频偏移；
(4)增加螺旋线3的螺距p，吸声峰值频率向高频移动；
(5)增加螺旋线3的螺旋半径l，吸声峰值频率向低频移动，但峰值的吸声系数下降。
实施例3
请参阅图8中的元胞示意图，在多孔材料基底1中开设相互缠绕连通或贯通的双螺旋孔，基底材料高50mm，直径50mm；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。所开设的两个螺旋孔2相同，孔径均为10mm，所对应的螺旋线的螺旋直径均为30mm，螺距均为30mm，通过3个直径均为8mm的连通直孔4使两个螺旋孔相互连通，以进一步增大所开设的孔与多孔材料的接触面积，此时开孔率为30％。本发明的实施例2的吸声系数参见图9。相比于同等厚度和采用同样基底材料而不开孔的多孔材料板，本发明的结构能够在280Hz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180Hz以上范围内实现了增强吸声。
实施例4
将实施例1中的元胞与刚性背衬之间留有25mm的空腔，以模拟螺旋开孔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4的吸声系数参见图10。相比于同等厚度和采用同样基底材料而不开孔的多孔材料板，本发明的结构能够在200Hz这一超低频率处更早地出现吸声峰值，此外在140Hz以上范围内实现了增强吸声。
实施例5
将实施例1中的元胞与刚性背衬之间留有50mm的空腔，以模拟螺旋开孔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4的吸声系数参见图11。相比于同等厚度和采用同样基底材料而不开孔的多孔材料板，本发明的结构能够在160Hz这一超低频率处更早地出现吸声峰值，此外在120Hz以上范围内实现了增强吸声。
比较实施例1、4、5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。
从以上实例可以发现，相对于不开设螺旋孔的传统多孔材料，本发明所设计的螺旋开孔双孔隙率吸声装置，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，且可以通过调整装置的基底多孔材料和结构参数来调整吸声曲线峰值，此外本发明结构简单，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)
1.一种螺旋开孔双孔隙率吸声装置，其特征在于，包括多孔材料基底(1)和螺旋孔(2)，螺旋孔(2)包括多个，周期性设置在多孔材料基底(1)内形成弯曲或螺旋通道，弯曲或螺旋通道的长度远大于多孔材料基底(1)的厚度。
2.根据权利要求1所述的螺旋开孔双孔隙率吸声装置，其特征在于，螺旋孔(2)的开孔率为8.2～30％。
3.根据权利要求1所述的螺旋开孔双孔隙率吸声装置，其特征在于，螺旋孔(2)的孔径沿声波进入方向保持不变、变大或变小。
4.根据权利要求3所述的螺旋开孔双孔隙率吸声装置，其特征在于，螺旋孔(2)的孔径沿声波进入方向大小交替变化。
5.根据权利要求1所述的螺旋开孔双孔隙率吸声装置，其特征在于，螺旋孔(2)的孔径大于多孔材料基底(1)中微孔平均孔径5倍以上。
6.根据权利要求5所述的螺旋开孔双孔隙率吸声装置，其特征在于，螺旋开孔双孔隙率吸声装置所对应的不开设螺旋孔的多孔材料基底(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。
7.根据权利要求1所述的螺旋开孔双孔隙率吸声装置，其特征在于，螺旋孔(2)为空间螺旋或平面螺旋，多个螺旋孔(2)相互缠绕连通或通过连通直孔(4)连通。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的螺旋开孔双孔隙率吸声装置，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，或多孔材料基底(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所述的螺旋开孔双孔隙率吸声装置，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中任一项所述螺旋开孔双孔隙率吸声装置在室内墙体、交通运输工具壁面和机器的内壁面的应用。
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