CN109707059B - 一种梯度开缝双孔隙率吸声装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯度开缝双孔隙率吸声装置及其应用，包括穿缝多孔材料板和刚性背衬；穿缝多孔材料板设置在刚性背衬上，穿缝多孔材料板上周期性间隔开设有多个梯度缝，梯度缝的开缝方向垂直于穿缝多孔材料板。本发明结构简单实用，在低频、中频以及高频段均具有优良的吸声性能，以及灵活的吸声调节功能，具有良好且广泛的应用前景。

Description

一种梯度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，具体涉及一种梯度开缝双孔隙率吸声装置及其应用。

背景技术

现有的吸声板是一种板状的具有吸声减噪作用的材料，主要应用于音乐厅、博物馆、图书馆、交通工具的内壁面等场景。传统的吸声板主要通过两种方式吸声：一种是利用多孔纤维或泡沫材料进行吸声，吸声系数随频率增加而上升，适用于高频吸声；另一种是利用带有背部空腔的微穿孔板进行吸声，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。上述两种方式吸音板难以在全频段一直保持良好的吸声性能。

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，提供一种梯度开缝双孔隙率吸声装置及其应用。

本发明采用以下技术方案：

一种梯度开缝双孔隙率吸声装置，包括穿缝多孔材料板和刚性背衬；穿缝多孔材料板设置在刚性背衬上，穿缝多孔材料板上周期性间隔开设有多个梯度缝，梯度缝的开缝方向垂直于穿缝多孔材料板1。

具体的，梯度缝的开缝缝宽沿声波入射方向连续性变小。

具体的，梯度穿缝双孔隙率吸声装置所对应的不开设梯度缝的多孔材料板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，梯度缝的开缝率为7.3～30％。

具体的，穿缝多孔材料板以多孔材料为基底，梯度缝的最大孔径大于基底的微孔平均孔径5倍以上。

具体的，穿缝多孔材料板与刚性背衬之间设置有空腔。

进一步的，空腔的高度为0～150mm。

一种梯度开缝双孔隙率吸声装置在室内墙体、交通运输工具的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：

本发明的梯度开缝双孔隙率吸声装置，包括穿缝多孔材料板和刚性背衬，通过声波在板上所开设的梯度缝和多孔材料微孔之间强烈耦合所带来的声能耗散，增强吸声板的低频吸声性能，实现在全频段一直保持良好的吸声性能；此吸声板结构简单，吸声性能优良，且可通过调整梯度缝的开缝率、开缝缝宽和开缝形状，设置空腔等方法对吸声性能进行进一步有效调节。

进一步的，梯度缝的缝宽在声波入射方向上连续性变小，使得整个吸声装置成为阻抗连续渐变结构，使得声波从梯度缝的最大缝宽一端进入时，会与空气有着更好的阻抗匹配，从而带来更好的宽频吸声性能。

进一步的，通过合理设置梯度缝的开缝率，在适当减小穿缝多孔材料板声阻率的情况下，提高穿缝多孔材料板的声抗率，使得更多的声波在低频段经由梯度缝进入多孔材料中，利用梯度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低频吸声性能。

进一步的，以多孔材料为基底，可以保证本吸声装置的中高频吸声能力；通过开设梯度缝并设置梯度缝的最大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梯度缝中，而后经由梯度缝再进入孔径较小的多孔材料微孔中，通过声波在梯度缝与多孔材料之间强烈耦合所带来的声能耗散，提升本吸声装置的低频吸声能力。通过以上两方面，本吸声装置在低频、中频和高频都可以实现有效吸声。

进一步的，设置空腔可以增加本吸声装置在低频段的声阻率和声抗率，以及梯度缝的最小孔径附近的粒子振速，此时在声波入射方向上，因为开缝缝宽由大变小，使得大量入射声能聚集于最小孔径附近并产生强烈的声能耗散，进一步提升了本吸声装置的低频吸声性能。

进一步的，通过合理选择基底多孔材料的参数、穿缝多孔材料板的厚度和背部空腔的高度，使得所设计的梯度开缝双孔隙率吸声装置所对应的不开设梯度缝的多孔材料板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梯度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，并利用梯度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低频吸声性能。

综上所述，本发明结构简单实用，在低频、中频以及高频段均具有优良的吸声性能，以及灵活的吸声调节功能，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的吸声系数曲线；

图4为本发明实施例3的吸声系数曲线；

图5为本发明实施例4的吸声系数曲线；

图6为本发明实施例2的三维结构示意图；

图7为本发明实施例2的吸声系数曲线；

图8为本发明实施例3的吸声系数曲线。

其中：1.穿缝多孔材料板；2.刚性背衬。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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。

本发明提供了一种梯度开缝双孔隙率吸声装置及其应用，穿缝多孔材料板以多孔材料为基底，板上周期性地开设有梯度缝，开缝方向垂直于穿缝多孔材料板，开缝缝宽沿声波入射方向连续性变小，根据实际需求可以将该梯度双孔隙率吸声板的缝宽最小一端直接放置于刚性背衬上，或者在吸声板的缝宽最小一端与刚性背衬之间留有空腔以进一步提升吸声性能；本发明结构简单实用，在低频、中频以及高频段均具有优良的吸声性能，以及灵活的吸声调节功能，具有良好且广泛的应用前景。

本发明一种梯度开缝双孔隙率吸声装置，包括穿缝多孔材料板1和刚性背衬2；穿缝多孔材料板1以多孔材料为基底，板上周期性地开设有多个梯度缝，梯度缝的开缝方向垂直于穿缝多孔材料板1。

刚性背衬2可以是室内墙体、交通运输工具的壁面和机器的内壁面。

穿缝多孔材料板1上所开梯度缝的开缝率(开缝总体积占未开缝时板的总体积)为7.3～30％，通过合理设置梯度缝的开缝率，在适当减小穿缝多孔材料板声阻率的情况下，可以提高穿缝多孔材料板的声抗率，使得更多的声波在低频段经由梯度缝进入多孔材料中，并利用梯度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低频吸声性能。

穿缝多孔材料板1上所开梯度缝的孔径沿声波入射方向连续性变小，使得吸声装置成为阻抗连续渐变结构，当声波从梯度缝的最大缝宽一端进入时，会与空气有着更好的阻抗匹配，从而得到更好的宽频吸声性能。

通过合理选择穿缝多孔材料板1所采用的多孔材料基底的参数、穿缝多孔材料板1的厚度和背部空腔的高度，使得所设计的梯度穿缝双孔隙率吸声装置所对应的不开设梯度缝的多孔材料板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梯度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，并利用梯度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低频吸声性能。

穿缝多孔材料板1上所开梯度缝的最大孔径比基底多孔材料中的微孔平均孔径大5倍以上，使得低频声波首先进入缝宽较大的梯度缝中，而后由梯度缝再进入孔径较小的多孔材料微孔中，利用梯度缝与多孔材料之间强烈耦合所带来的声能耗散以提升吸声装置的低频吸声性能。

根据实际需求，穿缝多孔材料板1的最小缝宽一端可直接放置于刚性背衬2上，或者在穿缝多孔材料板1的最小缝宽一端与刚性背衬2之间留有0～150mm高度的空腔，设置空腔可以增加吸声装置在低频段的声阻率和声抗率，以及梯度缝的最小孔径附近的粒子振速，此时在声波入射方向上，因为开缝缝宽由大变小，使得大量入射声能聚集于最小孔径附近并产生强烈的声能耗散，进一步提升了本吸声装置的低频吸声性能。

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和图2，在一块总高为60mm的穿缝多孔材料板1中周期性地开设梯度缝，基底多孔材料的孔隙率为90％，流阻率为47700N·s/m²，粘性特征长度为24μm，热特征长度为200μm，曲折度为1.29；梯度缝两端的缝宽分别为22mm和2mm，缝型选择为喇叭型，缝边为弧线，缝边的斜率在声波入射方向上不断增大，吸声板上开缝率(开缝总体积占未开缝时板的总体积)为16.68％；穿缝多孔材料板1的最小缝宽端面一侧放置于刚性背衬上，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，相比于同样基底材料和同等厚度的不开缝的均匀多孔材料板，本发明的结构能够在820Hz频率处更早地出现吸声峰值，并且在460Hz以上范围内实现了增强吸声。

实施例2

将实施例1中的喇叭型缝改为锥型缝，缝边为直线，缝边的斜率在声波入射方向上保持不变，而梯度缝两端的缝宽和其它结构参数，以及基底多孔材料的材料参数相对实施例1都保持不变，此时吸声板的开缝率为24％；穿缝多孔材料板1的最小缝宽端面一侧放置于刚性背衬上，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。实施例2的吸声系数参见图3。相比于同样基底材料和同等厚度的不开缝的均匀多孔材料板，本实施例的结构能够在960Hz频率处更早地出现吸声峰值，并且在580Hz以上范围内实现了增强吸声。

比较实施例1和实施例2可得，当梯度缝两端的缝宽保持不变时，通过改变缝型可以调节吸声峰值，此处的喇叭型缝比锥型缝具有更低的低频吸声峰值频率，体现出孔型的重要性。

实施例3

将实施例1中的梯度缝两端的缝宽设定为6mm和2mm，缝型选择为喇叭型，其它结构参数和基底多孔材料不变，放置方式也不变，此时开缝率为7.3％。实施例3的吸声系数参见图4。相比于同样基底材料和同等厚度的不开缝的均匀多孔材料板，本实施例的结构能够在550Hz频率处更早地出现吸声峰值，并且在290Hz以上范围内实现了增强吸声。

实施例4

将实施例1中的梯度缝两端的缝宽设定为50mm和2mm，缝型选择为喇叭型，其它结构参数和基底多孔材料不变，放置方式也不变，此时开缝率为30％。实施例4的吸声系数参见图5。相比于同样基底材料和同等厚度的不开缝的均匀多孔材料板，本实施例的结构能够在1080Hz频率处更早地出现吸声峰值，并且在620Hz以上范围内实现了增强吸声。

比较实施例,3和实施例4可得，当梯度缝缝宽变化时，随着开缝率的下降，吸声峰值向低频移动，但在所研究的频率范围内，吸声装置的中高频吸声能力有所下降。

实施例5

请参阅图6，将实施例1中的穿缝多孔材料板1抬高，使得最小缝宽一端与刚性背衬2之间留有75mm高度的空腔以模拟所设计的吸声材料与室内墙体、交通运输工具的壁面和机器的内壁面之间添加空腔的情况。实施例5的吸声系数参见图7。相比于提升相同高度的同样材料和同等厚度的均匀多孔材料板，本发明的结构能够在280Hz频率处更早地出现吸声峰值，并且在180Hz以上范围内实现了增强吸声。

实施例6

将实施例1中的穿缝多孔材料板1抬高，使得最小缝宽一端与刚性背衬2之间留有150mm高度的空腔，同样模拟所设计的吸声材料与室内墙体、交通运输工具的壁面和机器的内壁面之间添加空腔的情况，实施例6的吸声系数参见图8。相比于提升相同高度的同样材料和同等厚度的均匀多孔材料板，本发明的结构能够在200Hz频率处更早地出现吸声峰值，并且在140Hz以上范围内实现了增强吸声，相比于实例5，空腔高度的增加也使得第一个吸声峰值频率提前。

比较实施例1、5、6，随着空腔高度的提升，吸声装置的吸声峰值向低频偏移。

以上6个实施例说明，使用时，可以将室内墙体和交通运输工具的内壁面当做刚性背衬，将穿缝多孔材料板1的最小缝宽端面直接贴合在室内墙体和交通运输工具的内壁面上，或者在空间允许的情况下，将穿缝多孔材料板1的最小缝宽端面与室内墙体和交通运输工具的内壁面间留有0～150mm厚度的空腔，这样可以进一步提升吸声装置的低频吸声性能。另外相对于不开设梯度缝的传统多孔材料，本发明所设计的梯度双孔隙率吸声装置，既延续了传统多孔材料在高频一贯所拥有的优良吸声性能，又可以在低频段更早地出现吸声峰值，并且通过设置空腔进一步降低吸声装置的低频吸声峰值频率，提升该吸声装置的低频吸声性能，此外本发明结构简单，容易加工，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 (4)

1.一种梯度开缝双孔隙率吸声装置，其特征在于，包括穿缝多孔材料板(1)和刚性背衬(2)；穿缝多孔材料板(1)设置在刚性背衬(2)上，穿缝多孔材料板(1)以多孔材料为基底，其上周期性间隔开设有多个梯度缝，梯度缝的开缝方向垂直于穿缝多孔材料板(1)，梯度缝的最大孔径大于基底的微孔平均孔径5倍以上，梯度缝的开缝率为7.3～30％，穿缝多孔材料板(1)与刚性背衬(2)之间设置有空腔，梯度穿缝双孔隙率吸声装置所对应的不开设梯度缝的多孔材料板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。

2.根据权利要求1所述的梯度开缝双孔隙率吸声装置，其特征在于，梯度缝的开缝缝宽沿声波入射方向连续性变小。

3.根据权利要求1所述的梯度开缝双孔隙率吸声装置，其特征在于，空腔的高度为0～150mm。

4.一种根据权利要求1或2或3所述梯度开缝双孔隙率吸声装置在室内墙体、交通运输工具的壁面和机器的内壁面的应用。

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