CN110588683A - 一种面向厢体结构低频宽带降噪的复合板 - Google Patents

Abstract

一种面向厢体结构低频宽带降噪的复合板，属于噪声吸收的声学功能材料技术领域。穿孔板上设有多个透声孔，穿孔板、局域共振板以及背板由里至外并列设置，穿孔板与局域共振板的基板之间以及局域共振板的基板与背板之间均固定有多个横纵相交设置的支撑板，多个支撑板将基板分为多个吸声单元，每个吸声单元内均设有薄膜振子，每个薄膜振子均包括柔性高分子薄膜以及中心质量块，柔性高分子薄膜与基板固定连接，中心质量块附着在柔性高分子薄膜的中心处。本发明便于安装在体积要求严苛的工程环境中，降噪效果明显，能够拓宽该装置低频吸声频段的带宽，实现低频宽带降噪。

Description

一种面向厢体结构低频宽带降噪的复合板

技术领域

本发明涉及一种面向厢体结构低频宽带降噪的复合板，属于噪声吸收的声学功能材料技术领域。

背景技术

飞机、高铁、汽车的出现给我们的生活带来了极大的便利，但在乘坐过程中，上述交通工具中厢体结构的振动以及厢体结构内的噪声极大地削弱了乘客的乘坐舒适性。如何实现厢体结构内有效的减振降噪一直是工程技术领域亟需解决的问题，而针对低频段噪声的减振降噪又是难点中的难点，通过查阅文献资料发现，现阶段针对各类交通工具中的厢体结构内降噪的方法主要包括壁板的减振、隔声以及内部空间的吸声。

目前，针对壁板结构减振降噪的方法主要有壁板表面加筋、敷设阻尼材料、安装动力吸振器。壁板表面加筋可以明显提升壁板结构的动刚度，改善壁板结构频率与激励频率的对应特性，从而达到减小振动、提升隔声性能的目的，但是加筋处理只能改变模态频率以及振型特性，并不能消除壁板结构的模态共振特性，因此对于壁板结构低频模态振动和噪声的抑制效果有限；敷设阻尼材料是获得宽频减振降噪的常用方法，该方法可以明显削弱结构模态频率处的振动峰值，但该方法对低阶模态振动的抑制效果并不理想；安装动力吸振器能够实现对特定频率的吸振降噪，但是其减振降噪效果对其参数非常敏感，目前针对单个动力吸振器用于单自由度振动系统的研究比较完善，而薄板等连续体的振动噪声往往需要安装多个动力吸振器进行抑制，目前还没有针对用于连续体减振降噪的多个动力吸振器的参数设计方法。

吸声材料和吸声结构可以实现结构内部空间的宽频降噪效果，现阶段吸声材料主要包括多孔类吸声材料如硅胶发泡吸声棉、聚氨酯发泡吸声棉等，纤维类吸声材料如玻璃丝纤维吸声棉等。上述吸声材料均属于阻性吸声材料，其吸声特性与材料的声阻特性相关。这些阻性吸声材料通常可以实现900Hz以上的良好吸声效果，然而对于0-500Hz的低频范围，其吸声效果非常有限性。微穿孔板等吸声结构属于共振型吸声结构，通过改变尺寸参数可以实现对吸声频率的调谐，但这类材料在低频范围内吸声频带很窄，在低频范围内吸声效果不佳。

综上所述，现阶段的减振降噪材料对低频段的噪声抑制效果并不理想，在飞机、高铁等交通工具的正常运营过程中，壁板结构产生的振动会给轿厢内的乘客带来噪声污染，这会对乘客的舒适性造成很大的影响，因此亟需研发出一种针对厢体结构的低频减振降噪材料。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种面向厢体结构低频宽带降噪的复合板。

实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种面向厢体结构低频宽带降噪的复合板，包括穿孔板、局域共振板、背板以及多个支撑板，所述局域共振板包括基板以及多个薄膜振子，所述穿孔板上设有多个透声孔，穿孔板、局域共振板以及背板由里至外并列设置，穿孔板与局域共振板的基板之间以及局域共振板的基板与背板之间均固定有多个横纵相交设置的支撑板，所述多个支撑板将基板分为多个吸声单元，每个所述吸声单元内均设有薄膜振子，每个所述薄膜振子均包括柔性高分子薄膜以及中心质量块，所述柔性高分子薄膜与基板固定连接，所述中心质量块附着在柔性高分子薄膜的中心处。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明基于局域共振声学超材料，结构尺寸小，重量轻，便于安装在舰船、航天器、高速列车等体积要求严苛的工程环境中。

2、本发明针对低频段噪声吸声效果明显，实验表明在高铁车厢内部低频段噪声占有较大比重，因此本发明针对高铁等低频段噪声占主要因素的工程环境降噪效果明显。

3、本发明采用吸声穿孔板和局域共振板的复合吸声结构，能够拓宽该装置低频吸声频段的带宽，实现低频宽带降噪。

附图说明

图1是本发明的面向厢体结构低频宽带降噪的复合板的整体结构轴测图；

图2是穿孔板俯视图；

图3是局域共振板的俯视图；

图4为本发明单个薄膜振子剖视图；

图5为本发明单个吸声单元剖视图，其中：l₁是穿孔板到薄膜振子的距离，l₂是薄膜振子到背板的距离，r₀为透声孔的半径，h是穿孔板的厚度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

具体实施方式一：如图1～图5所示，本发明公开了一种面向厢体结构低频宽带降噪的复合板，包括穿孔板1、局域共振板、背板3以及多个支撑板6，所述局域共振板包括基板2以及多个薄膜振子，所述基板2由轻质大刚度金属或非金属材料制成；所述穿孔板1上设有多个透声孔7，透声孔7的孔径以及相互间的间距根据所需降噪的频段设计，穿孔板1、局域共振板以及背板3由里至外并列设置，所述背板3安装在局域共振板外侧，用于隔声以及保护局域共振板不受外界环境损伤；穿孔板1与局域共振板构成复合吸声结构，能够拓宽局域共振板的吸声带宽，实现低频宽带降噪；穿孔板1与局域共振板的基板2之间以及局域共振板的基板2与背板3之间均固定有多个横纵相交设置的支撑板6，所述多个支撑板6均由非金属板制成，其将穿孔板1、基板2以及背板3三者连接成一体，所述多个支撑板6将基板2分为多个吸声单元，每个所述吸声单元内均设有薄膜振子，每个所述薄膜振子均包括柔性高分子薄膜4以及中心质量块5，柔性高分子薄膜4作为弹性元件，中心质量块5作为质量元件；当弯曲波在局域共振板中传播时，薄膜振子发生局域共振，薄膜振子的振动与相应频率的弯曲波产生强耦合作用，局域共振板表现出带隙特性，在带隙范围内，基板2结构中的弯曲振动得到明显抑制。柔性高分子薄膜4的柔性如果很大，局域共振结构在外部声波的激励下，其薄膜振子容易被激发产生局域共振，这种情况下，局域共振结构表现出惊人的低频吸声特性；所述柔性高分子薄膜4与基板2固定连接，所述中心质量块5附着在柔性高分子薄膜4的中心处，柔性高分子薄膜4以及质量块5的几何形状不作限制。

薄膜振子吸声系数的确定方法：

假设中心质量块5的应力密度T在振动过程中保持为常量。推导B面的吸声系数，就先推导B面的声阻抗。

把中心质量块5的内力当做外部集中力来处理，薄膜振子的振动方程可以写成

上式中ρ_m是柔性高分子薄膜4的面密度，m₀是柔性高分子薄膜4中心安装的中心质量块5的质量，p_B和p_B'分别是两个界面上的声压。柔性高分子薄膜4的振动位移w(x,y,t)可以用模态叠加法写出

将(2)式代入(1)式就得到

运用模态正交性，上式中等号两边同乘φ_m(x,y)(1≤m≤N)然后对薄膜振子表面积分得到

上式中，∫_Sρ_mφ_m ²(x,y)ds＝M_m是柔性高分子薄膜4未安装中心质量块5时的第m阶模态质量。其对应的模态刚度为

(5)式中的β_m是柔性高分子薄膜4未安装中心质量块5时的第m阶模态圆频率。

根据以上标记，(4)式可以写成

记P＝p_B-p_B'，根据(6)式有以下各式

(7)式中下标为m的各个公式乘上φ_m(x₀,y₀)，然后各等式相加得到

注意到等式左边的第一项实际上就是A，因此上式可以写成

其中

柔性高分子薄膜4的空间均方速度为

(7)式中下标为m的各个公式乘上φ_m(x,y)，然后各等式相加后积分得到

根据(10)和(11)式，(12)式可以写成

其中

将(9)式代入到(13)式中得到

可以得到界面B的声阻抗

其中Z_B'为界面B'处的声阻抗，其表达式为

其中l₂是薄膜振子到背板3的距离。假设这个距离的长度足够小于空气声波数，公式(17)可以重新表达成

继而求得柔性高分子薄膜4振子的吸声系数

其中Z_re和Z_im分别是Z_B的实部和虚部。

具体实施方式二：如图1、2所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述多个透声孔7均匀布置。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述薄膜振子附着在基板2表面。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述薄膜振子镶嵌在基板2内部。所述基板2的上表面均布有多个孔槽，所述薄膜振子放置在对应的孔槽内且边缘处与孔槽固定连接。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一至具体实施方式四中任一具体实施方式作出的进一步说明，每个所述吸声单元均包括上声腔以及下声腔，所述上声腔为穿孔板1与基板2之间的区域，所述下声腔为基板2与背板3之间的区域。

复合吸声结构声阻抗系数的确定方法：

复合吸声单元结构表面的声阻抗为

其中，c是穿孔板1上透声孔7内表面的粘滞阻尼，s是透声孔7横截面面积，ρ是空气密度，S是内腔的横截面积。Z_A'是A’界面的声阻抗。ε是穿孔板7穿孔率，表达式为

其中s'是每个透声孔7孔所占的穿孔板1面积。h'＝h+δ(其中h是穿孔板1的厚度，δ是修正系数)。δ表达为

δ＝0.75×2r₀ (22)

其中r₀为透声孔7的半径，R为柔性高分子薄膜4的半径。

A’界面的声阻抗的表达式为

其中Z_B是界面B的声阻抗。k是空气声波数。l₁是穿孔板1与局域共振薄板2的距离，C是空气中声速。在低频范围内，假设上声腔的高度远小于声波波长，kl₁的值很较小，Z_A'的表达式可以约简为

复合吸声结构吸声特性调控规律：局域共振板结构的吸声系数峰值个数与薄膜振子的模态个数具有对应性，在无背板3的情况下，吸声系数峰值频率与薄膜振子的模态频率严格相等。薄膜振子参数对吸声特性有显著的调控作用，减小薄膜张力、增加中心质量块5的质量以及增加薄膜振子到背板3距离可以降低吸声峰值频率，而增加柔性高分子薄膜4中的阻尼能够显著拓宽低频范围内吸声带宽。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种面向厢体结构低频宽带降噪的复合板，其特征在于：包括穿孔板(1)、局域共振板、背板(3)以及多个支撑板(6)，所述局域共振板包括基板(2)以及多个薄膜振子，所述穿孔板(1)上设有多个透声孔(7)，穿孔板(1)、局域共振板以及背板(3)由里至外并列设置，穿孔板(1)与局域共振板的基板(2)之间以及局域共振板的基板(2)与背板(3)之间均固定有多个横纵相交设置的支撑板(6)，所述多个支撑板(6)将基板(2)分为多个吸声单元，每个所述吸声单元内均设有薄膜振子，每个所述薄膜振子均包括柔性高分子薄膜(4)以及中心质量块(5)，所述柔性高分子薄膜(4)与基板(2)固定连接，所述中心质量块(5)附着在柔性高分子薄膜(4)的中心处。

2.根据权利要求1所述的一种面向厢体结构低频宽带降噪的复合板，其特征在于：所述多个透声孔(7)均匀布置。

3.根据权利要求1所述的一种面向厢体结构低频宽带降噪的复合板，其特征在于：所述薄膜振子附着在基板(2)表面。

4.根据权利要求1所述的一种面向厢体结构低频宽带降噪的复合板，其特征在于：所述薄膜振子镶嵌在基板(2)内部。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的一种面向厢体结构低频宽带降噪的复合板，其特征在于：每个所述吸声单元均包括上声腔以及下声腔，所述上声腔为穿孔板(1)与基板(2)之间的区域，所述下声腔为基板(2)与背板(3)之间的区域。