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Abstract

一种超薄多吸收峰低频吸声器,解决了低频吸声器的每个腔体只能引起一个准完美吸收频率峰的问题，属于声波处理技术领域。本发明包括穿孔盖板、内嵌圆孔、螺旋分隔板、无孔挡板、底板和一个或多个穿孔挡板；穿孔位于穿孔盖板的正中心；螺旋分隔板包括筒状壳体和螺旋结构，螺旋结构放在筒状壳体内，螺旋结构的尾部与筒状壳体内壁相连接，形成螺旋通道；螺旋分隔板放置在穿孔盖板与底板之间，在内部形成吸声腔；无孔挡板插入到螺旋结构最外圈与圆筒壁之间，无孔挡板用于隔开宽度不相同的通道，在穿孔盖板的穿孔正下方和穿孔挡板的穿孔上分别加装多个不同尺寸的内嵌圆孔，形成不同波长的吸声体，实现多吸收峰低频吸声器。

Description

一种超薄多吸收峰低频吸声器
技术领域
本发明具体涉及一种超薄准完美的多个吸收峰的低频吸声器，属于声波处理技术领域。
背景技术
几十年来，由于低频(<1000Hz)声波的波长大导致较薄的吸声材料或结构与空气介质之间的相互作用较弱，导致声能耗散效率低下，因此低频吸声降噪一直是一个具有挑战性的课题。传统的吸声材料如多孔材料、微穿孔板、吸声楔等对低频声的吸收性能较差。对此，人们提出了不同的方法，如梯度多孔材料、多层结构或材料微观结构优化。采用这些方法可以在一定程度上提高吸声性能，但在缩小样本尺寸方面仍遇到许多困难。
近年，声学超材料的发展带来了许多不寻常的声学现象，实现了许多功能和应用,尤其是为超薄低频吸声问题提供了解决方案。
目前低频宽带吸声效果比较好的的超材料主要有两种，一种是薄膜超材料，它可以通过负质量效应的反射来阻挡低频声音。利用谐振频率下薄膜与空腔耦合，薄膜超材料能够消耗大量的声能，实现完美吸声。在一个空腔上排布一系列不同设计频率的薄膜，就能实现目标宽带吸声。虽然用这种方法厚度非常薄，但要求薄膜的张力均匀且可控，这给制造带来了挑战。此外，由于消耗的声能本质上是转化为薄膜的动能，因此薄膜容易疲劳导致耐久性问题。
另一种方法是卷曲式共振结构，主要是在垂直于入射波的平面上将腔体卷绕起来。这种由结构引起的相位延迟(声抗)决定了其吸收性能的超材料一般需要四分之一波长的长度来实现共振频率。要达到完美吸收，还需要合适的截面积，使腔体的损耗满足与背景介质阻抗匹配。而除了某一特定的截面积能达到理想的损耗之外，还可以通过引入多孔介质或加一个颈部(类似亥姆霍兹谐振腔的颈部)来实现。此外引入内嵌孔或使用非均匀梯度截面通道都能提高结构的阻抗操纵能力，可以非常有效的降低通道长度。在垂直于入射波的平面上规则排列一定数量的不同设计频率的法布里-珀罗腔，也能够实现宽频吸声。
上述每个腔体只能引起一个准完美吸收频率峰(基频的情况下)，为此设计一种单腔多吸收峰的准完美低频吸声器便显得很有意义。
发明内容
针对在较薄条件下现有技术的低频吸声器的每个腔体只能引起一个准完美吸收频率峰的问题，本发明提供一种超薄多吸收峰低频吸声器。
本发明的一种超薄多吸收峰低频吸声器，包括穿孔盖板1、内嵌圆孔2、螺旋分隔板4、无孔挡板6、底板7和一个或多个穿孔挡板3；
所述穿孔盖板1与所述底板7大小及形状相同，穿孔位于穿孔盖板1的正中心；所述螺旋分隔板4包括筒状壳体和螺旋结构，所述螺旋结构放在筒状壳体内，螺旋结构的尾部与筒状壳体内壁相连接，形成螺旋通道；所述螺旋分隔板4放置在穿孔盖板1与底板7之间，与所述穿孔盖板1和底板7紧密贴合，在内部形成吸声腔5；无孔挡板6插入到螺旋结构最外圈与圆筒壁之间，无孔挡板6用于隔开宽度不相同的通道，一个或多个穿孔挡板3插入在螺旋结构中，在穿孔盖板1的穿孔正下方和穿孔挡板3的穿孔上分别加装不同尺寸的内嵌圆孔2。
作为优选，所述内嵌圆孔2的数量越多，吸收峰的数量越多。
作为优选，通过调整穿孔挡板3到螺旋挡板4的轴线距离、内嵌圆孔2的尺寸和螺旋分隔板4的高度，得到不同频率的吸收峰。
作为优选，所述穿孔盖板1和底板7为薄层板状结构，其厚度范围为0.7mm-2mm，所述吸声器的外形为圆柱形或多边体形。
作为优选，所述螺旋分隔板4的厚度范围为0.7mm-2mm；螺旋结构的截面圆角螺旋、钝角螺旋、直角螺旋或锐角螺旋，且螺旋分隔板4与穿孔盖板1的接触面形状和与底板7的接触面形状完全相同。
作为优选，所述穿孔盖板1、内嵌圆孔2、穿孔挡板3、螺旋分隔板4、无孔挡板6和底板7采用同一种材料制成，所述材料的特性阻抗远大于空气。
作为优选，所述材料为金属、硬质塑料、陶瓷、树脂或者其他与空气声阻抗明显差异的材料。
作为优选，所述穿孔盖板1、内嵌圆孔2、穿孔挡板3、螺旋分隔板4、无孔挡板6和底板7可通过3D打印、模具注塑、车床加工或激光切割成型。
本发明吸声器对低频噪音有较强的吸收作用，可以根据需求频率进行定制化设计结构参数，同时吸声器的厚度较小，结构简单，制作成本较低廉。本发明的吸声器不仅有与相同尺寸原通道的吸收峰，在相对高频处还有额外的吸收峰，吸收峰(基频)的数量与内嵌圆孔的数量一致；在实现宽频耦合吸声时，能够更加有效的利用空间。
附图说明
图1为本发明实施例中吸声器的展开结构示意图；
图2为图1中吸声器中间层的的结构线图；
图3为图1所示吸声器的阻抗等效模型；
图4为实施例1中所述双吸收峰吸声器的展开结构示意图；
图5为图4所示展开结构俯视图；
图6为双吸收峰吸声器的吸收系数；
图7为三吸收峰吸声器的吸收系数；
图8位四吸收峰吸声器的吸收系数。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的一种超薄多吸收峰低频吸声器，包括穿孔盖板1、内嵌圆孔2、螺旋分隔板4、无孔挡板6、底板7和一个或多个穿孔挡板3；
本实施方式的穿孔盖板1与所述底板7大小及形状相同，穿孔位于穿孔盖板1的正中心；所述螺旋分隔板4包括筒状壳体和螺旋结构，所述螺旋结构放在筒状壳体内，螺旋结构的尾部与筒状壳体内壁相连接，形成螺旋通道；所述螺旋分隔板4放置在穿孔盖板1与底板7之间，与所述穿孔盖板1和底板7紧密贴合，形成吸声腔5；无孔挡板6插入到螺旋结构最外圈与圆筒壁之间，将非矩形腔分隔开，吸声时的吸声腔5为矩形腔，即：形成吸声腔5的通道的宽度相同；无孔挡板6用于隔开宽度不相同的通道，一个或多个穿孔挡板3插入在螺旋结构中，在穿孔盖板1的穿孔正下方和穿孔挡板3的穿孔上分别加装不同尺寸的内嵌圆孔2。本实施方式的吸声腔5即吸声器内部螺旋结构盘绕宽度相同的声波导作为声通道。本实施方式的内嵌圆孔2的数量越多，吸收峰的数量越多。内嵌圆孔2的长度远小于吸声器吸声时声波的波长。
本实施方式通过调整穿孔挡板3到螺旋挡板4的轴线距离、内嵌圆孔2的尺寸和螺旋分隔板4的高度，得到不同频率的吸收峰。本实施方式的穿孔盖板1和底板7为薄层板状结构，其厚度范围为0.7mm-2mm，所述吸声器的外形为圆柱或形或多边体形(如六边体形、正方体形和三角体形)。本实施方式的螺旋分隔板4的厚度范围为0.7mm-2mm；螺旋结构的截面圆角螺旋、钝角螺旋、直角螺旋或锐角螺旋，且螺旋分隔板4与穿孔盖板1的接触面形状和与底板7的接触面形状完全相同。为了保证吸声效果，本实施方式的穿孔盖板1、内嵌圆孔2、穿孔挡板3、螺旋分隔板4、无孔挡板6和底板7采用同一种材料制成，该材料与空气形成巨大阻抗不匹配。该材料为金属、硬质塑料、陶瓷和树脂中的一种。本实施方式的穿孔盖板1、内嵌圆孔2、穿孔挡板3、螺旋分隔板4、无孔挡板6和底板7可通过3D打印、模具注塑、车床加工或激光切割成型。
为了实现吸声，需要了解这种结构的吸声系数，超表面材料的吸声系数可以通过其(法向)声阻抗来确定，关系为：
根据公式(1)，可以通过阻抗来计算吸声器的吸声系数。当通道的线度远小于波长时，把盘绕的通道变直，吸收不发生变化。因此在计算图1所示结构的阻抗时，可以等效成图3。
由于由盘绕通道等效的直通道被分成了数个小通道，因此先考虑其中一个通道(从左开始数第i个)。对于末端阻抗(右)为Zi-1的腔道，根据阻抗转移公式，其转移阻抗(左)Zvi为：
式中Li是第i个通道的长度，这里kc、ρc、cc是腔内的复波数，复密度，复声速。对于无限长直径为di的孔，单位长度的阻抗可写为:
Zai＝-jρωJ0(κdi/2)/J2(κdi/2) (3)
式中Jn是第一类n阶贝塞尔函数。其中κ2＝-jρω/η，η是空气的动态粘度，ω是角频率。另外，声质量的端部修正来自孔径到自由空间的声辐射，则孔径两侧的有效长度增加δi′＝2×(4/3π)di。进一步的，孔径两端都由盘绕通道支撑，应该应用进一步的末端修正δi＝2×(1-1.25ε)×(4/3π)di，其中ε＝d/min(w,h0)是孔径直径与盘绕通道较窄侧的比率，w是通道的宽度，h0是通道的高度。同时，由摩擦损失产生的声阻的端部校正给出声阻的附加部分为因此，利用该方法可以计算出嵌入孔径对矩形腔的声阻抗
式中φ1＝A1/A2,A1和A2分别是内嵌孔和矩形腔的截面面积。注意对于最后一段通道(第N个)，由于其内嵌孔一端向自由空间辐射，另一端由通道支撑，所以其末端修正为δN＝[1+(1-1.25ε)]×(4/3π)dN。在等效声路中，孔与通道是串联的,因此这第i个腔的阻抗为Zi＝Zvi+Zai.根据文献记载带刚性终端的矩形管道的声阻抗为：Zv1＝-jρccccot(kcL1)，由此通过迭代的方法能够求出第N个通道的阻抗ZN.超表面的输入阻抗可以估计为Z＝ZN/φ2,这里φ2＝A2/A3,A3是超表面的表面积，即入射面积。
实施例1：本实施例提供一种外形为圆形的超薄双吸收峰吸声器，如图4所示。吸声器主体由圆形穿孔盖板1、圆筒状螺旋形分隔板4与圆形的底板7紧密连接组成螺旋形吸声结构，围成中间共面螺旋形吸声腔5，做为吸声器的主体。螺旋挡板4插入到螺旋结构的尾部，用来阻挡不规则矩形通道，避免产生额外声学阻抗。穿孔挡板3插入在螺旋结构中，距离螺旋挡板4的轴线距离L1可以自由调控。在圆形穿孔盖板1和穿孔挡板3上分别加装一个不同尺寸的内嵌圆环形孔2(直径为di，长度为ti，i＝1、2表示从吸声腔最内端到外界媒介所经过内嵌圆孔的序数)，通过调节内嵌圆孔2的直径和长度可以更有效地控制声阻抗，避免直接增加厚度来满足阻抗匹配。
将图4所示的结构等效为图5所示结构，根据上面的公式可以计算出:
Zc1＝-jρccccot(kcL1)
螺旋结构表面的法向阻抗可以用Z＝Za2+Zv2求得，进而可以通过公式(1)得到吸声系数。
本实施例吸声器的外径为dz＝99mm，所有的厚度都为b＝1mm，包括穿孔盖板1的厚度，内嵌圆孔2的壁厚，穿孔挡板3的厚度，螺旋分隔板4的厚度，无孔挡板6的厚度和底板7的厚度。吸声腔的宽度为w＝(dz-8b)/7，长度为L＝L1+L2+b其他具体参数见表1。
表1.实验样品的几何参数
样品 L1(mm) h0(mm) t1(mm) d1(mm) t2(mm) d2(mm)
A 174.7 28 34.3 7.4 5 11
图6给出了双吸收峰的样品A的吸声系数。样品A的两个吸收峰中心频率分别为146Hz和362Hz，吸声系数都在0.99以上，是两个准完美吸收峰。而且厚度h(h＝30mm)仅约为最低频吸收峰频率波长的1/78，意味着该吸声体具有深度亚波长尺度。与已有的单吸收峰吸声器相比，双吸收峰吸声器能够在不改变外形的情况下，额外增加一个362Hz的吸收峰。从图中可以看出理论和仿真的吻合度非常高，误差不超过0.6％。
以上示意性的对本发明及其结构原理进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。本实施例仅展示了吸声腔盘绕三圈吸声器的实施方式，盘绕其他任意圈数均可用于设计此类吸声体。所以，如果相关技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
实施例2：在实施例1中都是双吸收峰的样本，为了证明吸声器能产生更多的吸收峰，本实施例按照图1所示多吸收峰结构设计了三个吸收峰和四个吸收峰的吸声器。具体参数见表2：
图7和图8分别显示了三吸收峰吸声器样本B和四吸收峰样本C的吸收系数,样品B的吸收峰分别为146Hz、442Hz和653Hz，吸声系数都在0.98以上。样品C的吸收峰分别为146Hz、417Hz、671Hz和921Hz，吸收系数都在0.97以上。从图中可以看出理论和仿真的吻合度较高，误差不超过2％。而且样品B、C的外形和样品A一致，都属于深度亚波长尺度。从三个样品的测试结果来看，增加吸收峰相应的会降低其吸声系数，这是必不可免的。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种超薄多吸收峰低频吸声器，其特征在于，包括穿孔盖板（1）、内嵌圆孔（2）、螺旋分隔板（4）、无孔挡板（6）、底板（7）和一个或多个穿孔挡板（3）；
所述穿孔盖板（1）与所述底板（7）大小及形状相同，穿孔位于穿孔盖板（1）的正中心；所述螺旋分隔板（4）包括筒状壳体和螺旋结构，所述螺旋结构放在筒状壳体内，螺旋结构的尾部与筒状壳体内壁相连接，形成螺旋通道；所述螺旋分隔板（4）放置在穿孔盖板（1）与底板（7）之间，与所述穿孔盖板（1）和底板（7）紧密贴合，在内部形成吸声腔（5）；无孔挡板（6）插入到螺旋结构最外圈与圆筒壁之间，无孔挡板（6）用于隔开宽度不相同的通道，一个或多个穿孔挡板（3）插入在螺旋结构中，在穿孔盖板（1）的穿孔正下方和穿孔挡板（3）的穿孔上分别加装不同尺寸的内嵌圆孔（2）；
所述内嵌圆孔（2）的数量越多，吸收峰的数量越多；
所述穿孔盖板（1）和底板（7）为薄层板状结构，其厚度范围为0.7mm-2mm。
2.根据权利要求1所述的超薄多吸收峰低频吸声器，其特征在于，通过调整穿孔挡板（3）到螺旋挡板（4）的轴线距离、内嵌圆孔（2）的尺寸和螺旋分隔板（4）的高度，得到不同频率的吸收峰。
3.根据权利要求1所述的超薄多吸收峰低频吸声器，其特征在于，所述穿孔盖板（1）和底板（7）为薄层板状结构，所述吸声器的外形为圆柱形或多边体形。
4.根据权利要求1所属的一种超薄多吸收峰低频吸声器，其特征在于，螺旋结构的截面圆角螺旋、钝角螺旋、直角螺旋或锐角螺旋，且螺旋分隔板（4）与穿孔盖板（1）的接触面形状和与底板（7）的接触面形状完全相同。
5.根据权利要求1所述的超薄多吸收峰低频吸声器，其特征在于，所述穿孔盖板（1）、内嵌圆孔（2）、穿孔挡板（3）、螺旋分隔板（4）、无孔挡板（6）和底板（7）采用同一种材料制成，所述材料的特性阻抗远大于空气。
6.根据权利要求5所述的超薄多吸收峰低频吸声器，其特征在于，所述材料为金属、硬质塑料、陶瓷或树脂。
7.根据权利要求1所述的超薄多吸收峰低频吸声器，其特征在于，所述穿孔盖板（1）、内嵌圆孔（2）、穿孔挡板（3）、螺旋分隔板（4）、无孔挡板（6）和底板（7）可通过3D打印、模具注塑、车床加工或激光切割成型。
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