CN111305405B - 一种阻抗复合宽频消声结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种阻抗复合宽频消声结构，包括：外框架、穿孔吸声板，多个纵向吸声模块和横向吸声模块，所述外框架由若干穿孔板拼接形成，具有一个开口部，穿孔吸声板固定于外框架内，包括朝向所述外框架开口部的后部和位于相反侧的前部，多个纵向吸声模块设置于外框架和穿孔吸声板前部之间，纵向吸声模块之间间隙排列布置，纵向吸声模块的一端固定于外框架，横向吸声模块设置于穿孔吸声板的后部和外框架的开口部之间并固定在外框架内，所述阻抗复合宽频消声结构至少固定安装在室内的墙壁以及天花板上，本发明基于材料吸声和孔板共振实现声音的消耗衰减，较尖劈及普通平板结构，使用吸声材料更少，占用空间更小,截止频率更低。
Description
技术领域
本发明涉及室内消声技术领域，具体为一种阻抗复合宽频消声结构。
背景技术
在室内模拟自由声场或半自由声场空间，需要满足墙面吸声系数为99％以上，半自由场地面的反射系数为95％以上。人耳可听声音频率范围为20Hz～20000Hz,由于频率越低，波长越长，吸声越难。根据吸声材料特性，频率越低，需要的吸声材料厚度越高。截止频率就是指在此频率以上，墙面的吸声系统能保证99％的吸声系数。
为构建上述声学环境，满足消声室截止频率要求，需要在墙面安装消声结构，现有消声结构最常用的有尖劈消声结构和平板消声结构。
尖劈消声结构是把多孔性和多纤维材料做成锥形或尖劈状吸声体，该结构有较好的流阻特性，当声波入射时，由于吸声层的逐渐过渡性质，材料的声阻抗与空气的声阻抗能较好地匹配，使声波传入吸声体，并被高效的吸收。要满足较低的截止频率，必须要增加尖劈长度，根据相关资料，到达100Hz截止频率，需要800mm左右长度的尖劈，进一步提高截止频率到50Hz，其尖劈长度需要增加到1700mm左右。尖劈消声结构存在占用空间大，材料用量多等问题和缺点，在房间尺寸紧凑时，无法满足低截止频率要求。
普通平板消声结构是把多孔性和多纤维材料做成平板形式，这种结构较尖劈结构，厚度减小，但是由于吸声材料为平面形式，没有逐渐增厚的过渡过程，声阻抗较大，当平板材料厚度达到一定程度，流阻过大，声反射严重，影响吸声效果，吸声系数会降低，从而影响该结构能达到的最低截止频率(要达到较低截止频率需要增加材料厚度，材料厚度增加过多，又会导致流阻增加，声反射增强，影响吸声系数)。根据默泽(Moese)2007年最新研究成果，流阻大于800Pas/m,小于2400Pas/m(800Pasm-1＜Ξd＜2400Pasm-1)是最佳范围，而实际使用的大部分吸声材料的流阻率Ξ＞7500Pasm-2,如果吸声材料层厚d远小于声音波长λ(d＜＜λ)，吸声系数α会很差，只有当d＞λ/4时，吸声系数α才大于0.9，其中波速＝频率×波长，即v＝fλ，空气中波速近似340m/s，即50Hz截止频率，要求吸声材料厚度大于1.7m才能满足吸声系数α大于0.9，因此，现有吸声材料层叠方式组合成平面吸声体，存在先天不足，很难达到最佳吸声效果。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种阻抗复合宽频消声结构，能够解决现有尖劈消声结构占用空间大，材料用量多，而使用平板结构的截止频率高(截止频率越低越好)、低频吸声效果差等问题。
本发明所述的一种阻抗复合宽频消声结构，包括：外框架，所述外框架由若干穿孔板拼接形成，具有一个开口部；穿孔吸声板，固定于外框架内，包括朝向所述外框架开口部的后部和位于相反侧的前部；多个纵向吸声模块，设置于外框架和穿孔吸声板前部之间，纵向吸声模块之间间隙排列布置，纵向吸声模块的一端固定于外框架，所述纵向吸声模块的空隙率为35％-70％，纵向吸声模块的截面为矩形面或弯折面；横向吸声模块，设置于穿孔吸声板的后部和外框架的开口部之间并固定在外框架内，所述纵向吸声模块、横向吸声模块均包括多孔质吸声材料；所述阻抗复合宽频消声结构至少固定安装在室内的墙壁以及天花板上。
本发明所述的的其他一种实施例的一种阻抗复合宽频消声结构，包括：外框架，所述外框架由若干穿孔板拼接形成，具有一个开口部；穿孔吸声板，固定于外框架内，包括朝向所述外框架开口部的后部和位于相反侧的前部；多个纵向吸声模块，设置于外框架和穿孔吸声板前部之间，纵向吸声模块之间间隙排列布置，纵向吸声模块的一端固定于外框架，所述纵向吸声模块的空隙率为35％-70％，纵向吸声模块的截面为矩形面或弯折面；横向吸声模块，设置于穿孔吸声板的后部和外框架的开口部之间并固定在外框架内；所述纵向吸声模块、横向吸声模块均包括多孔质吸声材料；平面共振板，设置于横向吸声模块与外框架的开口部之间，所述平面共振板固定于外框架，用于与穿孔吸声板组合使用，由板振动产生共振消耗衰减声音；所述阻抗复合宽频消声结构至少固定安装在室内的墙壁以及天花板上。
进一步的，所述平面共振板和外框架的开口部之间还设有横向吸声模块。
进一步的，所述多孔质吸声材料为玻璃纤维、棉麻天然纤维、化学纤维其中的一种或几种组合。
进一步的，所述纵向吸声模块、横向吸声模块的外部均包裹有封装布，用于防止吸声材料外漏，所述封装布材质为玻璃棉。
进一步的，所述穿孔吸声板和平面共振板材质为金属板，穿孔吸声板的穿孔率为5％-50％。
进一步的，所述穿孔板采用冲压、焊接、铆接、粘接中的一种拼接形成多面体结构的外框架，穿孔板的穿孔率为50％以上，孔径为5mm-10mm。
进一步的，在所述平面共振板和穿孔吸声板后部之间设置有若干个穿孔吸声板，相邻的穿孔吸声板之间均设置横向吸声模块，穿孔吸声板固定于外框架内。
本发明的有益效果：
1、本发明采用纵向吸声模块间隙排列，并保证一定比例的空隙率，使消声结构具有最佳的流阻，声波能更好的通过与多孔材料纤维摩擦消耗能量，减少声反射；
2、本发明采用阻抗复合消声结构，多层复合消声，既有吸声材料的阻性吸声，穿孔板的小孔气柱共振吸声，还有平面共振吸声，基于材料吸声和孔板共振(穿孔吸声板、平面共振板组合使用)两种方式实现声音的消耗衰减，较尖劈及普通平板结构，使用吸声材料更少，占用空间更小；
3、本发明的消声结构采用异形多面体外形，使搭建的消声室内壁在平面的基础上，增加凹凸面，实现更好的多面吸声效果，兼具尖劈消声结构多面吸声优点，实现消声室内立体字母数字造型，兼具消声及装饰作用；
4、本发明具有较宽的消声频率，在消声结构总厚度为430mm时，能够实现截止频率达到50Hz(尖劈要达到50Hz截止频率，需要1700mm厚度以上)，可实现更低的截止频率，满足紧凑空间高吸声系数低截止频率要求。
5、本发明结构简单，加工方便，吸声结构采用模块化设计，方便安装和拆卸，可重复利用，施工方便；
附图说明
图1为本发明第一种实施例的结构示意图；
图2为本发明第二种实施例的结构示意图
图3为本发明第三种实施例的结构示意图；
图4为本发明第四种实施例的结构示意图。
附图中：1-外框架，11-穿孔板，
2-纵向吸声模块，3-穿孔吸声板，4-横向吸声模块，5-螺栓，6-墙壁或天花板或地面，7-平面共振板，8-空腔，9-多孔吸声材料，10-封装布
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
在本实施例中，以墙壁或天花板或地面为后端。
如图1所示的一种阻抗复合宽频消声结构，包括外框架1、穿孔吸声板3、多个纵向吸声模块2和横向吸声模块4，所述外框架1由若干穿孔板11拼接形成，拼接方式采用冲压、焊接、铆接、粘接中的一种拼接形成多面体结构的外框架，多面体结构形式有矩形、锥形或各种异形结构，穿孔板材料一般采用经防腐处理后的钢板或其他金属材料板，穿孔板的穿孔率在50％以上，孔径范围优选一般在5mm-10mm，外框架具有一个开口部，当消声结构被固定在室内墙壁、天花板和/或地面上时，外框架的开口部朝向室内墙壁、天花板和/或地面的表面。
所述穿孔吸声板3固定于外框架1内，包括朝向所述外框架开口部的后部和位于相反侧的前部，在本实施例中，所述穿孔吸声板3通过卡扣、焊接等方式固定于外框架1上，穿孔吸声板的穿孔率，即相对于吸声板面积的孔面积的比率优选5％-50％，当穿孔率低于5％时，无法形成足够的气柱共振消声结构，消声效果有限，且在该穿孔吸声板面产生较多声反射，不能充分利用后部空间的消声能力；高于50％时，由于孔太密集，其孔与后部空间形成单个气柱会相互影响，不能形成独立的气柱共振消声结构，影响穿孔吸声板功能。
所述纵向吸声模块2设置于外框架1和穿孔吸声板3前部之间，纵向吸声模块2采用间隙排列布置，其一端通过环保胶水粘连或卡装形式固定于外框架开口部的相反侧，纵向吸声模块2的空隙率采用35％-70％，空隙率是指空隙体积占总体积的比重，比值35％-70％，空隙率过低，流阻会很大，影响吸声效果；空隙率过高(材料本身空隙率并不是很高，只能通过提高间隙空间实现)，流阻虽然比较好，但是吸声材料过少，同样达不到较好的吸声效果。
如图2、图3所示，在本实施例中，所述纵向吸声模块2的截面可以是矩形面，亦可以是弯折面，纵向吸声模块采用多个间隙排列布置，并保证一定比例的空隙率，能够使消声结构具有最佳的流阻，当声波穿过时，能更好的通过与多孔材料纤维摩擦消耗能量，减少声反射。
所述横向吸声模块4，设置于穿孔吸声板3的后部和外框架1的开口部之间并固定在外框架1内，在本实施例中，所述横向吸声模块4通过环保胶水粘连或卡装形式与外框架1固定；
如图2-图4所示的第二、第三和第四种实施例的一种阻抗复合宽频消声结构，包括外框架1、穿孔吸声板3、多个纵向吸声模块2、横向吸声模块4和平面共振板7，这几种实施例除了在第一种实施例中增加了平面共振板外，其余都与第一种实施例相同。
图2-图4中示出的平面共振板7，设置于横向吸声模块4与外框架1的开口部之间，平面共振板7通过卡扣、焊接等方式固定于外框架1内，平面共振板7与穿孔吸声板3组合使用，通过板振动产生共振实现声音的消耗衰减，穿孔吸声板3及平面共振板7材质均采用钢板或其他金属板，平面共振板7无穿孔，金属板厚度以及穿孔吸声板3与平面共振板7间距，以及平面共振板7与外框架开口部的间距根据实际要求匹配尺寸。
如图2、图3所示，在第二种实施例、第三种实施例中，平面共振板7和外框架1的开口部之间也固定安装有横向吸声模块4，通过环保胶水粘连或卡装形式固定在外框架1内。
当然，如图4所示的第四种实施例中，在某些匹配情况下，平面共振板7和外框架1的开口部之间也可以不放置横向吸声模块4，该空间空置，形成空腔8，比如截止频率不需要达到50Hz，只需要达到60-70Hz，由于其前部放置的吸声模块已经较多，能够达到声能衰减目标的情况。
为了实现更好的宽频吸声效果，亦可根据需要，在平面共振板7和穿孔吸声板3后部之间设置若干个不同间距的穿孔吸声板3，相邻的穿孔吸声板3间放置横向吸声模块4，穿孔吸声板通过卡扣、焊接等方式固定于外框架内。
对于低频吸声要求不高的情况时，比如最低截止频率为100Hz时，可以采用如图1所示的第一种实施例的消声结构，不设置平面共振板7及穿孔吸声板3与平面共振板7间的横向吸声模块4；
采用如图2、图3所示的第二种和第三种实施例的消声结构，能够实现比较低的截止频率，比如50Hz，而第四种实施例不放置横向吸声模块，预留空腔，也能做到比较低的截止频率，如60Hz，当截止频率要求不需要达到50Hz时，比如60-70Hz，就可以选用第四种实施例，根据消声室需要达到的最低截止频率目标值选用不同的实施例。
本发明中，所述纵向吸声模块2和横向吸声模块4均采用多孔质吸声材料9制成，多孔质吸声材料9为玻璃纤维，采用定制模具切割，整体填装，保障玻璃纤维完整无碎屑，多孔质吸声材料还可以是其他棉麻天然纤维、化学纤维的一种或几种组合，同时根据需要，可以叠放多种不同容重的吸声材料，以保持该阻抗复合消声结构更好的流阻。
本发明中，在所述纵向吸声模块2和横向吸声模块4的外部包裹有封装布10，封装布10材质采用玻璃棉或其他材质，只要所使用的材质化学成分稳定，防火防腐，网状多孔，穿孔率高，易于声波进入即可，使用封装布能够防止吸声材料外漏。
若干组合形成的阻抗复合宽频消声结构通过螺栓5或其他固定方式固定安装在室内的墙壁6以及天花板和/或地面上，构建形成自由场或半自由场的声学环境。
本发明的消声原理及过程：
当声波入射到消声结构表面时，通过外框架上的穿孔金属板小孔进入消声结构内部，在第一层纵向吸声模块，声波进入多孔吸声材料，引起孔隙内的空气和材料本身振动，空气的摩擦和黏滞作用，消耗掉声波能量(恰当的间隙设置，保证了良好的流阻特性，利于声波进入，降低声反射，增加声波的能量衰减量)。一部分声波透过多孔吸声材料到达穿孔吸声板，其中少部分声波会反射再次经过多孔吸声材料，声能又一次被吸收，如此往复衰减。该层主要衰减中高频率噪声(300Hz以上)
部分声波会入射进入第二层穿孔吸声板(按一定的孔径和穿孔率穿上孔，在背后留下一定厚度的空气层，就构成穿孔板气柱共振吸声结构)，穿孔吸声板运用小孔气柱共振消声原理，入射声波激发孔颈中空气柱(类似弹簧)往复运动，与颈壁摩擦，部分声能转化为热能而耗损，达到吸声目的。当入射声波的频率与气柱共振器的固有频率相同时，发生共振，空气柱运动加剧，振幅和振速达最大，阻尼也最大，消耗声能最多，吸声性能最好。在空气层中，放置横向吸声模块，可以进一步通过多孔吸声材料的摩擦和粘滞作用衰减部分声波能量。该层主要衰减低频(300Hz以下)噪声。
当残余声波入射到平面共振板上时，将激起板面振动，使板发生弯曲变形，由于板和固定支点之间的摩擦，以及板本身的内阻尼，使一部分声能转化为热能损耗，声波得到衰减。当入射声波频率f与薄板共振吸声结构的固有频率一致时，产生共振，消耗声能最大。该层主要衰减低频(300Hz以下)噪声，设置的衰减主频率(即共振频率)与穿孔吸声板的衰减主频率区隔开，以组合实现更宽的低频消声效果。
极少量声波透射穿过平面共振板，进入到底部空腔，通过横向吸声模块，可以进一步通过多孔吸声材料摩擦和粘滞方式消耗掉该剩余声波能量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (8)
1.一种阻抗复合宽频消声结构，其特征在于：包括：
外框架，所述外框架由若干穿孔板拼接形成，具有一个开口部；
穿孔吸声板，固定于外框架内，包括朝向所述外框架开口部的后部和位于相反侧的前部；
多个纵向吸声模块，设置于外框架和穿孔吸声板前部之间，纵向吸声模块之间间隙排列布置，纵向吸声模块的一端固定于外框架，所述纵向吸声模块的空隙率为35％-70％，纵向吸声模块的截面为矩形面或弯折面；
横向吸声模块，设置于穿孔吸声板的后部和外框架的开口部之间并固定在外框架内；
所述纵向吸声模块、横向吸声模块均包括多孔质吸声材料；
所述阻抗复合宽频消声结构至少固定安装在室内的墙壁以及天花板上。
2.一种阻抗复合宽频消声结构，其特征在于：包括：
外框架，所述外框架由若干穿孔板拼接形成，具有一个开口部；
穿孔吸声板，固定于外框架内，包括朝向所述外框架开口部的后部和位于相反侧的前部；
多个纵向吸声模块，设置于外框架和穿孔吸声板前部之间，纵向吸声模块之间间隙排列布置，纵向吸声模块的一端固定于外框架，所述纵向吸声模块的空隙率为35％-70％，纵向吸声模块的截面为矩形面或弯折面；
横向吸声模块，设置于穿孔吸声板的后部和外框架的开口部之间并固定在外框架内；
所述纵向吸声模块、横向吸声模块均包括多孔质吸声材料；
平面共振板，设置于横向吸声模块与外框架的开口部之间，所述平面共振板固定于外框架，用于与穿孔吸声板组合使用，由板振动产生共振消耗衰减声音；
所述阻抗复合宽频消声结构至少固定安装在室内的墙壁以及天花板上。
3.根据权利要求2所述的一种阻抗复合宽频消声结构，其特征在于：所述平面共振板和外框架的开口部之间还设有横向吸声模块。
4.根据权利要求1所述的一种阻抗复合宽频消声结构，其特征在于：所述多孔质吸声材料为玻璃纤维、棉麻天然纤维、化学纤维其中的一种或几种组合。
5.根据权利要求1所述的一种阻抗复合宽频消声结构，其特征在于：所述纵向吸声模块、横向吸声模块的外部均包裹有封装布，用于防止吸声材料外漏，所述封装布材质为玻璃棉。
6.根据权利要求2所述的一种阻抗复合宽频消声结构，其特征在于：所述穿孔吸声板和平面共振板材质为金属板，穿孔吸声板的穿孔率为5％-50％。
7.根据权利要求1或2所述的一种阻抗复合宽频消声结构，其特征在于：所述穿孔板采用冲压、焊接、铆接、粘接中的一种拼接形成多面体结构的外框架，穿孔板的穿孔率为50％以上，孔径为5mm-10mm。
8.根据权利要求2所述的一种阻抗复合宽频消声结构，其特征在于：在所述平面共振板和穿孔吸声板后部之间设置有若干个穿孔吸声板，相邻的穿孔吸声板之间均设置横向吸声模块，穿孔吸声板固定于外框架内。
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