CN111489730B

CN111489730B - 一种阻抗复合型薄膜消声器

Info

Publication number: CN111489730B
Application number: CN202010248115.8A
Authority: CN
Inventors: 奚延辉; 蒋泉源; 王小鹏
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2040-04-01
Also published as: CN111489730A

Abstract

本公开揭示了一种阻抗复合型薄膜消声器，包括：多个阵列排列的薄膜消声单元，每个薄膜消声单元包括薄膜、支撑框架和背腔，其中，所述支撑框架包括第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板和第二支撑板通过支撑部件固定；所述第一支撑板和第二支撑板的内表面分别覆盖有薄膜；所述第一支撑板和第二支撑板的外表面分别固定有背腔；所述背腔内填充有多孔材料。本公开可以实现在基本不改变管道结构和不占据额外空间的基础上达到低频宽带的声衰减效果，优先适用于地铁或者动车组或者重型卡车的空调管道的消声要求；本公开通过多结构改进，可以出现不同频段的声衰减，从而实现低频宽带消声目标，一定程度上达到宽带吸声效果。

Description

一种阻抗复合型薄膜消声器

技术领域

本公开属于机械噪声与环境噪声控制领域，具体涉及一种阻抗复合型薄膜消声器。

背景技术

在日常生产生活中，无时无刻都充斥着各种噪声，严重影响人们的各种活动，比如影响睡眠和休息，妨碍交谈，干扰工作，使听力受到损害，甚至引起神经系统、心血管系统、内分泌系统、消化系统等方面的疾病；所以有人称噪声为“致人死命的慢性毒药”。尤其是低频噪声，由于其频率低、波长较长，在空气中衰减慢且穿透能力强，对其的控制更是一项艰巨的挑战，因而传统材料因其微弱的内在损耗而难以达到有效的声衰减效果。直到21世纪初声学超材料的出现，为噪声控制带来了新的途径与希望。声学超材料作为一种人工复合材料，因其具有一些异常等效参数，从而可以实现对声波的控制，如声聚焦、单向传输以及低频隔声与吸声等。近年来，基于局域共振原理的声学超材料，尤其是薄膜型声学超材料成为声学研究的热点。薄膜型声学超材料最早于2008年被提出，它由薄膜、附加质量块和支撑框架三部分组成，圆形弹性薄膜上固定质量块，并将薄膜固定在骨架上，在低频范围内实现有效隔声和吸声，并且厚度低于毫米级，实现了轻质低频。由于现有的一些消声器受到局域共振原理的限制，存在隔声峰单一，且频带较窄的缺点。尤其是对于管道来说，一般内部有气体或者液体流动，不能采用隔声屏障的方法阻碍其流动，同时，一般来说，管道周围有许多障碍物，对消声器的尺寸有一定的限制。对于具体的应用对象——列车送风管道来说，由于其位于列车顶部，空间非常狭窄，而且其噪声在较宽频带内能量较大，现有的一些消声器受到其体积的限制，存在体积较大、隔声峰单一和频带较窄等缺点。因此，设计一种用于管道噪声控制的紧凑型宽带噪声控制的消声器就成了比较紧要的工作。

考虑到具体的工程应用背景，比如列车或者重型卡车的空调通风管道，轮轨噪声和空调压缩机产生的结构噪声通过送风管道其传递到舱室内，影响乘客乘车舒适性。由于通风管道的实际情况，适用于该种通风管道的消声器需满足三个要求：①在中低频(600-900Hz)较宽频带内对噪声进行衰减并满足TL≥5-6dB；②消声器不能阻碍气流的流动，避免引起较大的压力损失；③所设计的消声器应避免占用较大空间，尽量不改变原有管道结构。因而对于薄膜型声学超材料的应用研究，应以此为指导方向。目前已有的超材料型管道消声器的研究中还存在以下几点问题：

1)目前对声学超材料消声器的理论与实验研究主要集中在单元元胞研究上，即基于单个薄膜的结构和性能进行研究。然而对于实际工程应用，由于管道具有一定尺寸，需要薄膜型声学超材料复合板具有一定大的尺寸，此时复合板中包含多个单元结构，因此其有限元仿真模型需要进行一定的修正，以使得仿真结果更加贴近工程应用环境下的实际隔声特性。

2)大多数管道消声器属于旁插管结构，共振频率与颈部长度、颈部面积以及腔体体积有关，为了满足低频共振的要求，一般将赫姆霍兹共振腔的腔体体积设计的比较大、颈部较长，导致在一些狭窄的地方无法使用，在实际工程应用上有比较大的限制。此外，其只能在共振频率点处有较强的声衰减能力，但是其消声频带相对较窄；

3)一些薄膜型声学超材料单元结构过于复杂需要精确加工以保证共振频率的准确性，因而样件制作过程复杂且耗时，不利于实际工程应用。

4)由于薄膜型声学超材料其低频吸声是基于局域共振原理，只在共振频率点处有较强的声衰减能力，但是其消声频带相对较窄，而实际工程应用中，绝大多数工况下所需要吸收宽频噪声，因而需要采取措施拓宽其吸声带宽。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种阻抗复合型薄膜消声器，能够实现在基本不改变管道结构、基本不占据额外空间的前提下达到低频宽带的声衰减效果，能够优先适用于地铁或者动车组或者重型卡车的空调管道的消声要求。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种阻抗复合型薄膜消声器，包括：多个阵列排列的薄膜消声单元，每个薄膜消声单元包括薄膜、支撑框架和背腔，其中，

所述支撑框架包括第一支撑板、第二支撑板和支撑部件，所述第一支撑板和第二支撑板通过支撑部件固定；

所述第一支撑板和第二支撑板的内表面分别覆盖有薄膜；

所述第一支撑板和第二支撑板的外表面分别固定有背腔；

所述背腔内填充有多孔材料。

优选的，所述第一支撑板和第二支撑板通过长条框固定。

优选的，所述第一支撑板和第二支撑板通过多个矩形框固定。

优选的，所述第一支撑板和第二支撑板之间通过多个宽度成梯度增加的上下两边固支矩形框固定。

优选的，所述薄膜上加载有质量块。

优选的，所述薄膜的宽度为10-100mm，长度为100-500mm，厚度为0.175-0.2mm。

优选的，所述薄膜包括如下任一：PET膜、硅胶膜和尼龙膜。

优选的，所述背腔的高度为10-30mm。

优选的，所述支撑框架采用如下任一材料制备：ABS树脂、铝和钢。

优选的，所述多孔材料包括如下任一：三聚氰胺海绵、泡沫铜、泡沫铝和多孔碳化硅。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、可以实现在基本不改变管道结构、基本不占据额外空间的基础上达到低频宽带的声衰减效果，可优先适用于地铁或者动车组或者重型卡车的空调管道的消声要求；

2、通过多结构改进，可以出现不同频段的声衰减，从而实现低频宽带消声目标，一定程度上达到宽带吸声效果。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种阻抗复合型薄膜消声器的结构示意图；

图2是本公开一个实施例提供的在图1所示结构基础上均匀放置质量块，并将两边支撑改为四边支撑的结构示意图；

图3是本公开一个实施例提供的将图1所示的两个短边支撑替换为四边支撑并添加长条形框的结构示意图；

图4是本公开一个实施例提供的在图3所示结构的两个框内均匀放置质量块的结构示意图；

图5是本公开一个实施例提供的在图3所示结构的框增加边界，形成长度成梯度排布的矩形单元的结构示意图；

图6是本公开一个实施例提供的在图5所示结构的矩形单元中间放置质量块的结构示意图；

图7是本公开一个实施例提供的在将薄膜做成长度相同高度不同的局域共振单元(共20个)放置在铝板上，上下两条短边各自固定支撑的结构示意图；

图8是本公开一个实施例提供的为图1所示消声器进行有限元分析的仿真模型；

图9是本公开一个实施例提供的图1所示薄膜型管道消声器基础单元结构尺寸示意图；

图10是本公开一个实施例提供的图1所示消声器的有限元仿真传递损失曲线；

图11是本公开一个实施例提供的图1所示消声器的有限元仿真各特性系数曲线；

图12是本公开一个实施例提供的图1所示消声器分别在600Hz、730Hz、860Hz和980Hz处声流流线；

图13是本公开一个实施例提供的图2所示改进结构的消声器的有限元仿真传递损失曲线；

图14(a)、图14(b)、图14(c)、图14(d)分别为图3、4、5、6所示改进型消声器的有限元仿真传递损失曲线；

图15是本公开一个实施例提供的图7所示改进结构的消声器的有限元仿真传递损失曲线。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图15详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，本公开提供一种阻抗复合型薄膜消声器，包括：多个阵列排列的薄膜消声单元，每个薄膜消声单元包括薄膜1、支撑框架2、和背腔4，其中，所述支撑框架2包括第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板和第二支撑板通过支撑部件固定；所述第一支撑板和第二支撑板的内表面分别覆盖有薄膜1；所述第一支撑板和第二支撑板的外表面分别固定有背腔4；所述背腔4内填充有多孔材料3。

本实施例将柔性薄膜平齐安放于管路中，由于管内声波和柔性薄膜之间的耦合作用，柔性薄膜上轴向传播的声波的波速大大小于声波在自由空间中的声速。同时，为了阻止“声泄露”，薄膜的外部还需要覆盖有一个刚性壁面构成的背腔。壁面上波速的降低在管道内营造了阻抗失配条件，在管内声激励作用下，张紧的膜片和其背后空腔耦合形成的声学单元会在低频范围内发生共振，与乐器中的鼓类似，这种共振会向管道上游和背腔反射声波，最终降低了下游传播的透射波幅值，进而形成了声反射(反射式抗式消声器原理)。此外，通过在背腔中添加多孔材料，由薄膜振动进入背腔的声波可以被其吸收(吸收式阻式消声器原理)，降低了背腔中声波作用在薄膜上的的辐射声压，使薄膜振动更为剧烈，提高了其作用效率。

结合前文所述，如果背腔内只有薄膜，由于壁面上波速的降低在管道内营造了阻抗失配条件，在管内声激励作用下，张紧的膜片和空腔耦合在低频范围内发生共振形成了声反射。如果背腔中只有多孔材料，进入背腔的声波可以被其吸收。通过组合薄膜和多孔材料，可以降低背腔中声波作用在薄膜上的的辐射声压，使薄膜振动更为剧烈，一部分声波被反射回管道上游，一部分声波通过薄膜辐射进入背腔中被多孔材料吸收掉，故本公开可以看成是阻抗复合型式薄膜消声器。

能够理解，本公开适用于狭窄空间通风管道的噪声控制，原因在于：现有的一些消声器，例如膨胀腔消声器，在膨胀比(膨胀后的横截面积/管道横截面积)为3时最大传递损失只有5dB，要达到10dB的要求其膨胀比还要更大，占用更多空间。本公开在等效膨胀比(加了背腔后的横截面积/管道横截面积)为1.6(管道高度+2*背腔高度＝160mm/管道高度＝100mm)时其消声性能可以做到传递损失最小10dB，最大25dB。因此，本公开相较于现有的消声器特别适用于具有“狭窄空间”的宽带低频情况的消声要求。

在本实施例的一个具体应用中，如图1所示，第一支撑板和第二支撑板的短边通过2个支撑片固定，需要特别强调的是，本实施例所示结构不限于图1所示，其他方式具体在后续实施例中做详细描述。

基于上述实施例所述的消声器结构，为了理论分析本公开所述消声器的吸声特性，采用大型商用有限元软件COMSOL Multiphysics5.4的声-固耦合频域分析模块(Acoustic-Solid Interaction，Frequency Domain Interface)建立复合板的有限元仿真仿真模型，如图8所示。整个模型由入射声腔21和薄膜型消声器单元结构22两部分组成。当平面声波从平面波辐射面20入射，经过管道内部空气和膜板型消声器，从平面波辐射面23出射，此时内部空气域中包含入射声压P_i、反射声压P_r和透射声压P_t，因而据此可计算该消声器的传声损失STL，如下式所示：

其中，

为入射声能，

透射声能，ρ₀为管道内气体密度，co为管道内气体声速。

定义入射声压为1Pa，频率扫描频段为200Hz-1200Hz，步长为10Hz。有限元仿真得到薄膜型声学超材料消声器的传递损失曲线如图10所示，从中可以发现一个610-980Hz的较高消声频段(TL＞10dB)，其中，在730Hz和865Hz处各有一个声衰减的峰值点，消声量分别达到了19dB和17dB。从图11结构各系数曲线图可以看出，该消声器的作用机理为低频处声吸收和声反射同时作用，高频处主要是吸声作用。为了揭示其背后的作用机理，分别计算提取消声器在传递损失曲线开始频率610Hz、结束频率980Hz和峰值点730Hz、865处的声能量流云图，如图12所示，从中可以明显发现：在610Hz处，超材料板左侧薄膜单元结构处于共振状态，由于薄膜的振动和辐射作用，声波一方面进入背腔后在多孔介质中运动并剧烈摩擦，声能量转化为热量并被消耗掉；在730Hz处，中间位置薄膜的振动位移达到最大，此时薄膜对声波的反射能力达到最大并且在管道内产生了涡旋作用；在865Hz处，背腔内的多孔材料处于共振状态，此时吸声系数达到最大，声能量最大程度的转化为热能；在980Hz，薄膜的反射作用基本消失，同时由于频率已经高于多孔材料共振频率，背腔内的多孔材料吸声作用逐渐减弱，声能量转化为热能的能力逐渐下降。从图11、图12可以看出，在较高的传递损失频带内(610Hz-980Hz)，声衰减产生的原因是由于几个方面共同作用，①薄膜发生较大的法向位移，从而使一部分声能转化为薄膜的弹性应变能并进一步消耗掉；②薄膜在声波激励下发生法向位移，将声波一部分反射回管道上游；③薄膜振动将大量声波辐射进入背腔并与多孔材料进行摩擦后转化为热能耗散掉，从而出现较高的传递损失。基于上述分析，可以看出本公开所设计的消声器实现低频宽带吸声是基于声吸收和声反射共同作用，属于典型的阻抗复合型消声器。

另一个实施例中，如图2所示，所述薄膜上加载有质量块。

本实施例中，可在图1所示结构的基础上在每个单胞的矩形膜上面加载质量块，同时考虑样件的加工制作，为了使用现成的金属垫片作为质量块，将质量块的结构设计为圆环形，质量块材料选择304型不锈钢，其弹性模量、密度和泊松比分别为：194GPa、7930kg/m³、0.3，具体尺寸为：外径6mm、内径2.5mm、高度0.5mm，质量为0.088g，由于放置质量块的质量很小，因而对整个薄膜的重量影响几乎可以忽略不计。采用相同的有限元仿真方法进行仿真，其传递损失曲线如图13所示，从中可以明显发现消声量有效作用频带由610-980Hz减小到了500-925Hz，在基本不改变消声器原有结构的基础上向低频偏移了120Hz，同时增加了近50Hz的作用带宽。与图10的声衰减频带类似，图13的传递损失曲线出现的原因也是因为薄膜在声波激励下声吸收和反射共同作用，只是共振频率更低一些，同样属于典型的阻抗复合型消声器；与图10相比，图13传递损失曲线的分贝值更高，在805-860Hz区间内有一个约为55Hz的频带其传递损失高于20dB，这是由于薄膜上放置质量块之后，薄膜在相同声波作用下惯性更大，运动位移更大，能够辐射更多声波进入多孔材料，损耗更多声能量。

另一个实施例中，如图3所示，将图1所示的将第一支撑板和第二支撑板之间通过支撑片固定改为通过长条框固定。

本实施例中，将图1所示的第一支撑板和第二支撑板的短边由支撑片固定改为图3所示的第一支撑板和第二支撑板的长边和短边均由长条框固定，所产生的消声效果如图14(a)所示，在340-715Hz的频段上TL≥5dB，TL峰值(第一阶共振频率)出现在480Hz处。

与图1相比，图3的TL曲线峰值频率更低，因此可以应用在有更低频率噪声控制需求的场景，在满足实际工程需求的前提下，消声器作用频率越低，越有价值。

另一个实施例中，如图4所示，图3所示长条框的相应位置放置与图2结构相同的质量块，由于增加了等效质量，图4所示结构产生的消声效果如图14(b)所示，由于：

其中，f_r为结构共振频率，k为结构等效刚度，m为结构等效质量，π为圆周率。

添加了质量块后，结构等效质量增大，共振频率会向低频方向移动，所以如图14(b)所示，其第一、二阶共振频率分别降到了440Hz和600Hz，其TL≥5dB的频段为330-690Hz。

另一个实施例中，如图5所示，所述第一支撑板和第二支撑板通过多个矩形框固定。

本实施例中，将图1所示的第一支撑板和第二支撑板之间通过2个支撑片固定改进为通过矩形框固定，在一个具体应用中，多个矩形框是由22个长度成梯度增加的四边固支矩形框组成，长度从20mm线性增加到70mm，使得图1所示的薄膜分为不同形状进行独立振动，从而分散了共振频率，所产生的消声效果如图14(c)所示，在380-890Hz的频段上TL≥5dB，TL峰值出现在730Hz处。进一步的，图6所示结构在各个矩形框的中心位置均匀放置与图2结构相同的质量块，由于增加了等效质量，其产生的消声效果如图14(d)所示。同理，添加了质量块之后，结构等效质量增大，共振频率会向低频方向移动，共振频率降到了470Hz，其TL≥5dB的频段为365-900Hz。

另一个实施例中，如图7所示，所述第一支撑板和第二支撑板之间通过多个宽度成梯度增加的上下两边固支矩形框固定。

本实施例中，通过增加支撑框架将薄膜分为相同长度、不同宽度的薄膜分别独立振动，矩形框宽度从22mm线性增加到60mm，从而分散了共振频率，其产生的消声效果如图15所示，在565-1200Hz的频段上TL≥10dB，TL峰值出现在970Hz处。

另一个实施例中，所述薄膜1的宽度为10-100mm，长度为100-500mm，厚度为0.175-0.2mm。

本实施例中，通过仿真软件对薄膜的长度、宽度及厚度进行参数化研究之后，发现在600-1000Hz频段内，当薄膜1的宽度设置为10-100mm，长度设置为100-500mm，厚度设置为0.175-0.2mm时，消声器性能最优，如果超出这个范围，消声器的性能会有一定程度的下降。

另一个实施例中，所述背腔4的高度为10-30mm。

本实施例中，由于背腔4的厚度不超过30mm，远低于f＝1000Hz时的声波波长(343mm)，因而具有在亚波长尺度上对管道声波进行控制的优点。另外，通过仿真软件对不同高度的背腔进行模拟仿真，可以证实当背腔的高度设置为10-30mm可以使得消声器的性能达到最优，如果超出这个范围，消声器的性能则有可能下降。

另一个实施例中，所述薄膜包括如下任一：PET膜、硅胶膜和尼龙膜。

本实施例选用的薄膜具有成本低、易获得以及由于其弹性模量较大而具有一定刚度的特点，在使用前不需要提前添加预紧力，更适合工程应用。其中，以PET膜为例，其密度p、弹性模量E和泊松比μ分别为：1450kg/m³，(6700+i*670)MPa，0.39，2.2*10⁵pa，其中，实部E₁为薄膜的储能模量，它与储存在薄膜中的弹性势能有关，虚部E₂为损耗模量，与耗散在材料中的能量有关。对于本公开所述消声器而言，薄膜的密度影响薄膜的振动模态(密度越大，共振频率越低，传递损失越小)，从而影响作用频率和传递损失量。

另一个实施例中，所述支撑框架2采用如下任一材料制备：ABS树脂、铝和钢。

本实施例中，根据不同的加工方法，支撑框架的材料不同，其中，ABS树脂适用于3D打印一体成型方法，铝和钢则适用于铣削加工方法。

另一个实施例中，所述多孔材料包括如下任一：三聚氰胺海绵、泡沫铜、泡沫铝和多孔碳化硅。

尽管以上结合附图对本公开的实施方案进行了描述，但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本公开权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本公开保护之列。

Claims

1.一种阻抗复合型薄膜消声器，包括：多个阵列排列的薄膜消声单元，每个薄膜消声单元包括薄膜、支撑框架和背腔，其中，

所述第一支撑板和第二支撑板的内表面分别覆盖有薄膜；

所述第一支撑板和第二支撑板的外表面分别固定有背腔；

所述背腔内填充有多孔材料。

2.根据权利要求1所述的消声器，其中，所述第一支撑板和第二支撑板通过长条框固定。

3.根据权利要求1所述的消声器，其中，所述第一支撑板和第二支撑板通过多个矩形框固定。

4.根据权利要求1所述的消声器，其中，所述第一支撑板和第二支撑板之间通过多个宽度成梯度增加的上下两边固支矩形框固定。

5.根据权利要求1所述的消声器，其中，所述薄膜上加载有质量块。

6.根据权利要求1-5中任一所述的消声器，其中，所述薄膜的宽度为10-100mm，长度为100-500mm，厚度为0.175-0.2mm。

7.根据权利要求6所述的消声器，其中，所述薄膜包括如下任一：PET膜、硅胶膜和尼龙膜。

8.根据权利要求1-5中任一所述的消声器，其中，所述背腔的高度为10-30mm。

9.根据权利要求1-5中任一所述的消声器，其中，所述支撑框架采用如下任一材料制备：ABS树脂、铝和钢。

10.根据权利要求1-5任一所述的消声器，其中，所述多孔材料包括如下任一：三聚氰胺海绵、泡沫铜、泡沫铝和多孔碳化硅。