CN111926933A - 一种基于亥姆霍兹共鸣器的可调频吸声板 - Google Patents

一种基于亥姆霍兹共鸣器的可调频吸声板 Download PDF

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Abstract

本专利提供了一种基于亥姆霍兹共鸣器的可调频吸声板，可根据厅堂混响时间的要求，调节吸声体的吸声量，拓宽吸声频带，实现宽频带范围内高效吸声。它包括若干个平行排列的可改变颈管长度而共振腔体积不变的可调频亥姆霍兹共鸣器单元，亥姆霍兹共鸣器单元内部具有圆柱形空腔；壳体上开有狭缝；C形开口圆筒与圆柱形空腔同轴；C形开口圆筒的圆筒壁上开有开口，开口一侧设置的空气挡板，将C形开口圆筒的圆筒壁与圆柱形空腔内壁之间的环缝分割成两部分，一部分是空气通道，一部分是非空气通道；所述空气通道把狭缝与C形开口圆筒上的开口连通，形成了亥姆霍兹共鸣器的颈管；通过转动C形开口圆筒，可以调节亥姆霍兹共鸣器单元的颈管长度。

Description

一种基于亥姆霍兹共鸣器的可调频吸声板
技术领域
本专利涉及一种基于亥姆霍兹共鸣器的可调频吸声板，属于建筑声学领域。
背景技术
厅堂室内音质取决于混响时间。对于有着不同使用功能与要求的剧院，为获得厅内良好的声学效果，它们的混响时间区间要求也各不相同，因此需要混响时间可调。现代厅堂采用可变吸声方法通过机械方式调节厅堂内的吸声材料类型和面积大小，从而改变厅堂的吸声量而改变混响时间。常用的可变吸声结构设计主要包括帘幕式、翻板式、百叶式、旋转式、升降式、空腔式吸声体等。这些可变吸声体存在的一些问题：(1)大多数针对中高频吸声，占据空间大，例如，帘幕式吸声体为了提高低频吸声效果，通过增加背后空腔的深度的措施来实现，而第一个吸声峰值频率点需要背后空腔深度为声波的四分之一波长，例如，如果需要吸收100Hz的声波，需要幕帘背后空腔的深度达0.86m。(2)这些可变吸声结构中多填充纤维类多孔吸音材料，长期使用，极易粉化和吸潮霉变，吸声性能大幅下降的同时还可能污染室内环境。例如，幕帘作为最早广泛使用的可调吸声装置采用的就是多孔纤维吸声材料，百叶式可调吸声体，其内部采用不同厚度和容重的玻璃棉，以满足声音的吸收；(3)改变墙体的外观，例如翻板式吸声体，为了增加厅堂的吸声，需要把吸声面翻出来，而减少厅堂的吸声，则需把反射面翻出来。
发明内容
为解决上述技术问题，本专利提供了一种基于亥姆霍兹共鸣器的可调频吸声板，可根据厅堂混响时间的要求，灵活调节吸声体的吸声量，并且可有效拓宽吸声频带，实现宽频带范围内高效吸声。
为实现上述目的，本专利采用的技术方案是：一种基于亥姆霍兹共鸣器的可调频吸声板,包括若干个平行排列的可调频亥姆霍兹共鸣器单元，所述的亥姆霍兹共鸣器单元是一个可改变颈管长度而共振腔体积不变的吸声体。
所述的亥姆霍兹共鸣器单元是一个内部具有圆柱形空腔的壳体；壳体上开有与圆柱形空腔相通的与圆柱形空腔轴线平行的狭缝；与圆柱形空腔同轴的“C”形开口圆筒的封闭两端转动设置在圆柱形空腔两端的侧壁上；“C”形开口圆筒的圆筒壁上开有与轴线平行的开口，开口一侧设置沿径向延伸的空气挡板，空气挡板与圆柱形空腔内壁滑动接触，将“C”形开口圆筒的圆筒壁与圆柱形空腔内壁之间的环缝分割成两部分，一部分是空气通道，一部分是非空气通道；所述空气通道把狭缝与“C”形开口圆筒上的开口连通，形成了亥姆霍兹共鸣器的颈管；“C”形开口圆筒内部为亥姆霍兹共鸣器的共振腔；通过转动“C”形开口圆筒，可以调节亥姆霍兹共鸣器单元的颈管长度。
上述的可调频吸声板,“C”形开口圆筒的一个封闭端具有伸出壳体一端的延伸端，延伸端上固定旋钮。
上述的可调频吸声板,在伸出延伸端的壳体外表面上具有指示旋钮转动角度的指示线。
上述的可调频吸声板,在旋钮外周上均布有多个球冠形凹坑，壳体外部设置与旋钮外周接触的弧形部，弧形部上开有弹簧槽，弹簧槽内设置弹簧和限位球，弹簧在常态时使得限位球与凹坑接触；当转动旋钮时，限位球克服弹簧的弹力而进入弹簧槽内。
上述的可调频吸声板,壳体呈长方体形。
上述的可调频吸声板,各亥姆霍兹共鸣器单元的颈管长度不同。
本申请中，亥姆霍兹共鸣器单元的共振腔即“C”形开口圆筒的内腔，开在壳体上的狭缝、“C”形开口圆筒的圆筒壁与圆柱形空腔内壁之间的空气通道、“C”形开口圆筒的圆筒壁上的开口组成了亥姆霍兹共鸣器单元的颈管。当转动“C”形开口圆筒时，带动开口处的空气挡板一起转动，改变空气通道的长度，从而改变颈管的长度。该亥姆霍兹共鸣器单元是一个颈管长度改变而共振腔体积不变的吸声体。
亥姆霍兹共鸣器单元可以根据吸声频带的要求，对尺寸进行优化设计；所述的吸声板可由金属、木板、塑料等硬质材料制成。
本专利的有益效果：(1)本专利设计的吸声板，不需要增加吸声板的厚度，通过调节颈管的长度，增加了吸声结构的声阻抗，实现了低频吸声；(2)多个吸声单元即亥姆霍兹共鸣器单元并联布置，并且每一个单元的颈管长度不同，因此吸声板就会产生多个振动模态，有多个吸声峰值。针对降噪频率范围，调节各个单元的颈管长度，使每一个单元的共振频率不一样，使吸声峰值相互错开，多个吸声峰值相互连接就会使得整体吸声系数变得平缓，从而产生低频宽频的吸声效果；(3)当各个吸声单元的空气挡板闭合了声波进入共振腔的通道，此时吸声板近似为反射体，吸声板吸声系数近似为零；(4)当各个吸声单元的颈管长度相同，声波经狭缝、空气通道、开口进入共振腔，吸声板将会在某一频率吸声；(5)由于采用多模态共振吸声原理，本专利吸声板内部不需要填充吸音棉，与传统的含纤维类吸声材料的吸声体相比，结构声学性能稳定，不存在二次污染。
附图说明
图1为吸声板的外形图；
图2为图1的仰视图；
图3为图1的B-B剖面图；
图4为图1的C-C剖面图；
图5为吸声板调节吸声频率的示意图；
图6为吸声板不同工作模式下吸声效果。
具体实施方式
如图1～4所示，本专利的基于亥姆霍兹共鸣器的可调频吸声板1,包括若干个平行排列的可调频亥姆霍兹共鸣器单元2，所述的亥姆霍兹共鸣器单元2是一个可改变颈管23长度而共振腔体积24不变的吸声体。
所述的亥姆霍兹共鸣器单元2由内部具有圆柱形空腔21的长方体壳体20和圆柱形空腔内嵌套的“C”形开口圆筒22组成。壳体20上开狭缝30，作为声波的入射口。圆柱形空腔21内两端侧壁加工出凹槽31；“C”形开口圆筒22的封闭两端嵌套在凹槽31内，与圆柱形空腔21同轴安装，凹槽对“C”形开口圆筒22起到支撑和密封作用。
所述的“C”形开口圆筒22将圆柱形空腔21分割成两部分：一部分是“C”形开口圆筒外壁与圆柱形空腔21内壁之间的环缝，一部分是亥姆霍兹共鸣器的共振腔24，即“C”形开口圆筒22的内腔。在“C”形开口圆筒上的开口32侧部，在“C”形开口圆筒外壁沿径向焊接一空气挡板25，空气挡板25与圆柱形空腔21内壁光滑接触，对环缝进行分割成两部分：一部分是空气通道23，一部分是非空气通道。所述空气通道23的两端与狭缝30和“C”形开口圆筒上的开口32相通，狭缝30、空气通道23和开口32形成了亥姆霍兹共鸣器单元的颈管。
如图2和图3所示，“C”形开口圆筒22右端具有伸出壳体一端的延伸端33，延伸端33经键销26与旋钮27连接。旋钮27外围有一系列半球形凹坑34，通过与限位球28的间隙配合来实现定位功能。壳体20伸出延伸端33的外表面的下部设置与旋钮外周接触的弧形部35，弧形部上开有弹簧槽，弹簧槽内设置压簧37和限位球28，压簧37在常态时使得限位球28与凹坑34接触。
旋钮27端部具有手柄271，转动旋钮上的手柄，通过延伸端33可带动“C”形开口圆筒22转动，从而调节“C”形开口圆筒22和其上的空气挡板25等在周向的角度。壳体20伸出延伸端33的外表面上通过强力胶粘结刻度盘，刻度盘上具有指示旋钮转动角度的指示线29。刻度盘上的指示线29与旋钮27的转动角度相匹配。当转动旋钮时，限位球28克服压簧的弹力而进入弹簧槽内。当旋钮转动到与指示线29相对应的角度时，限位球28的一部分位于凹孔34内。所述的“C”形开口圆筒22绕轴线转动，带动开口侧的空气挡板25一起转动，改变空气通道23的弧长，从而改变颈管的长度。
根据亥姆霍兹共鸣器的吸声原理，其吸声频率与颈管长度的l-1/2成正比，即颈管长度越大，吸声频率越低。本专利的吸声板由多个吸声单元并联布置，并且每一个单元的颈管长度不同，因此会产生多个共振模态，相应的有多个吸声峰值。将各个单元的颈管长度预先调整好，使每一个单元的共振频率不一样，使吸声峰值相互错开，多个吸声峰值相互连接就使得整体吸声系数变得平缓，就会在低频范围内产生一个大带宽。
根据室内混响时间的要求，本专利的吸声板可灵活调节吸声频率和频带宽度。如图5(a)所示，当转动旋钮27转至0°时，空气挡板25闭合了声波进入共振腔24的通道，此时吸声板近似为反射体，吸声板吸声系数近似为零；如图5(b)所示，当所有吸声单元的颈管长度相同，即旋钮27转动相同的角度时，吸声板将会在某一频率吸声；如图5(c)所示，如果需要宽频吸声，则预先调整好各个吸声单元的颈管的长度，使得每一个吸声单元的共振频率不同，就会使各吸声单元的吸声峰值错开，各吸声峰值的叠加，就会在低频范围内产生一个大带宽。
实施例：所述的基于亥姆霍兹共鸣器的吸声板1若干个平行排列的可调频亥姆霍兹共鸣器单元2组成，亥姆霍兹共鸣器单元2的共振腔24的半径为30mm，轴向长度为80mm，圆柱形空腔21的半径为40mm，空气通道23的截面面积S0＝3×80mm2；声波入口处狭缝30的深度为3mm，轴向长度为80mm；“C”形开口圆筒22的壁厚为2mm，其上开口32宽度为3mm。旋转“C”形开口圆筒22，调节角度，改变颈管23的长度，进行仿真实验，得到图5所示三种工作模式的吸声系数，如图6所示。当θ＝0°时亥姆霍兹共鸣器单元2的颈口关闭，吸声板1处于全反射工作状态，吸声系数基本上为零。当各亥姆霍兹共鸣器单元2都旋转相同的角度，如θ＝180°，此时吸声板处于单频吸声工作状态，对应的共振频率为245Hz；当各亥姆霍兹共鸣器单元2分别旋转不同的旋转角，如θ＝0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°，吸声板在172Hz～886Hz的频率范围内的吸声系数大于0.6，显然达到了低频宽带的吸声效果。

Claims (7)

1.一种基于亥姆霍兹共鸣器的可调频吸声板,包括若干个平行排列的可调频亥姆霍兹共鸣器单元；所述的亥姆霍兹共鸣器单元是一个可改变颈管长度而共振腔体积不变的吸声体。
2.如权利要求1所述的可调频吸声板,其特征是：所述的亥姆霍兹共鸣器单元是一个内部具有圆柱形空腔的壳体；壳体上开有与圆柱形空腔相通的与圆柱形空腔轴线平行的狭缝；与圆柱形空腔同轴的“C”形开口圆筒的封闭两端转动设置在圆柱形空腔两端的侧壁上；“C”形开口圆筒的圆筒壁上开有与轴线平行的开口，开口一侧设置沿径向延伸的空气挡板，空气挡板与圆柱形空腔内壁滑动接触，将“C”形开口圆筒的圆筒壁与圆柱形空腔内壁之间的环缝分割成两部分，一部分是空气通道，一部分是非空气通道；所述空气通道把狭缝与“C”形开口圆筒上的开口连通，形成了亥姆霍兹共鸣器的颈管；“C”形开口圆筒内部为亥姆霍兹共鸣器的共振腔；通过转动“C”形开口圆筒，可以调节亥姆霍兹共鸣器单元的颈管长度。
3.如权利要求2所述的可调频吸声板,其特征是：“C”形开口圆筒的一个封闭端具有伸出壳体一端的延伸端，延伸端上固定旋钮。
4.如权利要求3所述的可调频吸声板,其特征是：在伸出延伸端的壳体外表面上具有指示旋钮转动角度的指示线。
5.如权利要求3所述的可调频吸声板,其特征是：在旋钮外周上均布有多个球冠形凹坑，壳体外部设置与旋钮外周接触的弧形部，弧形部上开有弹簧槽，弹簧槽内设置弹簧和限位球，弹簧在常态时使得限位球与凹坑接触；当转动旋钮时，限位球克服弹簧的弹力而进入弹簧槽内。
6.如权利要求2所述的可调频吸声板,其特征是：各亥姆霍兹共鸣器单元的颈管长度不同。
7.如权利要求2所述的可调频吸声板,其特征是：壳体呈长方体形。
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