CN112185327A - 一种微缝低频吸声单元及具有其的嵌套式宽带吸声结构 - Google Patents
一种微缝低频吸声单元及具有其的嵌套式宽带吸声结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的一种微缝低频吸声单元及具有其的嵌套式宽带吸声结构，属于低频减振降噪技术领域。微缝低频吸声单元包括刚性壳体和设置在刚性壳体上的吸声面板，吸声面板和刚性壳体合围形成刚性背腔，吸声面板的一侧设有阶梯型微缝，阶梯型微缝与刚性背腔连通，阶梯型微缝的上端开口尺寸大于下端开口。嵌套式宽带吸声结构中若干微缝低频吸声单元在高度方向上连续叠加嵌套形成多层并联结构，所有阶梯型微缝的上端开口共面设置在顶板上；每个微缝低频吸声单元对应目标吸声频段的一个吸声峰值，嵌套式宽带吸声结构在低频范围内形成连续的多峰值吸声宽带。能够实现宽带低频噪声的高效吸收，且结构紧凑，吸声频段调整灵活，具有良好且广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于低频减振降噪技术领域，具体涉及一种微缝低频吸声单元及具有其的嵌套式宽带吸声结构。
背景技术
传统的吸声手段主要包括采用多孔吸声材料、穿孔板及赫姆赫兹共振腔结构等类型。然而，多孔吸声材料要求材料厚度达到波长的四分之一才能具有良好的吸声效果，对于低频噪声，对应的结构尺寸较大，实际应用比较困难。穿孔板能实现中高频的宽带吸声，但其低频吸声效果仍不尽人意。利用赫姆赫兹共振结构能够实现较好的低频吸声效果，但其尺寸仍然相对较大，且对应的吸声频带很窄，实际应用存在一定的局限性。因此，设计一种亚波长吸声结构来实现低频宽带吸声具有重要的意义。
近年来，随着声学超材料的迅速发展，为解决低频噪声问题提供了新的思路和方法。它能利用深度亚波长结构来实现低频吸声，其中，包含微缝结构的超材料也得到了人们的关注。然而，目前已有含微缝超材料多采用类传统的微缝吸声体结构，在特定较窄低频范围内具有一定吸声的效果，但低频吸声效果仍需进一步提高。同时，对于宽带吸声，目前主要是利用多个吸声单元并联耦合而产生对应多个连续峰值来实现。然而，常规的多吸声单元并联必然导致吸声面板尺寸成倍增加，使结构平均阻抗快速变化，限制结构的宽带吸声效果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种微缝低频吸声单元及具有其的嵌套式宽带吸声结构，能够实现宽带低频噪声的高效吸收，且结构紧凑，吸声频段调整灵活，具有良好且广泛的应用前景。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种微缝低频吸声单元，包括刚性壳体和设置在刚性壳体上的吸声面板，吸声面板和刚性壳体合围形成刚性背腔，吸声面板的一侧设有阶梯型微缝，阶梯型微缝与刚性背腔连通，阶梯型微缝的上端开口尺寸大于下端开口。
优选地，阶梯型微缝的阶梯数为1～5。
优选地，每阶阶梯的宽度相等，阶梯型微缝的宽度为0.3～3mm。
优选地，刚性壳体的高度大于2mm。
本发明公开的一种嵌套式宽带吸声结构，包括若干权利要求1～4任意一项所述的微缝低频吸声单元，若干微缝低频吸声单元在高度方向上连续叠加嵌套形成多层并联结构，所有微缝低频吸声单元的阶梯型微缝的上端开口共面设置在嵌套式宽带吸声结构的顶板上；每个微缝低频吸声单元对应目标吸声频段的一个吸声峰值，嵌套式宽带吸声结构在低频范围内形成连续的多峰值吸声宽带。
优选地，每层微缝低频吸声单元的数量为1～4。
优选地，每层微缝低频吸声单元的阶梯型微缝的深度与其上方相邻微缝低频吸声单元的高度相等。
优选地，刚性背腔的截面积由上至下逐层增大，每层增大的截面积数值为该层单元所对应的顶板处微缝截面积。
优选地，所有微缝低频吸声单元的阶梯型微缝在顶板上的各个方向上分散设置。
优选地，若干微缝低频吸声单元按吸声峰值频率值由上到下依次设置，吸声峰值频率最高的微缝低频吸声单元设在嵌套式宽带吸声结构的顶层，吸声峰值频率最低的微缝低频吸声单元设在嵌套式宽带吸声结构的底层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种微缝低频吸声单元，吸声面板上设置的开口宽度由上至下递减的阶梯型微缝，结构阻抗逐层改变而更加接近空气阻抗，当空气流入阶梯型微缝进入刚性背腔的过程中，高速流动的空气通过阶梯型微缝产生强烈摩擦，且空气速度在阶梯型微缝结构中随着深度的增加而增大，消耗大量能量，可实现更低频的高效吸声。同时阶梯型微缝设置在吸声面板的一侧，使得微缝低频吸声单元具有更好的低频吸声特性，同时，更便于多结构并联组合，满足多种工况的使用。
进一步地，阶梯型微缝的阶梯数为1～5，更易于使吸声单元表面阻抗与空气阻抗匹配，实现良好吸声。同时，阶梯数越多，对应的可调整参数越多，为吸声结构的吸声效果精细调整提供了更多可能。但如果阶梯数增大至5以上，吸声效果虽有改进，但改进的效果逐渐减弱，且结构的复杂度明显增大，实际应用难度加大。
进一步地，每阶阶梯的宽度相等，阶梯型微缝的宽度为0.3～3mm，微缝宽度是影响吸声单元表面阻抗的关键因素，缝宽过小，声阻过大，声波很难流入背腔而实现高效吸声。缝宽过大，空气粒子在微缝处的流速明显变小，与微缝壁摩擦损失降低，起不到耗能作用。
进一步地，刚性壳体的高度大于2mm，刚性壳体厚度过小，需考虑背腔中的摩擦损耗的影响，增加设计难度，且不便于实际加工应用。若所需吸声峰值对应的刚性壳体厚度的确实较小，可以通过缩小单元的长或宽来增大壳体厚度。
本发明公开的包括上述微缝低频吸声单元的嵌套式宽带吸声结构，若干微缝低频吸声单元在高度方向上连续叠加嵌套形成多层并联耦合结构，在目标吸声频段确定的情况下，通过对微缝低频吸声单元参数的计算和设计，使每个微缝低频吸声单元对应的吸声峰值连续平均分配到目标吸声频段，从而，可以在较宽的低频范围内形成多个峰值连续的宽带吸声。同时，嵌套式的组合，使得两个或多个吸声单元组合后的吸声面板尺寸增加量显著减小，和传统并联组合结构的吸声面板尺寸是单元个数的倍数相比，吸声面板小的多，占用面积小，能够实现更多微缝低频吸声单元的组合，形成吸声频带更宽的紧凑型吸声体，能够广泛应用在多种工况条件下。
进一步地，每层微缝低频宽带吸声单元的数量为1～4，每层布置单元的个数根据所需吸声峰值情况来确定，常规可选一个，但当所需多个吸声峰值对应的单元刚性壳体厚度均过小(＜2mm)时，可以考虑将多个单元布置在一层。当一层包含4个单元时，仍可以将四个单元布置在一层四周，但当单元个数继续增多后，嵌套结构复杂度明显提升，不利于实际应用。
进一步地，每层微缝低频宽带吸声单元的阶梯型微缝的深度与其上方紧邻微缝低频吸声单元的高度相等。如此布置，能够最终使各单元的微缝顶端共面，保持顶板平齐，便于实际应用。
进一步地，刚性背腔的截面积由上至下逐层增大，每层增大的截面积为该层单元所对应的顶板处微缝截面积，如此布置，可借助上层单元壁面形成下层单元微缝，且能够使嵌套单元最终形成规则的长方体结构便于实际应用。
进一步地，所有微缝低频吸声单元的阶梯型微缝在顶板上的各个方向上分散设置，有易于降低多单元之间的耦合，便于实现单个吸声峰值的调整，最终达到所需吸声效果。
进一步地，若干微缝低频吸声单元按吸声峰值频率值由上到下依次设置，吸声峰值频率最高的微缝低频吸声单元设在嵌套式吸声结构的顶层，吸声峰值频率最低的微缝低频吸声单元设在嵌套式吸声结构的底层，由于微缝厚度能明显改变结构表面的声阻抗，厚度增大，可使吸声峰值频率向低频移动，若将低频布置在最下层，借助大的微缝厚度，可以有效降低单元壳体厚度，缩小结构尺寸。若将高频单元布置到下层，可能会使得对应的壳体厚度过小，甚至无法达到所需的吸声峰值。
附图说明
图1为本发明的微缝低频吸声单元的整体结构示意图；
图2为图1的剖视图；
图3为实施例1的嵌套式宽带吸声结构的整体结构示意图；
图4为实施例1的嵌套式宽带吸声结构的整体结构俯视图；
图5为图4的A-A视图；
图6为图4的B-B视图；
图7为实施例1中嵌套式宽带吸声结构的实测吸声系数数据图；
图8为实施例2的嵌套式宽带吸声结构的整体结构俯视图；
图9为实施例3的嵌套式宽带吸声结构的整体结构俯视图；
图10为实施例4的嵌套式宽带吸声结构的整体结构俯视图。
图中：1-第一微缝低频吸声单元、2-第二微缝低频吸声单元、3-第三微缝低频吸声单元、4-第四微缝低频吸声单元、5-第五微缝低频吸声单元、6-第六微缝低频吸声单元、7-第七微缝低频吸声单元、8-第八微缝低频吸声单元、9-顶板、10-吸声面板、11-刚性壳体、12-阶梯型微缝。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1、图2，本发明的微缝低频吸声单元，包括刚性壳体11和设置在刚性壳体11上的吸声面板10，吸声面板10和刚性壳体11合围形成刚性背腔，刚性背腔的厚度一般大于2mm；吸声面板10的一侧设有阶梯型微缝12，阶梯型微缝12与刚性背腔连通，阶梯型微缝12的上端开口尺寸大于下端开口。
阶梯型微缝12是由1～5个不同参数的微缝沿缝厚度方向串联而成，微缝宽度从上至下逐层减小形成阶梯形，且微缝宽度宜选择在0.3～3mm，阶梯型构造使得结构阻抗逐层改变而更加接近空气阻抗，为实现高效吸声提供了条件。同时，阶梯型微缝12布置在刚性壳体11的上部，且紧靠刚性壳体11一边，和传统结构相比，当空气流入阶梯型微缝12后，高速流动的空气通过阶梯型微缝12产生强烈摩擦，且空气速度在阶梯型微缝12中随着深度的增加而增大，消耗大量能量，可实现更低频的高效吸声。一个微缝低频吸声单元具有一个吸声峰值，其峰值频率主要与阶梯型微缝12最下端微缝和刚性背腔的参数有关。当最下端微缝由宽变窄时，对应的峰值频率逐渐越低，但对应的吸声系数却是由低至高再变低，也就是说，在其他参数一定的情况下，最下端微缝宽度有一个最佳值可以实现高效吸声；对于最下端微缝厚度，厚度越大对应的峰值频率越低，但吸声系数会逐渐变小，所以为了实现低频吸声，可以在保证一定吸声效率的情况下尽可能的增加微缝厚度；对于刚性背腔，其容积越大，峰值频率越低。
本发明的嵌套式宽带吸声结构，若干微缝低频吸声单元在高度方向上连续叠加嵌套形成多层并联结构，每层微缝低频吸声单元的数量为1～4，且下层微缝低频吸声单元利用阶梯型微缝12和刚性背腔将上层微缝低频吸声单元包裹，逐层向上，形成嵌套结构。所有微缝低频吸声单元的阶梯型微缝12的上端开口共面设置在嵌套式宽带吸声结构的顶板9上，优选地，所有微缝低频吸声单元的阶梯型微缝12在顶板9上的各个方向上分散设置。每个微缝低频吸声单元对应目标吸声频段的一个吸声峰值，嵌套式宽带吸声结构在低频范围内形成连续的多峰值吸声宽带。
为了使得嵌套式宽带吸声结构的顶板9上表面形成一个平面，每层微缝低频吸声单元的阶梯型微缝12的深度与其上方紧邻微缝低频吸声单元的高度相等。同时，刚性背腔的截面积由上至下逐层增大，每层增大的截面积数值为该层单元所对应的顶板9处微缝截面积。各微缝低频吸声单元结构的布置分层叠加，看似和传统的串联结构较类似，而实质采用的是多单元的并联耦合结构，但顶板9的面积增加十分有限，这为实现更多单元结构的耦合提供了可能，也为这实现更大带宽吸声创造了条件。若干微缝低频吸声单元按吸声峰值频率值由上到下依次设置，吸声峰值频率最高的微缝低频吸声单元设在嵌套式宽带吸声结构的顶层，吸声峰值频率最低的微缝低频吸声单元设在嵌套式宽带吸声结构的底层。
阶梯型微缝12的参数包括上、下微缝的长度、宽度和深度；刚性背腔的参数包括背腔的容积，由截面积和深度两个参数决定。在此基础上，通过合理设计多个耦合的微缝低频吸声单元，使得吸声峰值均匀连续分布，从而在较宽的频率范围内形成一个连续的多峰值吸声宽带。由于嵌套式结构的下层微缝低频吸声单元截面较上层大，为了获得紧凑的小尺寸结构，吸声峰值频率最低的单元布置在最底层，逐层提高吸声频率。最终，通过严格调节各个单元的参数和吸声峰值频率，可以实现中低频宽带吸声。
在设计时，首先确定目标吸声频段，将目标吸声频段分为多段，再从每段中确定一个吸声峰值而获得多个连续平均分配的吸声峰值。从高频吸声峰值开始设计最上层微缝低频吸声单元，逐层向下，通过对各个微缝低频吸声单元参数的严格调控，就能使各微缝低频吸声单元吸声峰值连续平均分配到所需频段，获得完美的低频宽带吸声。
为了避免微缝低频吸声单元中声振耦合效应的影响，微缝低频吸声单元间隔板为刚性壳体11具有一定的刚度。同时，刚性壳体11和阶梯型微缝12结构可采用金属、树脂，由3D打印或者模具加工制成。
实施例1
如图2～图6所示，本实施例的嵌套式宽带吸声结构，框架内设有8个微缝低频吸声单元，分别为第一微缝低频吸声单元1、第二微缝低频吸声单元2、第三微缝低频吸声单元3、第四微缝低频吸声单元4、第五微缝低频吸声单元5、第六微缝低频吸声单元6、第七微缝低频吸声单元7和第八微缝低频吸声单元8。为了减少结构厚度，将第一微缝低频吸声单元1和第二微缝低频吸声单元2设置在最底层，第三微缝低频吸声单元3～第八微缝低频吸声单元8逐层升高布置。各微缝低频吸声单元的设计参数包括背腔长a、宽b、高h1、上层微缝宽度s1、上层微缝深度e1、上层微缝宽度s2和上层微缝深度e2，具体参数值如表1所示，结构框架厚度为1mm。该结构除最下层微缝面板因尺寸较小，采用铁或钢并利用线切割加工而成外，其余各结构采用3D打印技术加工，材料为光敏树脂等。总体结构厚度为4.4cm。
表1.各微缝低频吸声单元具体参数
如图7所示，为本实施例中嵌套式宽带吸声结构的实测吸声系数。可以看出，该结构在500-1150Hz频率范围内获得了一个连续的宽带吸声，平均吸声效率达85％。可以看出，该吸声频带有8个吸声峰值，分别对应了8个微缝低频吸声单元的共振峰值。对于多微缝低频吸声单元嵌套式宽带吸声结构，如果进一步增加微缝低频吸声单元的数量，则可以引入更多的吸声峰值，继而进一步增加吸声带宽。
实施例2
如图8，本实施例的嵌套式宽带吸声结构，框架内设有2个微缝低频吸声单元，分别为第一微缝低频吸声单元1和第二微缝低频吸声单元2，第二微缝低频吸声单元2叠加嵌套在第一微缝低频吸声单元1上方，第一微缝低频吸声单元1和第二微缝低频吸声单元2的阶梯型微缝12相对设置在顶板9的两侧。
实施例3
如图9，本实施例的嵌套式宽带吸声结构，框架内设有4个微缝低频吸声单元，分别为第一微缝低频吸声单元1、第二微缝低频吸声单元2、第三微缝低频吸声单元3和第四微缝低频吸声单元4、4个单元依次在高度方向上连续叠加嵌套形成多层并联结构，4个单元的阶梯型微缝12分别设置在顶板9的四边。
实施例4
如图10，本实施例的嵌套式宽带吸声结构，框架内设有4个微缝低频吸声单元，分别为第一微缝低频吸声单元1、第二微缝低频吸声单元2、第三微缝低频吸声单元3和第四微缝低频吸声单元4、4个单元依次在高度方向上连续叠加嵌套形成多层并联结构，4个单元的阶梯型微缝12分别两两相对设置在顶板9的两侧。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种微缝低频吸声单元，其特征在于，包括刚性壳体(11)和设置在刚性壳体(11)上的吸声面板(10)，吸声面板(10)和刚性壳体(11)合围形成刚性背腔，吸声面板(10)的一侧设有阶梯型微缝(12)，阶梯型微缝(12)与刚性背腔连通，阶梯型微缝(12)的上端开口尺寸大于下端开口。
2.根据权利要求1所述的微缝低频吸声单元，其特征在于，阶梯型微缝(12)的阶梯数为1～5。
3.根据权利要求1所述的微缝低频吸声单元，其特征在于，每阶阶梯的宽度相等，阶梯型微缝(12)的宽度为0.3～3mm。
4.根据权利要求1所述的微缝低频吸声单元，其特征在于，刚性壳体(11)的高度大于2mm。
5.一种嵌套式宽带吸声结构，其特征在于，包括若干权利要求1～4任意一项所述的微缝低频吸声单元，若干微缝低频吸声单元在高度方向上连续叠加嵌套形成多层并联结构，所有微缝低频吸声单元的阶梯型微缝(12)的上端开口共面设置在嵌套式宽带吸声结构的顶板(9)上；每个微缝低频吸声单元对应目标吸声频段的一个吸声峰值，嵌套式宽带吸声结构在低频范围内形成连续的多峰值吸声宽带。
6.根据权利要求5所述的嵌套式宽带吸声结构，其特征在于，每层微缝低频吸声单元的数量为1～4。
7.根据权利要求5所述的嵌套式宽带吸声结构，其特征在于，每层微缝低频吸声单元的阶梯型微缝(12)的深度与其上方相邻微缝低频吸声单元的高度相等。
8.根据权利要求5所述的嵌套式宽带吸声结构，其特征在于，刚性背腔的截面积由上至下逐层增大，每层增大的截面积数值为该层单元所对应的顶板(9)处微缝截面积。
9.根据权利要求5所述的嵌套式宽带吸声结构，其特征在于，所有微缝低频吸声单元的阶梯型微缝(12)在顶板(9)上的各个方向上分散设置。
10.根据权利要求5所述的嵌套式宽带吸声结构，其特征在于，若干微缝低频吸声单元按吸声峰值频率值由上到下依次设置，吸声峰值频率最高的微缝低频吸声单元设在嵌套式宽带吸声结构的顶层，吸声峰值频率最低的微缝低频吸声单元设在嵌套式宽带吸声结构的底层。
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