CN113077777A - 一种超薄低频通风声学吸声单元及吸声器 - Google Patents

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杨京
程建春
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Abstract

本发明公开了一种超薄低频通风声学吸声单元及吸声器，包括环状壳体，壳体内部设有环状空腔，壳体的内壁开设有通孔，空腔通过所述通孔与外界连通，若干个吸声单元沿声波传播方向依次排列连接形成吸声器。本发明能够实现低频噪声高效吸收的同时，保证通风性能，且不影响管道外部环境，结构紧凑，不占用多余空间，可以根据具体的吸收情景灵活地调整结构参数。

Description

一种超薄低频通风声学吸声单元及吸声器
技术领域
本发明涉及声学领域，特别是涉及一种管道内部低频通风声学吸声器。
背景技术
传统吸声器大多通过在结构里添加多孔纤维材料来吸收噪声，但在低频范围内吸声 效果较差，且会对通风产生很大影响，且纤维材料容易积累粉尘和细菌，会对环境以及人体健康带来影响，并带来吸声和通风效果的下降。随着声学超材料的快速发展，因其 低频的良好性能，许多具有亚波长尺寸的吸声器被提出来并被用于低频噪声控制。然而， 目前的一些吸声器无法同时实现高效宽频带吸声和高通风性能，且占用管道外空间较大。 另有一些通风吸声器的结构过于复杂，且难以根据实际工作频率对结构参数进行较为精 确的设计。因此，需要一种既能够在低频实现高效吸声，同时又不占用管道外部的空间 且可以使通风性能最优的易于设计的简单结构吸声器。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种管道内部低频超 薄通风声学吸声单元和吸声器，能够实现低频噪声高效吸收的同时，保证通风性能，且不影响管道外部环境，结构紧凑，不占用多余空间，可以根据具体的吸收情景灵活地调 整结构参数。
技术方案：本发明所述的一种超薄低频通风声学吸声单元，包括环状壳体，壳体内部设有环状空腔，壳体的内壁开设有通孔，空腔通过所述通孔与外界连通。即：环状壳 体内部设有环状的封闭空腔，后在壳体的内侧壁开设通孔，内部的空腔则可以通过通孔 与外界进行气流交换。
其中，吸声单元的壁厚可在1mm～2mm范围内自由变动；
其中，通孔开设于内壁的中心位置，即沿高度的中间位置。该孔作为吸声单元的短管部分，环形腔体通过短管与外部空气连通。
优选地，吸声单元的材料为声学刚性材料；可选的，吸声单元的材料为金属或有机塑料。
优选地，吸声单元的壁面声学阻抗至少为100倍的背景媒质声阻抗。
本发明还提供了一种超薄低频通风声学吸声器，该吸声器包括至少一个上述的超薄 低频通风声学吸声单元。所述吸声单元有若干组，若干组吸声单元沿声传播方向紧密相连排列在噪声管道内壁，其组数可根据实际需求进行选取。
进一步地，若干个吸声单元沿声波传播方向依次排列连接形成吸声器，吸声器安装 于通风管道内，吸声器的外壁与通风管道的内壁相贴合，使吸声器的内壁之间形成气流通道。
其中，每个吸声单元中环形腔体的厚度、沿声传播方向的长度，短管的长度、横截面积大小均可改变。通过调整具体尺寸参数，可以调整吸声单元特定吸声的频率。
优选地，气流通道的横截面面积占通风管道横截面面积的70％～81％。保证通风效率 的同时，且不影响管道本身的通风效果，表现出良好的通风性能，能用于管道通风降噪。
优选地，通风管道为圆形，吸声单元均为圆环形，内壁开设的通孔为圆孔，吸声单元的外径与通风管道的内径相等。吸声器含有的吸声单元数量为十个，十个吸声单元的 通孔方向相同。
其中，吸声单元的外径为R，内径为R1，壁厚为h，壁厚h的取值范围为1mm～2mm； 通孔的半径为r，r的范围2mm～6mm；通孔的长度为ln，范围1mm～2mm；环形空腔厚 度为w，w范围3mm～4mm；
优选地，吸声单元数量为十个，十个吸声单元的通孔方向相同；沿声波传播方向，吸声单元的环形空腔长度为li(i＝1，2，3...10)，长度范围为30mm～100mm，从前向后长 度逐渐增加。即：吸声单元的环形空腔长度沿声波传播方向逐渐增大，每个环形空腔的 长度为30～100mm。
进一步地，以上各参数均可以根据具体吸声情景而变化。
现有的管道吸声技术多采用多孔吸声结构，但是该种结构一方面阻碍了管道的通风， 一方面容易积攒灰尘杂物影响性能。还有的结构采用管道旁支的亥姆霍兹共鸣器结构， 但是该种结构一方面吸声频带窄，另一方面占用管道外的空间，当密集排列的管道需要 控制噪声时不适用。而本发明创新地提出一种管道内部的超薄通风吸声结构，该种结构既能够吸收低频情况下特定频带的噪声，又能实现管道的高效通风，且结构位于管道内部，不会对管道外部的环境产生任何影响。
发明原理：本发明的超薄低频通风吸声器基于声学超材料理论，吸声单元紧贴在管 道内壁上、沿声波传播方向紧密相连排列，使得该吸声结构能够在低频某频带内对声波进行有效地吸收，同时只略微影响设备的通风性能。此外，通过将相似的结构单元紧密 相连排列，使各个单元之间发生耦合，有效地增加了共振频率处的声阻，从而使得整个 结构的吸声系数能够在特定频率点处达到0.9以上，实现了高效吸声，同时通过将结构做 成紧贴于管道内壁的超薄形状，既能将作用的频率降低，又使结构对管道内气流的阻碍 降低，适用性、实用性更强。本发明的技术难点在于根据工作频段优化设计吸声器中各 个吸声单元的参数，从而既能获得高吸声效果，同时保持高的通风率。
有益效果：本发明的超薄低频通风吸声器，对制作材料没有特殊要求，只要在空气中能被认为是声学刚性材料即可，且结构简单紧凑，易于制作，适用于各种管道的降噪， 操作方式便捷。本发明的吸声器能够根据具体吸声情景的频带、吸声率的要求，在特定 的低频范围内对噪声进行高达0.9以上的吸收，且结构超薄，紧贴于管道内壁，安装、拆 卸都很便捷，适用于各种类型的设备的噪声控制，同时又能具有良好的通风性能，有很 强的实用性。由于其易于设计、结构紧凑、通风性能好、环保又易于制作、高效的低频 吸声效果，本发明在管道内部吸声降噪领域有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为吸声单元的结构示意图。
图2为去除外壳体后的吸声单元结构示意图。
图3为吸声单元的主视图。
图4为图3的A-A剖视图。
图5为图4的尺寸标注图。
图6为十组吸声单元构成的吸声器安装于管道内的结构示意图。
图7为实施例中吸声系统的理论吸声曲线和实例的实验吸声曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
如图1～4所示，本发明的超薄低频通风声学吸声单元包括环状壳体，具体包括圆形 外壳体3、圆形内壳体2、以及连接内外壳体的上壳体1、下壳体4，内壳体2嵌套于外 壳体3内部；使得壳体的内部设有环状空腔6，壳体的内壁(即内壳体壁)上开设有通孔 5，空腔6通过该通孔5与外界连通；通孔5作为短管。
实际使用时，可采用若干个吸声单元构成吸声器，吸声器沿声传播方向依次紧密排 列连接。单个吸声单元的特征尺寸小于声波波长，属于亚波长尺度，且结构紧凑。
如图6所示为十组吸声单元构成的吸声器安装于管道内的结构示意图，该吸声器由 十个沿声波传播方向依次紧密排列的相似的吸声单元构成，图中整个吸声系统的四分之 一被去除以便更好地看清内部的结构与排列。图6中的箭头方向为声波传播方向，可以看出吸声单元沿声波传播方向紧密排列。
十个吸声单元沿声波传播方向从左至右依次排列连接形成吸声器，吸声器安装于通 风管道内，吸声器的外壁与通风管道的内壁相贴合，使吸声器的内壁之间形成气流通道。
本实施例中，对单个吸声单元而言，吸声单元置于噪声管道内部，结构上壳体1和下壳体4内径与内壳体2的外径相等，结构上壳体1和下壳体4外径与外壳体3的内径 相等，外壳体3紧贴于需通风吸声的目标管道内壁。内壳体2的内壁形成气流通道。上 壳体1、下壳体4、内壳体2和外壳体3围成一个环状空腔6，空腔6通过通孔5与气流 通道连通。结构单元中上壳体1、下壳体4、内壳体2、外壳体3的壳体厚度均为h，通 孔5的高度记为ln，环状空腔沿声波传播方向的长度记为l，内壳体2沿声波传播方向的 长度记为l+2h，外壳体3沿声波传播方向的长度记为l+2h，噪声管道的横截面积记为 S0，内壳体2围成的气流通道的横截面积记为S1，通孔5的横截面积记为S2。
环状空腔6在过噪声管道中轴线的平面上的横截面积为S3＝lw，其中R为噪声管道的内壁横截面半径，R1为内壳体2围成的气流管道的横截面半径，w＝R-R1-h-h为 环状空腔6的厚度；
Figure BDA0002983840940000041
S0＝πR2；S2＝πr2，其中r为通孔5的横截面半径。
环状空腔6的声质量为：
Figure BDA0002983840940000042
声阻为：
Figure BDA0002983840940000043
其中，ρ为空气密度，c为空气中的声速，V＝π[(R-h)2-(R-h-w)2]l为环状空腔6的体积，γ＝1.4为空气的比热容比，S为环状空腔6的内表 面积，κ为导热系数，Cp0为空气的定压比热容。通孔5的声质量为
Figure BDA0002983840940000044
声阻为
Figure BDA0002983840940000045
η是空气的切变粘滞系数，l′＝ln+Δl1+Δl2+Δl3，Δl1、Δl2、Δl3是 短管的三种管端修正长度，其中
Figure BDA0002983840940000046
Figure BDA0002983840940000047
其中
Figure BDA0002983840940000048
单个吸声单元的声阻抗为ZU＝RUR+jMUR，其中RUR＝Rn+RC，MUR＝Mn+MC。通 风管道的声阻抗为
Figure BDA0002983840940000049
单个吸声单元的共振频率计算式为
Figure BDA00029838409400000410
根据计算式， 可以在具体吸声情景下通过改变结构参数来改变吸声单元的共振频率。
考虑沿声波方向紧密排列的十个吸声单元，它们共同组成了我们提出的吸声器。记第 i个吸声单元前部声压为pi-0，体积速度为Ui-0；后部声压为pi+0，体积速度为Ui+0；进入第i个吸声单元的通孔5的声压为pib，体积速度为Uib。建立一个正方向为声传播方向， 原点在第i个吸声单元中心处的x轴，则在平面波近似下且忽略时间因子，有
Figure BDA0002983840940000051
Figure BDA0002983840940000052
对于第i个吸声单元，
Figure BDA0002983840940000053
根据x＝0处的声压连续和体积速度连续，可以得到
Figure BDA0002983840940000054
因为总共有10个吸声单元，则吸声器的最前面和最后面的声压和体积速度有如下关 系：
Figure BDA0002983840940000055
则吸声器的能量透射率TI，反射率RI和吸声率分别为：
Figure BDA0002983840940000056
Figure BDA0002983840940000057
αI＝1-TI-RI
整个吸声器通过10个从前至后沿声传播方向长度逐渐增大，也即共振频率逐渐降低 的吸声单元紧密排列组成，通过它们之间的耦合效果，整个吸声器突破了单个吸声单元存在时吸声率无法超过0.5的限制，实现了高效宽频带吸声。此外，吸声单元构造简洁紧凑，易于制造，此时吸声器的尺寸小于工作波长，属于亚波长结构。所有吸声单元仅在 沿声波传播方向上的环状空腔6的长度有所变化，其余参数均保持不变。
在实施例中，噪声管道的半径为R＝50mm，上壳体1、内壳体2、外壳体3、下壳 体4的壳体厚度均为h＝2mm，通孔5的半径为r＝4mm，通孔5的长度为ln＝2mm， 环状空腔6的厚度为w＝4mm，内壳体2围成的气流管道的半径为R1＝42mm。十个吸 声单元的通孔方向相同，且沿着声波传播方向，吸声器中从前向后的10个吸声单元的环 状空腔6的长度依次为30mm，33.2mm，36.5mm，40.1mm，44.1mm，48.2mm，52.6mm， 57.3mm，62.4mm，67.9mm。此时整个吸声器的总长度为512.3mm。
本实施例中，气流通道的横截面面积占通管道横截面面积的70％～81％。
图7为本发明的实例的理论吸声率和选用光敏树脂将实例制成样品的实验吸声率的 对比图。图中横轴为入射声波的频率，纵轴为吸声率，实线为理论结果，圆圈为实验结果。理论和实验有很好的一致性。理论曲线在358-490Hz频率范围内吸声系数均超过0.5，在380～470Hz频率范围内吸声系数均超过0.9，最高可达0.9803，实现了低频宽带高效吸声。

Claims (10)

1.一种超薄低频通风声学吸声单元，其特征在于：包括环状壳体，壳体内部设有环状空腔，壳体的内壁开设有通孔，空腔通过所述通孔与外界连通。
2.根据权利要求1所述的超薄低频通风声学吸声单元，其特征在于：通孔设置于内壁的中心位置。
3.根据权利要求1所述的超薄低频通风声学吸声单元，其特征在于：吸声单元的壁面声学阻抗至少为100倍的背景媒质声阻抗。
4.根据权利要求1所述的超薄低频通风声学吸声单元，其特征在于：吸声单元的材料为金属或有机塑料。
5.一种超薄低频通风声学吸声器，其特征在于：包括若干个权利要求1所述的超薄低频通风声学吸声单元，若干个吸声单元沿声波传播方向依次排列连接形成吸声器。
6.根据权利要求5所述的超薄低频通风声学吸声器，其特征在于：吸声器安装于通风管道内，吸声器的外壁与通风管道的内壁相贴合，使吸声器的内壁之间形成气流通道。
7.根据权利要求6所述的超薄低频通风声学吸声器，其特征在于：气流通道的横截面面积占通风管道横截面面积的70％～81％。
8.根据权利要求6所述的超薄低频通风声学吸声器，其特征在于：通风管道为圆形，吸声单元均为圆环形，内壁开设的通孔为圆孔，吸声单元的外径与通风管道的内径相等。
9.根据权利要求8所述的超薄低频通风声学吸声器，其特征在于：吸声单元的壁厚为1～2mm，通孔的半径为2～6mm，通孔的长度为1～2mm，环形空腔的厚度为3～4mm。
10.根据权利要求8所述的超薄低频通风声学吸声器，其特征在于：吸声单元的数量为十个，十个吸声单元的通孔方向相同；吸声单元的环形空腔长度沿声波传播方向逐渐增大，每个环形空腔的长度为30～100mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113793586A (zh) * 2021-08-24 2021-12-14 武汉理工大学 低频超宽带声学黑洞声学材料结构
CN114170991A (zh) * 2021-11-09 2022-03-11 中科建声(苏州)新材料科技有限公司 一种小型化的宽带低频消声管路

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