CN113096626A - 静音箱 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种静音箱，包括：第一壳体；第二壳体，第二壳体位于第一壳体内部，第二壳体和第一壳体之间填充有隔声材料结构；检测室，设于第二壳体内，检测室和第二壳体之间填充有超构吸声材料结构和多孔吸声材料结构；其中，超构吸声材料结构的声波射入面朝向检测室，且在预设频段内，超构吸声材料结构的声阻抗和多孔吸声材料结构的声阻抗叠加形成的组合声阻抗与空气的声阻抗相匹配。上述静音箱，可有效提升静音箱的全频段吸声效果，并进一步增强静音箱的全频段隔声效果。
Description
技术领域
本发明涉及声学降噪技术领域，特别是涉及一种静音箱。
背景技术
静音箱被广泛应用于小型机电类产品的噪声检测，是一种提供小型声学静音测试空间的设备。与传统消声室、半消声室相比，静音箱由于其占用体积小，灵活度高，环境依赖度低等特点，很好地满足了小型机电产品的快速噪声检测需求，将会逐步成为流水线上故障检测、品质监控的必要配套设备。
然而，传统静音箱结构相对简单，多以薄壁钢板作为隔声部件，内部粘贴传统多孔吸声材料作为吸声部件。这种结构的静音箱隔声和吸声效果一般，特别对于低频噪声的隔绝与吸收，薄壁钢板和传统多孔吸声材料受设计尺寸的影响几乎完全不起效果，导致传统静音箱的隔声吸声效果整体不高的问题。
发明内容
基于此，有必要针对传统的静音箱的隔声吸声效果整体不高的问题，提供一种改进的静音箱。
一种静音箱，包括：
第一壳体；
第二壳体，所述第二壳体位于所述第一壳体内部，所述第二壳体和所述第一壳体之间填充有隔声材料结构；
检测室，设于所述第二壳体内，所述检测室和所述第二壳体之间填充有超构吸声材料结构和多孔吸声材料结构；
其中，所述超构吸声材料结构的声波射入面朝向所述检测室，且在预设频段内，所述超构吸声材料结构的声阻抗和所述多孔吸声材料结构的声阻抗叠加形成的组合声阻抗与空气的声阻抗相匹配。
上述静音箱，通过在第二壳体和检测室之间填充超构吸声材料结构和多孔吸声材料结构，并使超构吸声材料结构和多孔吸声材料结构的组合声阻抗在预设频段内与空气的声阻抗相匹配，可有效提升静音箱的全频段吸声效果；同时，在第一壳体和第二壳体之间还填充有隔声材料结构，有利于进一步增强静音箱的全频段隔声效果。
在其中一个实施例中，所述超构吸声材料结构设置在所述第二壳体和所述多孔吸声材料结构之间，所述超构吸声材料结构包括多个并排拼接的超构吸声单元，各所述超构吸声单元的声波射入面共同形成所述超构吸声材料结构的声波射入面，所述超构吸声单元远离所述检测室的侧表面与所述第二壳体的内壁贴合。
在其中一个实施例中，所述超构吸声单元包括亥姆霍兹共振器阵列，每个所述亥姆霍兹共振器包括：罩壳，具有相对设置的第一侧和第二侧，所述第一侧开设有微孔，各所述罩壳的第一侧共同形成所述超构吸声单元的声波射入面；以及，插管，设于所述罩壳内部，与所述第一侧连接并向所述第二侧延伸，所述插管与所述微孔共轴，且所述插管的孔径与所述微孔的孔径相等。
在其中一个实施例中，各所述亥姆霍兹共振器的微孔孔径各不相同；和/或，各所述亥姆霍兹共振器的插管长度各不相同。
在其中一个实施例中，所述超构吸声单元的声阻抗Zc满足：
其中，ZHH表示所述亥姆霍兹共振器的声阻抗，n表示所述亥姆霍兹共振器的序数。
在其中一个实施例中，所述亥姆霍兹共振器的声阻抗ZHH满足：
其中，A表示整个所述第一侧的面积，Sa表示所述微孔的开口面积，l表示所述插管的长度，L表示所述第一侧内表面至所述第二侧内表面的垂直距离，ρcc、 ccc及kcc分别表示所述亥姆霍兹共振器内空气的密度、声速以及波数，kca、Ψva及Ψha分别表示所述插管在狭窄声学下的波数、粘度项以及热力项，γ表示空气的比热容，δΩ表示声质量末端修正项，τΩ表示修正因子，Sc表示所述第二侧内表面的面积，ω表示角频率，η表示空气的粘滞系数，ρ0表示空气自然条件下的密度，c0表示声音在外界空气中的传播速度。
在其中一个实施例中，所述隔声材料结构包括层叠设置的多种隔声材料，其中，至少两种所述隔声材料的密度不同。
在其中一个实施例中，所述隔声材料结构自所述第一壳体向所述第二壳体依次包括阻尼橡胶隔声层、聚酯纤维隔声层、石膏阻尼夹层板以及聚酯纤维隔声层。
在其中一个实施例中，所述第一壳体的表面开设有第一检测口，所述第二壳体的表面开设有与所述第一检测口对应的第二检测口，所述检测室包括与所述第一检测口和所述第二检测口对应设置的检测框架，所述检测框架与所述第一壳体和所述第二壳体固定连接。
在其中一个实施例中，所述检测室还包括隔声检测门，所述隔声检测门设于所述第一壳体，用以打开或关闭所述第一检测口。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例的结构示意图；
图2为图1所示实施例的爆炸示意图；
图3为本申请一实施例的隔声材料结构的截面示意图；
图4为本申请一实施例的超构吸声材料结构和多孔吸声材料结构的截面示意图；
图5为本申请一实施例的超构吸声单元的立体图；
图6为图5所示实施例的俯视图；
图7为图6所示实施例的线A-A处的截面示意图；
图8为本申请图5所示实施例的隔声量示意图；
图9为本申请图5所示实施例的吸声效果示意图。
元件标号说明：
100、静音箱，110、第一壳体，1100、第一检测口，120、第二壳体，1200、第二检测口，130、检测室，131、检测框架，132、固定法兰，140、底座，150、隔声材料结构，151、阻尼橡胶隔声层，152、聚酯纤维隔声层，153、石膏阻尼夹层板，154、聚酯纤维隔声层，160、超构吸声单元，161、罩壳，1610、微孔， 1611、第一侧，1612、第二侧，170、多孔吸声材料结构，180、导杆。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
传统的静音箱结构相对简单，多以薄壁钢板作为隔声部件，内部粘贴传统多孔吸声材料作为吸声部件。然而，薄钢板隔声效果有限，特别是对于低频区域的噪声，由于声振耦合效应容易激发薄板共振，从而导致静音箱的隔声效果变差。另一方面，传统的静音箱中，吸声结构多采用多孔吸声材料，这类吸声材料的吸声特性受1/4波长理论的限制，在有限空间内对低频的吸声效果非常有限。
针对上述问题，本申请提供一种改进的静音箱，可增强低频的吸声效果，进而有利于优化静音箱在全频段的整体隔声吸声效果。
图1至图2示出了本申请一实施例静音箱100的结构示意图。
具体的，静音箱100包括第一壳体110和第二壳体120，第二壳体120位于第一壳体110内部，第二壳体120的外壁和第一壳体110的内壁之间具有间隙，从而可在第二壳体120和第一壳体110之间填充隔声材料结构150，如图3所示。第二壳体120内部还设置有检测室130，检测室130的外壁和第二壳体120的内壁之间也具有间隙，从而可在检测室130和第二壳体120之间填充超构吸声材料结构和多孔吸声材料结构170，超构吸声材料结构的声波射入面朝向检测室 130，且在预设频段内，超构吸声材料结构的声阻抗和多孔吸声材料结构170的声阻抗叠加形成的组合声阻抗与空气的声阻抗相匹配。
更具体的，如图4所示，超构吸声材料结构设置在第二壳体120和多孔吸声材料结构170之间，且超构吸声材料结构包括多个并排拼接的超构吸声单元 160，各超构吸声单元160的声波射入面共同形成超构吸声材料结构的声波射入面，超构吸声单元160远离检测室130的侧表面与第二壳体120的内壁贴合。由于第二壳体120和检测室130之间通常具有较大空间，因此二者之间优选填充用于吸声的材料，而将用于隔声的材料置于后端的声波传播路径上，另外考虑到超构吸声材料结构对低频可具有较好的吸收效果，因此可将超构吸声材料结构设置在多孔吸声材料结构170之后，从而可使多孔吸声材料结构170吸收部分中高频的声波(如频率大于600Hz的声波)后，继续由超构吸声材料结构更好地吸收传统吸声材料较难吸收的低频声波，从而实现各吸声材料以及隔声材料的合理布置，协同提高静音箱100的全频段隔声和吸声效果。
其中，超构吸声单元160包括多个周期排布的基本构造单元，其吸声性能与其基本构造单元的材质、结构特性和空间排布特性有关。超构吸声单元160 可以是一维的层状结构，也可以是沿两个方向周期排布所形成的二维复合结构，具体可根据实际的吸声频段需求以及制备的难易程度来对基本构造单元的结构和尺寸进行选择。另一方面，超构吸声单元160的材质优选采用PET、PC等塑料加工，另一些实施方式中也可采用金属或软性橡胶制备，从而使超构吸声材料结构更加的坚固耐用，不易出现老化现象。
进一步的，根据吸声系数α的计算公式
(Z表示组合声阻抗，Z0表示空气的阻抗)可知，对于选定的工作频段，当组合声阻抗Z与空气的阻抗Z0匹配时，吸声系数α可取到最大值，例如可以是0.95～0.999这类趋近于1的值，此时可认为超构吸声材料结构160和多孔吸声材料结构170对选定频率下的声波的吸声效率达到最高，吸声效果最佳。空气的声阻抗Z0可表示为Z0＝ρ0c0，其中ρ0表示空气自然条件下的密度，c0表示声音在外界空气中的传播速度。另一方面，隔声材料结构150可采用全频段隔声材料来对声波进行隔绝，以优化静音箱100的全频段隔声效果。
上述选定的工作频段可以是低频频段(如20Hz～400Hz)，也可以是中频频段(如500Hz～2kHz)，还可以是各个连续频段的组合。在选定需要优化吸声效果的频段后，可通过仿真调试的方式来设定超构吸声材料结构和多孔吸声材料结构170的具体参数，进而使组合声阻抗Z与空气的声阻抗Z0相匹配，增强该选定频段的吸声效果。需要指出的是，通过前述方式形成的超构吸声材料结构，其声阻抗与单个超构吸声单元160的声阻抗相同，从而有利于简化在阻抗匹配条件下的超构吸声材料结构的参数选取。
上述静音箱100，通过在第二壳体120和检测室130之间填充超构吸声材料结构和多孔吸声材料结构170，并使超构吸声材料结构和多孔吸声材料结构170 的组合声阻抗在预设频段内与空气的声阻抗相匹配，可有效提升静音箱100的全频段吸声效果；同时，在第一壳体110和第二壳体120之间还填充有隔声材料结构150，有利于进一步增强静音箱100的全频段隔声效果。
在一实施例中，如图5至图7所示，超构吸声单元160包括亥姆霍兹共振器阵列，每个亥姆霍兹共振器(虚线框示出)包括：罩壳161，具有相对设置的第一侧1611和第二侧1612，第一侧开设有微孔1610，各罩壳161的第一侧1611 共同形成超构吸声单元160的声波射入面；以及插管162，设于罩壳161内部，与第一侧1611连接并向第二侧1612延伸，插管162与微孔1610共轴，且插管 162的孔径与微孔1610的孔径相等。
本发明的插入管式亥姆赫兹共振腔的工作原理主要为：当声音通过插管162 进入腔体后将使腔体内空气产生振动，并通过腔体内空气振动耗散声能，特别当声音频率在共振腔共振频率附近时，将有很好的吸声效果。具体的，亥姆霍兹共振器的个数优选为为24、48或96。每个亥姆霍兹共振器的罩壳161可以是长方体罩壳，从而有利于在保证一定结构强度的情况下简化制备工艺，降低生产成本。另一实施例中，罩壳161还可以是正六棱柱罩壳，通过将多个正六棱柱的亥姆霍兹共振器排布成蜂窝状的亥姆霍兹共振器阵列，能够极大地增强超构吸声单元160的结构强度，从而具备卓越的承载能力，可作为建筑材料应用在各行各业中。罩壳11和插管12均可采用环保塑料、橡胶、金属等环境耐受性强的材料制备，从而有利于延长超构吸声单元160的使用寿命，同时也有利于避免传统吸声材料(如玻璃棉等多孔材料)带来的风化(粉化)失效、污染空气、危害人体安全的问题。优选的，亥姆霍兹共振器可采用3D打印技术进行制备，以降低工程污染。
进一步的，各亥姆霍兹共振器的微孔1610的孔径不全相同，或各亥姆霍兹共振器的插管162长度不全相同，或者各亥姆霍兹共振器的微孔1610的孔径和各亥姆霍兹共振器的插管162长度均不全相同。由于具有不同结构参数的亥姆霍兹共振器具有不同的固有频率，从而通过上述方式有利于在预设频段内增加不同的吸声频点，提高超构吸声单元160的吸声效果。优选的，各亥姆霍兹共振器的微孔1610的孔径各不相同，或各亥姆霍兹共振器的插管162长度各不相同，或者各亥姆霍兹共振器的微孔1610的孔径和各亥姆霍兹共振器的插管162 长度均各不相同。通过上述方式有利于提高预设频段内吸声频点的密集程度，在声阻抗匹配的情况下，可使超构吸声单元160具备更加的吸声效果。
进一步的，超构吸声单元160的声阻抗Zc满足：
其中，ZHH表示亥姆霍兹共振器的声阻抗，n表示亥姆霍兹共振器的序数。优选的，各罩壳 161的第一侧1611位于同一面内。具体的，各罩壳11的第一侧可以位于同一平面或曲面内。
在示例性实施方式中，亥姆霍兹共振器的声阻抗ZHH满足：
其中，A表示整个第一侧1611的面积，Sa表示微孔1610的开口面积，l表示插管162的长度，L表示第一侧1611内表面至第二侧1612内表面的垂直距离，ρcc、ccc及kcc分别表示亥姆霍兹共振器内空气的密度、声速以及波数，kca、Ψva及Ψha分别表示插管162在狭窄声学下的波数、粘度项以及热力项，γ表示空气的比热容，δΩ表示声质量末端修正项，τΩ表示修正因子，Sc表示第二侧1612内表面的面积，ω表示角频率，η表示空气的粘滞系数，ρ0表示空气自然条件下的密度，c0表示声音在外界空气中的传播速度。
在一实施例中，上述超构吸声单元160可用于吸收100Hz～400Hz的低频声波。在另一实施例中，上述超构吸声单元160可用于吸收300Hz～1000Hz的低频声波。技术人员可根据实际需要吸收的低频频段来优化超构吸声单元160中各亥姆霍兹共振器的结构参数(如插管长度、微孔孔径等)，本申请对超构吸声单元160中各亥姆霍兹共振器的具体参数不做限制。
在一实施例中，多孔吸声材料结构170填充在超构吸声材料结构和检测室 130之间，考虑到多孔吸声材料可随静音箱100的设计尺寸以及形状灵活改变，因此多孔吸声材料结构170的声阻抗在仿真计算时优选采用多物理场仿真软件 COMSOL中的多孔材料JCA模型，以提取本发明的多孔吸声材料结构170的声阻抗。JCA模型是一种能够模拟多孔材料吸声系数的高度近似模型，使用JCA模型需优先测得材料的相关参数，包括：流阻率、孔隙率、密度、曲折率、粘性特征长度以及热特征长度。
在一实施例中，如图3所示，隔声材料结构150包括层叠设置的多种隔声材料，其中，至少两种隔声材料的密度不同。通过采用密度不同的隔声材料，可使声波在不同密度介质中传播时，经过多次反射及折射，从而相比于单一的隔声材料，将大大提升静音箱100的隔声量。优选的，如图3所示，隔声材料结构150自第一壳体110向第二壳体120依次包括阻尼橡胶隔声层151、聚酯纤维隔声层152、石膏阻尼夹层板153以及聚酯纤维隔声层154。
在一实施例中，如图2所示，第一壳体110的表面开设有第一检测口1100，第二壳体120的表面开设有与第一检测口1100对应的第二检测口1200，检测室 130包括与第一检测口1100和第二检测口1200对应设置的检测框架131，检测框架131与第一壳体110和第二壳体120固定连接。具体的，检测框架131的可以是前后贯通的筒体，筒体的开口形状可与第一检测口1100和第二检测口 1200的开口形状相适配，检测框架131可通过固定法兰132与第一壳体110和第二壳体120固定连接。另一实施例中，第一检测口1100和第二检测口1200 的开口形状可以是圆形、方形、菱形等，只要不妨碍待检产品的放置与取出即可。进一步的，检测室130还包括隔声检测门(图未示出)，隔声检测门设于第一壳体，用以打开或关闭第一检测口1100。
进一步的，除第一检测口1100和第二检测口1200所在的表面外，第一壳体110的其他表面均可为封闭的表面，第二壳体120的其他表面也均可为封闭的表面。另一实施例中，如图2所示，静音箱100还可包括底座140，底座140 上设置有第一壳体卡槽以及第二壳体卡槽，对应的，第一壳体110与第一检测口1100相对的一侧敞口，第二壳体120与第二检测口1200相对的一侧敞口，从而可将第一壳体110固定在第一壳体卡槽中，以及将第二壳体120固定在第二壳体卡槽中。另外，如图1所示，检测室130的的有效检测区域内还设置有导杆180，从而有利于检测内部传感器的位置。
针对图5所示的采用亥姆霍兹阵列作为超构吸声单元的的静音箱100，本申请还提供了该静音箱100的隔声量示意图以及吸声效果示意图，其中，隔声量是指透射声强与入射声强的比值。具体的，图8示出了该静音箱100的隔声量示意图，横轴表示频率，纵轴表示隔声量(单位为分贝)。可以看到，在20Hz～ 400Hz的低频段，本发明的静音箱100的隔声量明显高于传统静音箱的隔声量，并且在中高频，静音箱100的隔声量整体上也高于传统静音箱的隔声量，可知本发明的静音箱100在全频段具备较佳的隔声效果；图9示出了该静音箱100的吸声效果示意图，横轴表示频率，纵轴表示吸声效率。可以看到，在50Hz～ 400Hz的低频段，静音箱100的吸声效果显著高于传统静音箱的吸声效果，并且在中高频，静音箱100的吸声效果也仍维持在较佳的水准，可知本发明的静音箱100在全频段还具备较佳的吸声效果。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种静音箱，其特征在于，包括：
第一壳体；
第二壳体，所述第二壳体位于所述第一壳体内部，所述第二壳体和所述第一壳体之间填充有隔声材料结构；
检测室，设于所述第二壳体内，所述检测室和所述第二壳体之间填充有超构吸声材料结构和多孔吸声材料结构；
其中，所述超构吸声材料结构的声波射入面朝向所述检测室，且在预设频段内，所述超构吸声材料结构的声阻抗和所述多孔吸声材料结构的声阻抗叠加形成的组合声阻抗与空气的声阻抗相匹配。
2.根据权利要求1所述的静音箱，其特征在于，所述超构吸声材料结构设置在所述第二壳体和所述多孔吸声材料结构之间，所述超构吸声材料结构包括多个并排拼接的超构吸声单元，各所述超构吸声单元的声波射入面共同形成所述超构吸声材料结构的声波射入面，所述超构吸声单元远离所述检测室的侧表面与所述第二壳体的内壁贴合。
3.根据权利要求2所述的静音箱，其特征在于，所述超构吸声单元包括亥姆霍兹共振器阵列，每个所述亥姆霍兹共振器包括：
罩壳，具有相对设置的第一侧和第二侧，所述第一侧开设有微孔，各所述罩壳的第一侧共同形成所述超构吸声单元的声波射入面；以及，
插管，设于所述罩壳内部，与所述第一侧连接并向所述第二侧延伸，所述插管与所述微孔共轴，且所述插管的孔径与所述微孔的孔径相等。
4.根据权利要求3所述的静音箱，其特征在于，各所述亥姆霍兹共振器的微孔孔径各不相同；和/或，各所述亥姆霍兹共振器的插管长度各不相同。
5.根据权利要求3所述的静音箱，其特征在于，所述超构吸声单元的声阻抗Zc满足：
其中，ZHH表示所述亥姆霍兹共振器的声阻抗，n表示所述亥姆霍兹共振器的序数。
6.根据权利要求5所述的静音箱，其特征在于，所述亥姆霍兹共振器的声阻抗ZHH满足：
其中，A表示整个所述第一侧的面积，Sa表示所述微孔的开口面积，l表示所述插管的长度，L表示所述第一侧内表面至所述第二侧内表面的垂直距离，ρcc、ccc及kcc分别表示所述亥姆霍兹共振器内空气的密度、声速以及波数，kca、Ψva及Ψha分别表示所述插管在狭窄声学下的波数、粘度项以及热力项，γ表示空气的比热容，δΩ表示声质量末端修正项，τΩ表示修正因子，Sc表示所述第二侧内表面的面积，ω表示角频率，η表示空气的粘滞系数，ρ0表示空气自然条件下的密度，c0表示声音在外界空气中的传播速度。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的静音箱，其特征在于，所述隔声材料结构包括层叠设置的多种隔声材料，其中，至少两种所述隔声材料的密度不同。
8.根据权利要求7所述的静音箱，其特征在于，所述隔声材料结构自所述第一壳体向所述第二壳体依次包括阻尼橡胶隔声层、聚酯纤维隔声层、石膏阻尼夹层板以及聚酯纤维隔声层。
9.根据权利要求1所述的静音箱，其特征在于，所述第一壳体的表面开设有第一检测口，所述第二壳体的表面开设有与所述第一检测口对应的第二检测口，所述检测室包括与所述第一检测口和所述第二检测口对应设置的检测框架，所述检测框架与所述第一壳体和所述第二壳体固定连接。
10.根据权利要求9所述的静音箱，其特征在于，所述检测室还包括隔声检测门，所述隔声检测门设于所述第一壳体，用以打开或关闭所述第一检测口。
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