CN113240982A - 声学装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种声学装置及使用方法。该声学装置包括：声源组件，具有声波输出端口，被配置为输出目标频段的声波；超构吸声器，具有预设数量的超构吸声单元，每个超构吸声单元具有声波输入端口，声波输入端口与声波输出端口连通；其中，每个超构吸声单元与声源组件可拆卸连接。上述声学装置，有利于直观地展示超构吸声单元的吸声机制以及吸声效果，也可根据要吸收的目标频段来配置超构吸声单元的数量，即能够适配不同声源，拓宽了声学装置的适用范围；并且，拆卸后的声源组件以及各超构吸声单元可分别独立携带，方便外出组装演示。

Description

声学装置及使用方法
技术领域
本发明涉及声学技术领域，特别是涉及一种声学装置及使用方法。
背景技术
作为超构材料领域的重要分支，声学超构材料由功能基元和人工序构两个要素组成，其功能基元是已有常规弹性材料，而人工序构是按性能目标设计的周期、准周期和其他人工有序结构。声学超构材料定义为以功能基元按照特征物理尺度上的人工序构而构造和制备出的性能超越基元本身的声学、力学性能的微结构材料。这一领域的突破为控制声波的传播、激发和耦合提供了全新的方法。近20年来，随着增材制造技术的发展，声学超构材料的实验室加工与制备所面临的困难问题逐步得到解决。而在测量手段层面，适应声学超构材料特殊需求的测量手段和仪器也得到了长足发展。中小型样件的制备与测试体系基本构建完成，为下一步产业化发展打牢了研发的基础。
然而，声学超构材料产业化发展与实用技术进步的同时，缺乏面向大众的具备教学和科普功能的声学超构材料演示装置。例如，传统的声学演示装置依赖驻波管来展示吸声效果，无法展示声学超构材料的“微观”结构，进而无法直观展示材料的降噪效果。除此之外，传统的声学演示装置结构复杂，不方便携带，且尺寸固定，对于不同声源的演示具有一定的局限性。
发明内容
基于此，有必要针对传统的声学演示装置不直观、携带不便、演示局限性高的问题，提供一种改进的声学装置。
一种声学装置，包括：
声源组件，具有声波输出端口，被配置为输出目标频段的声波；
超构吸声器，具有预设数量的超构吸声单元，每个所述超构吸声单元具有声波输入端口，所述声波输入端口与所述声波输出端口连通；
其中，每个所述超构吸声单元与所述声源组件可拆卸连接。
上述声学装置，通过将预设数量的超构吸声单元与声源组件连接，可以吸收输入的目标频段的声波，从而有利于直观地展示超构吸声单元的吸声机制以及吸声效果；另一方面，由于超构吸声单元与所述声源组件可拆卸连接，从而可根据要吸收的目标频段来配置超构吸声单元的数量，即能够适配不同声源，拓宽了声学装置的适用范围；并且，拆卸后的声源组件以及各超构吸声单元可分别独立携带，方便外出组装演示。
在其中一个实施例中，所述声学装置还包括沿所述声波输出端口轴线交替排布的多个连接管和多个第一套筒，所述第一套筒的一端与所述声波输出端口可拆卸连接，所述连接管的两端分别与相邻的两个所述第一套筒可拆卸连接；其中，所述连接管的表面开设有连接端口，所述连接端口与所述超构吸声单元的声波输入端口可拆卸连接。
在其中一个实施例中，所述连接管内靠近所述连接管的两端分别设置有第一限位部和第二限位部，所述连接管的两端分别套设于相邻的两个所述第一套筒并通过所述第一限位部和所述第二限位部抵接在该两个所述第一套筒之间。
在其中一个实施例中，所述声学装置还包括连接管，所述连接管的一端与所述声波输出端口可拆卸连接，所述连接管的表面开设有所述预设数量的连接端口，所述连接端口与所述超构吸声单元的声波输入端口可拆卸连接。
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吸声器，所述亥姆霍兹共振吸声器包括：第二套筒，与所述连接端口可拆卸连接；活塞头，设置在所述第二套筒内；以及，活塞杆，与所述活塞头连接，用于在外力作用下驱动所述活塞头在所述第二套筒内往复移动。
在其中一个实施例中，所述活塞头的行程为0mm～100mm。
在其中一个实施例中，所述超构吸声单元包括微穿孔板吸声器，所述微穿孔板吸声器包括：外壳体，所述外壳体的一端封闭，另一端设有所述声波输入端口；以及预设层数的微穿孔板，设置在所述外壳体内部。
在其中一个实施例中，所述预设层数大于或等于2。
本申请还提供一种如前所述的声学装置的使用方法，包括：
开启所述声源组件，以提供目标频段的声波；
根据该目标频段增加或减少所述超构吸声单元的数量，和/或增加或减少所述超构吸声单元的共振腔体积，以消除所述目标频段的声波。
上述声学装置的使用方法，可根据不同的目标频段来实时增减超构吸声单元的数量，并实时调整超构吸声单元的共振腔体积，从而可实时展示超构吸声单元在不同目标频段范围内的吸声效果。
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吸声器和微穿孔板吸声器中的至少一种。
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为本申请一实施例的俯视图；
图3为本申请图2所示实施例的线A-A处的截面示意图；
图4为本申请一实施例的部分零件的爆炸示意图；
图5为本申请一实施例的使用方法的步骤流程图。
元件标号说明：
100、声学装置，110、声源组件，1100、声波输出端口，120、超构吸声单元，121、第二套筒，122、活塞头，123、活塞杆，1200、声波输入端口，130、连接管，131、第一限位部，132、第二限位部，1300、连接端口，140、第一套筒；
AX、声波输出端口轴线。
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。
超构吸声材料主要包括共鸣腔阵列型吸声超构材料。共鸣腔阵列型吸声超构材料通过共鸣腔的共振作用，当入射声波的频率与共鸣腔的共振频率相同时，可将声波的能量最大化的转化为热能耗散，达到最佳的吸声效果。在对声波在不同结构中传播的损失做出精确描述的基础上,研究人员可以通过耦合多个不同结构的共鸣腔(四分之一波长管、亥姆霍兹共振器)实现宽频的声吸收，此类结构具备亚波长特性，其总厚度，往往只有其强吸声频带下限频率所对应的波长的十几乃至几十分之一。充分考虑功能基元之间的耦合，可以有效地拓宽吸收器有效工作频率范围，获得谐振器的“最优”结构，在基于目标频带范围设计原理约束下可以获得理论上最薄的结构厚度。
因此，为促进声学超构材料产业化发展与实用技术的进步，急需能够面向大众的具备教学和科普功能的声学超构材料演示装置。传统的声学演示装置依赖驻波管来展示吸声效果，无法展示声学超构材料的“微观”结构，进而无法直观展示材料的降噪效果。除此之外，传统的声学演示装置结构复杂，不方便携带，且尺寸固定，对于不同声源的演示具有一定的局限性。
针对上述问题，本申请提供一种改进的声学装置，能够直观地展示超构吸声材料的吸声效果，且方便携带，能够适配不同声源。具体的，本申请的声学装置包括声源组件，具有声波输出端口，被配置为输出目标频段的声波；以及超构吸声器，具有预设数量的超构吸声单元，每个超构吸声单元具有声波输入端口，声波输入端口与声波输出端口连通；其中，每个超构吸声单元与声源组件可拆卸连接。
请参考图1，在本申请的一个实施例中，声学装置100包括声源组件110以及与声源组件100可拆卸连接的超构吸声器。声源组件110具有声波输出端口1100且可输出待吸收的目标频段的声波，其中目标频段可通过更换不同声源来进行调整。超构吸声器具有预设数量的超构吸声单元120，每个超构吸声单元120具有声波输入端口1200，声波输入端口1200与声波输出端口1100连通，从而声波组件110可将声波传输至各个超构吸声单元120，超构吸声单元120通过共振便可对输入的声波进行有效的吸收。其中超构吸声单元120的数量可根据目标频段的大小来进行选择，如目标频段涵盖范围较宽时，为实现较佳的吸声效果，通常需设置较多的超构吸声单元120以实现目标频段的有效覆盖；若目标频段涵盖范围较窄时，则可适当减少超构吸声单元120的数量，当然，即使目标频段涵盖范围较窄，也可以不减少超构吸声单元120的数量，如此有利于增加在该目标频段范围内的吸声频点的密集程度，同样有利于提升超构吸声器的吸声效果。
进一步的，每个构吸声单元120与所述声源组件110可拆卸连接。如此，可将拆卸后的声源组件110以及各超构吸声单元120分别独立携带，并在外出演示时实现就地组装。需要指出的是，本申请所指的可拆卸连接包括螺纹连接、卡扣连接以及铰链连接。当然也可以是其他配合性质的连接，例如卡槽的卡合连接等，技术人员可根据声源组件110以及超构吸声单元120的实际结构进行选择，本申请对此不做限制。
上述声学装置100，通过将预设数量的超构吸声单元120与声源组件110连接，可以吸收输入的目标频段的声波，从而有利于直观地展示超构吸声单元的吸声机制以及吸声效果；另一方面，由于超构吸声单元120与声源组件110可拆卸连接，从而可根据要吸收的目标频段来配置超构吸声单元120的数量，即能够适配不同声源，拓宽了声学装置100的适用范围；并且，拆卸后的声源组件110以及各超构吸声单元120可分别独立携带，方便外出组装演示。
在一实施例中，如图2至图4所示，声学装置100还包括沿声波输出端口轴线AX交替排布的多个连接管130和多个第一套筒140，第一套筒140的一端与声波输出端口1100可拆卸连接，连接管130的两端分别与相邻的两个第一套筒140可拆卸连接；其中，连接管130的表面开设有连接端口1300，连接端口1300与超构吸声单元120的声波输入端口1200可拆卸连接。在另一实施方式中，声学装置100同样包括沿声波输出端口轴线AX交替排布的多个连接管130和多个第一套筒140，但可改由连接管130的一端与声波输出端口1100可拆卸连接，此时，第一套筒140的两端分别与相邻的两个连接管130可拆卸连接。上述两个方式均能将声波传输至超构吸声器进行吸声，技术人员可根据实际情况进行选择。
通过上述方式可使目标频段的声波沿多个第一套筒140和多个连接管130形成的管道传输，进而经各个连接端口1300输入至各超构吸声单元120以被个超构吸声单元120吸收。而当目标频段改变时，则可通过继续串接或拆卸第一套筒140和连接管130的方式来增减超构吸声单元120的数量，来对应调整超构吸声器的吸声频段，从而保证超构吸声器的吸声效果；当然，还可通过增减超构吸声单元120中的共振腔体积来调整超构吸声器的吸声频段。而当演示完毕时，则可将各超构吸声单元120、各连接端口130以及各第一套筒140依次拆卸下来，方便装包携带。除此之外，也有利于后续对各第一套筒140、各连接器130以及各超构吸声单元120的清洗及维护。
进一步的，如图3和图4所示，连接管130内靠近连接管130的两端分别设置有第一限位部131和第二限位部132，连接管130的两端分别套设于相邻的两个第一套筒140并通过第一限位部131和第二限位部132抵接在该两个第一套筒140之间。以图3中左数第一个连接管130为例，该连接管的第一限位部131和第二限位部132均沿连接管130的径向向内凸出，且第一限位部131具有第一限位面，第二限位部132具有第二限位面，图3中左数第一个第一套筒一端与声波输出端口1100可拆卸连接，另一端伸入该连接管内130内部并抵接在该第一限位面上，而左数第二个第一套筒140的靠近声源组件110的一端也伸入该连接管130内并抵接该第二限位面上，进而对该连接管130完成固定，接着，以此类推，可对后续其他的连接管130均完成固定。需要指出的是，第一套筒140伸入连接管130中时，第一套筒140的外壁与连接管130的内壁可以是滑动接触，当然，也可以采用螺纹旋进的方式连接第一套筒140和连接管130。通过上述方式可以使第一套管140与连接管130之间实现无缝隙连接，从而有利于保证声波在连接管130内传播的顺畅性。
在一实施例中，如图3所示，超构吸声单元120包括亥姆霍兹共振器，亥姆霍兹共振器包括第二套筒121，与连接端口1300可拆卸连接；活塞头122，设置在第二套筒121内；以及活塞杆123，与活塞头122连接，用于在外力作用下驱动活塞头122在第二套筒121内往复移动。
具体的，该亥姆赫兹共振器(NEHR)的工作原理主要为：当声音通过声源处进入第二套筒121腔体后通过调整活塞头122的位置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，特别当声波频率在腔体的共振频率附近时，将有很好的吸声效果。通过上述方式，本发明在参考共鸣腔阵列型声学超构材料的功能基元的基础上，利用相近的原理将该功能基元进行了放大，从而可直观地向用户展示声学超构材料的基本结构，并在此基础上演示其吸声降噪效果。
进一步的，对于不同的目标频段，可以通过增加或减少亥姆霍兹共振器的数量来调整超构吸声器的吸声频段，也可以通过推动或拉伸活塞头122来改变亥姆霍兹共振器的共振腔体积进而调整超构吸声器的吸声频段，从而拓宽了超构吸声器的适用频段范围，有利于更好地展示超构吸声器的吸声机制和吸声效果。进一步的，活塞头122的行程为0mm～100mm，例如可以是10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm或100mm。当行程超过100mm时，吸声效果会下降，且容易导致声学装置100的体积过大，不利于携带组装，同时也会增加制备成本。控制活塞头122的行程小于100没有利于在保证较佳吸声效果的同时，减小装置的体积，并控制成本。
在另一实施例中，超构吸声单元120包括微穿孔板吸声器(图未示出)，微穿孔板吸声器包括外壳体，外壳体的一端封闭，另一端设有声波输入端口；该声波输入端口即与连接管130的连接端口可拆卸连接；以及预设层数的微穿孔板，设置在外壳体内部。
具体的，微穿孔板不用任何多孔吸声材料，只在厚度小于1mm的薄金属板上钻许多微孔，并在穿孔板后留有一定的空腔，就成为微穿孔板吸声器。微穿孔板吸声器是一种低声质量、高声阻的共振吸声结构。微穿孔板的孔洞性状、振动阻抗、振动模态、背腔性状等一系列特征都会影响它的吸声性能，但是总的来看，单一设计的单层微穿孔板很难实现宽频吸声。为了突破其吸声频带过窄的固有特点，类似于共鸣腔阵列的分布式设计，研究人员利用多层微穿孔板的层叠式设计(例如双层微穿孔板)，将智能算法与结构设计结合起来，实现了模拟退火算法解决多层微穿孔板吸声结构的优化问题。
由于微穿孔板通常为矩形板，因此可对应将前述实施例中的圆形套筒替换为方形套筒以适配微穿孔板的形状。进一步的，对于不同的目标频段，可以通过增加或减少微穿孔板吸声器的数量来调整超构吸声器的吸声频段，也可以通过增加或减少内部微穿孔板的层数来改变微穿孔板吸声器的共振腔体积进而调整超构吸声器的吸声频段，从而拓宽了超构吸声器的适用频段范围，有利于更好地展示超构吸声器的吸声机制和吸声效果。
在一实施例中，声源组件110包括声源，声源可通过法兰与第一套管140或连接管130可拆卸连接。如此，一方面可以将声源与超构吸声器连通，另一方面可以提升声源组件110的密封性，避免声波外泄。
在另一实施例中，声学装置还包括连接管。该连接管一体成型，且其一端与声波输出端口可拆卸连接，另一端沿声波输出端口的轴线方向延伸预设长度。连接管的表面开设有预设数量的连接端口，连接端口与超构吸声单元的声波输入端口可拆卸连接。该实施例中省去了第一套筒和连接管的逐级连接，虽然增加了携带的体积，但是也方便了组装。
本申请还提供一种如前文所述的声学装置的使用方法。具体的，如图5所示，该使用方法包括：
S210、开启声源组件110，以提供目标频段的声波。
S220、根据该目标频段增加或减少超构吸声单元的数量，和/或增加或减少超构吸声单元的共振腔体积，以消除目标频段的声波。
具体的，超构吸声单元包括亥姆霍兹共振吸声器和微穿孔板吸声器中的至少一种。有关亥姆霍兹共振吸声器和微穿孔板吸声器的吸声机制可参考前文描述，此处便不再赘述。
上述声学装置的使用方法，可根据不同的目标频段来实时增减超构吸声单元的数量，并实时调整超构吸声单元的共振腔体积，从而可实时展示超构吸声单元在不同目标频段范围内的吸声效果。
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)

1.一种声学装置，其特征在于，包括：
声源组件，具有声波输出端口，被配置为输出目标频段的声波；
超构吸声器，具有预设数量的超构吸声单元，每个所述超构吸声单元具有声波输入端口，所述声波输入端口与所述声波输出端口连通；
其中，每个所述超构吸声单元与所述声源组件可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述的声学装置，其特征在于，所述声学装置还包括沿所述声波输出端口轴线交替排布的多个连接管和多个第一套筒，所述第一套筒的一端与所述声波输出端口可拆卸连接，所述连接管的两端分别与相邻的两个所述第一套筒可拆卸连接；
其中，所述连接管的表面开设有连接端口，所述连接端口与所述超构吸声单元的声波输入端口可拆卸连接。
3.根据权利要求2所述的声学装置，其特征在于，所述连接管内靠近所述连接管的两端分别设置有第一限位部和第二限位部，所述连接管的两端分别套设于相邻的两个所述第一套筒并通过所述第一限位部和所述第二限位部抵接在该两个所述第一套筒之间。
4.根据权利要求1所述的声学装置，其特征在于，所述声学装置还包括连接管，所述连接管的一端与所述声波输出端口可拆卸连接，所述连接管的表面开设有所述预设数量的连接端口，所述连接端口与所述超构吸声单元的声波输入端口可拆卸连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的声学装置，其特征在于，所述超构吸声单元包括亥姆霍兹共振器，所述亥姆霍兹共振器包括：
第二套筒，与所述连接端口可拆卸连接；
活塞头，设置在所述第二套筒内；以及，
活塞杆，与所述活塞头连接，用于在外力作用下驱动所述活塞头在所述第二套筒内往复移动。
6.根据权利要求5所述的声学装置，其特征在于，所述活塞头的行程为0mm～100mm。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的声学装置，其特征在于，所述超构吸声单元包括微穿孔板吸声器，所述微穿孔板吸声器包括：
外壳体，所述外壳体的一端封闭，另一端设有所述声波输入端口；以及，
预设层数的微穿孔板，设置在所述外壳体内部。
8.根据权利要求7所述的声学装置，其特征在于，所述预设层数大于或等于2。
9.一种如权利要求1-4中任一项所述的声学装置的使用方法，其特征在于，包括：
开启所述声源组件，以提供目标频段的声波；
根据该目标频段增加或减少所述超构吸声单元的数量，和/或增加或减少所述超构吸声单元的共振腔体积，以消除所述目标频段的声波。
10.根据权利要求9所述的声学装置的使用方法，其特征在于，所述超构吸声单元包括亥姆霍兹共振吸声器和微穿孔板吸声器中的至少一种。
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