CN113362793A - 一种双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，声学刚性骨架板的内部平行均匀分布有若干贯通声学刚性骨架板上表面和下表面的双向粗糙微通道，双向粗糙微通道的长度方向垂直于声学刚性骨架板的板面，声学刚性骨架板的下表面固定在需要声学处理的物体表面，形成双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构。本发明具有优异的吸声性能以及良好的承载能力，结构轻薄简单，安装使用方便；在设计方面具有更多的可调参数，可根据实际使用情况进行相应的调节，实现对特定频率噪声的高效吸收。

Description

一种双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构

技术领域

本发明属于空气吸声技术领域，具体涉及一种双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构。

背景技术

多孔吸声材料是一种利用热粘性耗散机理的典型吸声结构，在实际应用当中，通常利用平行排布的圆形微通道形成多孔吸声结构对声能进行吸收，从而实现影视剧院、会客议厅、交通设施等的吸隔声降噪。然而现有的平行排布微通道多孔吸声材料，其孔形一般为光滑的圆形，也有单向粗糙的孔形，但仍然存在着吸声效果不佳、吸声频带可调性差、吸声峰值频率偏高的普遍缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，构造简单，易于实用，可调参数多，优势明显。

本发明采用以下技术方案：

一种双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，包括声学刚性骨架板，声学刚性骨架板的内部平行均匀分布有若干贯通声学刚性骨架板上表面和下表面的双向粗糙微通道，双向粗糙微通道的长度方向垂直于声学刚性骨架板的板面，声学刚性骨架板的下表面固定在需要声学处理的物体表面，形成双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构。

具体的，声学刚性骨架板的厚度为10～50mm。

具体的，声学刚性骨架板的形状为圆形、多边形或不规则形。

具体的，声学刚性骨架板的孔隙率为30％～50％。

具体的，双向粗糙微通道的平均内半径R_n为0.3～0.5mm。

具体的，双向粗糙微通道的轴向相对粗糙度ε_a为0.1～0.2。

具体的，双向粗糙微通道的轴向波数β_a为1～12。

具体的，双向粗糙微通道的周向相对粗糙度ε_c为0.1～0.2。

具体的，双向粗糙微通道的周向波数β_c为3～12。

具体的，双向粗糙微通道的壁面半径满足以下函数关系：

R(z,θ)＝R_n×[1+2ε_a×cos(β_a×z/2/R_n)][1-2ε_c×sin(β_c×θ)]

其中，R_n为双向粗糙微通道的平均内半径，ε_a为双向粗糙微通道的轴向相对粗糙度，β_a双向粗糙微通道的轴向波数，z为沿双向粗糙微通道长度方向的坐标，ε_c为双向粗糙微通道的周向相对粗糙度，β_c为双向粗糙微通道的周向波数，θ为沿双向粗糙微通道周向的坐标。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，包括声学刚性骨架板和双向粗糙微通道，双向粗糙微通道长度方向垂直于声学刚性骨架板的板面，且平行均匀排布于声学刚性骨架板中，通过在微通道中引入双向粗糙度，改善了整个多孔材料的声学阻抗特性，提升了其吸声性能，并且使得峰值频率向低频移动，对双向粗糙微通道的壁形进行简单的调整就能实现对整个多孔材料吸声频带和吸声性能的控制。

进一步的，声学刚性骨架板的厚度为10～50mm，板厚度的改变不仅决定着整个结构的总体厚度，同时也决定着双向粗糙微通道的长度，改变板的厚度可以调节整体结构的吸声频带和吸声性能。

进一步的，声学刚性骨架板的形状可以为圆形、多边形或不规则形，可以根据实际情况进行设计调节，以更好适应实际应用需求。

进一步的，声学刚性骨架板的孔隙率为30％～50％，板孔隙率的改变决定着整个结构中包含双向粗糙微通道的多少，改变板的孔隙率可以调节整体结构的吸声频带和吸声性能。

进一步的，双向粗糙微通道的平均内半径为0.3～0.5mm，双向粗糙微通道的内半径决定了微通道内空气柱的直径，通过调节双向粗糙微通道的内半径可以改变结构的声阻抗特性，从而调节整体结构的吸声性能。

进一步的，双向粗糙微通道的轴向相对粗糙度为0.1～0.2，双向粗糙微通道的轴向相对粗糙度决定了微通道内空气柱的直径沿微通道轴向的变化幅值以及与微通道壁面接触面积的大小，通过对双向粗糙微通道轴向相对粗糙度的调节可以达到对整体结构声阻抗调节的目的，进而实现对结构吸声特性的调控。

进一步的，双向粗糙微通道的轴向波数为1～12，双向粗糙微通道的轴向波数决定了微通道内空气柱的直径沿微通道轴向变化的快慢，通过对双向粗糙微通道轴向波数的调节可以达到对整体结构声阻抗调节的目的，从而实现对结构吸声性能的调控。

进一步的，双向粗糙微通道的周向相对粗糙度为0.1～0.2，双向粗糙微通道的周向相对粗糙度决定了双向粗糙微通道内空气柱的直径沿微通道周向变化幅值以及与微通道壁接触面积的大小，通过对双向粗糙微通道周向相对粗糙度的调节可以达到对整体结构声阻抗调节的目的，进而实现对结构吸声性能的控制。

进一步的，双向粗糙微通道的周向波数为3～12，双向粗糙微通道的周向波数决定了双向粗糙微通道内空气柱的直径沿微通道周向变化的快慢，通过对双向粗糙微通道周向波数的调节可以达到对整体结构声阻抗调节的目的，从而实现对结构吸声性能的调控。

进一步的，双向粗糙微通道的长度方向垂直于声学刚性骨架板的板面，双向粗糙微通道的壁面形状由其半径函数R(z,θ)控制确定，通过改变其中的参数就可以实现对其壁形的轻松控制，从而达到调节整体结构声学性能的目的

综上所述，本发明具有优异的吸声性能以及良好的承载能力，结构轻薄简单，安装使用方便；在设计方面具有更多的可调参数，可根据实际使用情况进行相应的调节，实现对特定噪声的高效吸收。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构示意图，其中，(a)为双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构示意图，(b)为双向粗糙微通道剖视图；

图2为本发明三个实施例在100～10000Hz内的吸声系数示意图。

其中：1.声学刚性骨架板；2.双向粗糙微通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，将双向粗糙微通道平行均匀排布于声学刚性骨架板中形成多孔吸声结构，通过在微通道壁面上引入双向粗糙度，改善了整个多孔材料的声学阻抗特性，提升了其吸声性能，并且使得峰值频率向低频移动，对双向粗糙微通道的壁形进行简单的调整就能实现对整个多孔材料吸声频带和吸声性能的控制，解决了现有多孔吸声结构中普遍存在的吸声效果不佳、吸声频带可调性差、吸声峰值频率偏高等问题。

请参阅图1，本发明一种双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，包括声学刚性骨架板1和双向粗糙微通道2，声学刚性骨架板1的内部平行均匀分布有垂直贯通声学刚性骨架板上下表面的双向粗糙微通道2，声学刚性骨架板1的下表面固定在需要声学处理的物体表面，形成一种双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构。

声学刚性骨架板1的厚度为10～50mm。

声学刚性骨架板1的形状为圆形、多边形或不规则形。

声学刚性骨架板1的孔隙率为30％～50％。

声学刚性骨架板1采用钢材、合金、树脂、木材或复合材料等硬质材料制成。

双向粗糙微通道的长度方向垂直于声学刚性骨架板1的板面，且平行均匀分布于声学刚性骨架板1中，双向粗糙微通道的平均内半径R_n为0.3～0.5mm，双向粗糙微通道的轴向相对粗糙度ε_a为0.1～0.2，双向粗糙微通道的轴向波数β_a为1～12，双向粗糙微通道的周向相对粗糙度ε_c为0.1～0.2，双向粗糙微通道的周向波数β_c为3～12。

双向粗糙微通道的壁面半径满足以下函数关系：

R(z,θ)＝R_n×[1+2ε_a×cos(β_a×z/2/R_n)][1-2ε_c×sin(β_c×θ)]

其中，R_n为双向粗糙微通道的平均内半径，ε_a为双向粗糙微通道的轴向相对粗糙度，β_a双向粗糙微通道的轴向波数，z为沿双向粗糙微通道长度方向的坐标，ε_c为双向粗糙微通道的周向相对粗糙度，β_c为双向粗糙微通道的周向波数，θ为沿双向粗糙微通道周向的坐标。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明由声学刚性骨架板、双向粗糙微通道组成，其吸声性能主要由板和微通道的参数决定，具体包括板的厚度、板的孔隙率、双向粗糙微通道的平均半径、双向粗糙微通道的轴向相对粗糙度、双向粗糙微通道的轴向波数、双向粗糙微通道的周向相对粗糙度、双向粗糙微通道的周向波数。由于这些结构参数均为可调参数，故可通过对相应参数的调节实现特定频率下的高效吸声。下面通过具体的实施例对本发明技术方案进行示例性说明。

实施例用材料：

结构钢：其特征是密度7850kg/m³，杨氏模量200GPa，泊松比0.2。

空气：其特征是密度1.29kg/m³，声速343m/s，动力粘度系数1.81×10^-5Pa·s。

对比例的结构尺寸以及材料选择：

对比例1

选择光滑平行排布微通道多孔吸声结构作为对比例1，其中，板厚度为10mm，板孔隙率为30％，光滑微通道半径为0.4mm。

对比例2

选择花瓣形平行排布微通道多孔吸声结构作为对比例2，其中，板厚度为10mm，板孔隙率为30％，花瓣形微通道平均半径为0.4mm，花瓣形微通道周向相对粗糙度为0.2，花瓣形微通道周向波数为3。

对比例3

选择轴向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构作为对比例3，其中，板厚度为10mm，板孔隙率为30％，轴向粗糙微通道平均半径为0.4mm，轴向粗糙微通道轴向相对粗糙度为0.2，轴向粗糙微通道轴向波数为12。

实施例的结构尺寸以及材料选择：

实施例1

板厚度为10mm，板孔隙率为30％，双向粗糙微通道平均半径为0.4mm，双向粗糙微通道轴向相对粗糙度为0.2，双向粗糙微通道轴向波数为12，双向粗糙微通道周向相对粗糙度0.2，双向粗糙微通道周向波数为3。

实施例2

板厚度为50mm，板孔隙率为40％，双向粗糙微通道平均半径为0.5mm，双向粗糙微通道轴向相对粗糙度为0.1，双向粗糙微通道轴向波数为8，双向粗糙微通道周向相对粗糙度0.1，双向粗糙微通道周向波数为8。

实施例3

板厚度为30mm，板孔隙率为50％，双向粗糙微通道平均半径为0.3mm，双向粗糙微通道轴向相对粗糙度为0.15，双向粗糙微通道轴向波数为1，双向粗糙微通道周向相对粗糙度0.15，双向粗糙微通道周向波数为12。

请参阅图2，双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构在更低的频率下实现了高效的吸声。通过在微通道壁面上引入双向粗糙度，使得整体结构的声学阻抗特性得到了改善，进而与空气的特性阻抗达到了完美的匹配，使本发明实现了完美的吸声效果。

请参阅图2，对比例1在8370Hz处达到吸声峰值，峰值大小为0.59，无法实现对噪声的高效吸收；对比例2在8210Hz处达到吸声峰值，峰值大小为0.73，无法实现对噪声的高效吸收；对比例3在6380Hz处达到吸声峰值，峰值大小为0.89，无法实现对噪声的高效吸收。

实施例1与对比例1、2、3具有相同的结构参数。与对比例1、2、3相比，实施例1的主要区别在于微通道的壁面具有双向粗糙度，其可在5800Hz处实现对噪声的高效吸收，吸声峰值高达0.98。与对比例1、2、3相比，在微通道壁面上引入双向粗糙度后，本发明实施例1的吸声峰值分别向低频移动了2570Hz(30.7％)、2410Hz(29.4％)、580Hz(9.1％)，吸声峰值大小提高了0.39(66.1％)、0.25(34.2％)、0.09(10.1％)。与对比例1、2、3相比，实施例1对噪声的吸收性能得到了很大的提升，且峰值频率较大幅度的向低频移动，此时结构厚度仅为10mm。

实施例2于进一步优化结构参数后，在4410Hz处实现对噪声的高效吸收，吸声峰值为0.99。与对比例1、2、3相比，实施例2的吸声峰值向低频移动了3960Hz(47.3％)、3800Hz(46.3％)、1970Hz(30.9％)，吸声峰值大小提高了0.40(67.8％)、0.26(35.6％)、0.10(11.2％)。与对比例1、2、3相比，实施例2对噪声的吸收性能得到了很大的提升，且峰值频率较大幅度的向低频移动，此时结构厚度仅为50mm。

实施例3于进一步优化结构参数后，在1780Hz处实现对噪声的高效吸收，吸声峰值为0.99。与对比例1、2、3相比，实施例3的吸声峰值向低频移动了6590Hz(78.7％)、6430Hz(78.3％)、4600Hz(72.1％)，吸声峰值大小提高了0.40(67.8％)、0.26(35.6％)、0.10(11.2％)。与对比例1、2、3相比，实施例3对噪声的吸收性能得到了很大的提升，且峰值频率较大幅度的向低频移动，此时结构厚度仅为30mm。

吸声系数曲线图表明本发明可在一定的频率范围内实现优异的吸声性能，且结构厚度薄，通过对不同结构参数进行优化设计可以实现对整体结构声学性能的控制。

综上所述，本发明一种双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构具有以下优点：

1、具有非常优异的吸声性能

本发明在100～10000Hz范围内的某些特定频率处的吸声系数可达到0.95以上，实现了整体结构的完美吸声。与现有平行排布微通道多孔吸声结构相比，其吸声峰值频率向低频移动了9.1％～78.7％，吸声峰值提高了10.1％～67.8％，并且结构厚度仅为10～50mm。

2、具有一定的承载能力和轻量化性能

本发明的骨架板由钢材等硬质材料制作而成，使得本结构具有一定的承载能力，且结构厚度仅为10～50mm，是一种具有承载、轻量化的吸声降噪多功能结构。

3、具有更多的可调参数和变量

本发明中的板厚度、板孔隙率、双向粗糙微通道的内半径、双向粗糙微通道的轴向相对粗糙度、双向粗糙微通道的轴向波数、双向粗糙微通道的周向相对粗糙度、双向粗糙微通道的周向波数均为可调参数，可根据实际应用场景的要求，如对承载性能的要求、对空间体积和重量的要求以及对特定频率噪声吸收的要求进行合理的设计调节。

4、结构简单，易于实用，便于安装。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，其特征在于，包括声学刚性骨架板(1)，声学刚性骨架板(1)的内部平行均匀分布有若干贯通声学刚性骨架板上表面和下表面的双向粗糙微通道(2)，双向粗糙微通道(2)的长度方向垂直于声学刚性骨架板(1)的板面，声学刚性骨架板(1)的下表面固定在需要声学处理的物体表面，形成双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构。

2.根据权利要求1所述的双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，其特征在于，声学刚性骨架板(1)的厚度为10～50mm。

3.根据权利要求1所述的双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，其特征在于，声学刚性骨架板(1)的形状为圆形、多边形或不规则形。

4.根据权利要求1所述的双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，其特征在于，声学刚性骨架板(1)的孔隙率为30％～50％。

5.根据权利要求1所述的双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，其特征在于，双向粗糙微通道(2)的平均内半径R_n为0.3～0.5mm。

6.根据权利要求1所述的双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，其特征在于，双向粗糙微通道(2)的轴向相对粗糙度ε_a为0.1～0.2。

7.根据权利要求1所述的双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，其特征在于，双向粗糙微通道(2)的轴向波数β_a为1～12。

8.根据权利要求1所述的双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，其特征在于，双向粗糙微通道(2)的周向相对粗糙度ε_c为0.1～0.2。

9.根据权利要求1所述的双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，其特征在于，双向粗糙微通道(2)的周向波数β_c为3～12。

10.根据权利要求1所述的双向粗糙平行排布微通道多孔吸声结构，其特征在于，双向粗糙微通道(2)的壁面半径满足以下函数关系：

R(z,θ)＝R_n×[1+2ε_a×cos(β_a×z/2/R_n)][1-2ε_c×sin(β_c×θ)]

其中，R_n为双向粗糙微通道的平均内半径，ε_a为双向粗糙微通道的轴向相对粗糙度，β_a双向粗糙微通道的轴向波数，z为沿双向粗糙微通道长度方向的坐标，ε_c为双向粗糙微通道的周向相对粗糙度，β_c为双向粗糙微通道的周向波数，θ为沿双向粗糙微通道周向的坐标。

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