CN113362794A

CN113362794A - 一种粗糙微通道多孔吸声结构

Info

Publication number: CN113362794A
Application number: CN202110506481.3A
Authority: CN
Inventors: 辛锋先; 刘懋霖
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2021-09-07

Abstract

本发明公开了一种粗糙微通道多孔吸声结构，包括多孔材料板和刚性背衬，材料板上开设有粗糙吸声孔，开孔方向均为垂直于材料板，多孔材料板上开设的吸声孔的粗糙孔形由余弦函数控制；本发明结构简单实用，具有较好的中低频段吸声性能以及较灵活的调节吸声功能，同时兼具重量轻的特点，具有良好且广泛的应用前景。

Description

一种粗糙微通道多孔吸声结构

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种粗糙微通道多孔吸声结构。

背景技术

现有的多孔吸声结构是一种利用内部吸声微通道的粘性耗散和热传导的方式来进行吸声的结构，主要应用于音乐厅、博物馆、图书馆、交通工具内壁面等场景。一般的多孔吸声结构上开设的孔隙为光滑圆孔，普遍存在着吸声频带不便于调节、吸声效果不佳的问题。

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，提供一种粗糙微通道多孔吸声结构，解决现有多孔吸声体吸声频带不便于调节、吸声效果不佳的问题，结构简单，使用方便，通过调节粗糙微通道参数达到调节吸声频带、提高吸声效果的多孔吸声体。

本发明采用以下技术方案：

一种粗糙微通道多孔吸声结构，包括多孔材料板，多孔材料板设置在刚性背衬上，多孔材料板上设置有孔隙率为30％～69.4％的吸声孔，吸声孔包括多个，采用平行排列或随机排列的方式间隔布置在多孔材料板上，吸声孔的内部为粗糙微通道，吸声孔的孔隙内壁面为余弦粗糙表面，粗糙微通道多孔吸声结构在1890～2690Hz带宽的吸声系数为0.8～0.99。

具体的，吸声孔的粗糙孔形由粗糙孔形函数r(x)确定，粗糙孔形包括粗糙孔形函数r(x)确定的一种或多种。

进一步的，粗糙孔形函数r(x)具体为：

r(x)＝r₀[1-2εcos(βx)]

其中，r₀为基准孔径，ε为粗糙因子相对粗糙度，β为空间波数，x为轴向无量纲化坐标。

更进一步的，吸声孔采用四方排布方式布置在多孔材料板上，吸声孔的基准孔径r₀为亚毫米级。

具体的，吸声孔的基准孔径r₀为0.1～0.8mm。

具体的，吸声孔的开孔方向垂直于多孔材料板。

具体的，多孔材料板朝向声源设置，刚性背衬背向声源设置。

具体的，多孔材料板的厚度为2～10cm。

具体的，多孔材料板采用木质板材、塑料、多孔纤维或多孔泡沫材料制成。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种粗糙微通道多孔吸声结构，采用多孔材料板和刚性背衬；通过调节孔隙粗糙微通道来实现吸声频带的调节，拓宽了多孔材料板应用的频带范围，吸声孔的孔隙率为30％～69.4％，这样可以提高材料的吸声效率，又使得材料更加轻质；其粗糙微通道的控制函数简单，易于调节。

进一步的，根据函数r(x)确定的粗糙微通道既能更好地耗散声能，又可以通过调节相对粗糙度和空间波数来调节吸声频带和频带范围，粗糙微通道为函数r(x)确定的一种或多种，从而达到较好调节吸声频带的目的。

进一步的，根据粗糙孔形函数r(x)来控制孔的表面形貌可以提高多孔材料的吸声性能，同时通过调节相对粗糙度和空间波数可以灵活的调节材料的吸声峰值、峰值频率以及吸声频带。

进一步的，吸声孔采用四方排布方式布置在多孔材料板上，这样使得多孔材料整体的吸声性能更加均匀。

进一步的，基准孔径r₀为0.1～0.8mm。这样既可以保证空气能够较好地进入吸声体，又不会导致因孔径过大而导致吸声效果不佳的情况。

进一步的，吸声孔的开孔方向垂直于多孔材料板设置可以使得声波能够更好的进入多孔材料。

进一步的，多孔材料板朝向声源，刚性背衬背向声源，保证声波得到更加充分的吸收，避免不必要的反射波产生。

进一步的，多孔材料板厚度为2～10cm时，既保证了多孔材料板具有一定刚度，又不会因太厚而使材料板重量太大。

进一步的，吸声面板采用木质板材，或者采用塑料、多孔纤维或多孔泡沫材料制成，从而使得多孔吸声结构能够在较轻的情况下也具有一定力学承载性能。

综上所述，本发明吸声体结构简单、使用方便、吸声效果极佳，具有较宽的吸声频带，可以适用于室内墙体和交通工具内壁面，能够较好地替代现有的人工多孔吸声体。

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为本发明一个实施例的三维结构示意图；

图2为图1中A部分的放大示意图；

图3为吸声效果的计算结果图。

其中：1.多孔材料板；2.刚性背衬；3.吸声孔。

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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

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。

本发明提供了一种粗糙微通道多孔吸声结构，在材料板上开设有粗糙吸声孔，开孔方向均为垂直于材料板，多孔材料板上开设的吸声孔的粗糙孔形由余弦函数控制；本发明结构简单实用，具有较好的中低频段吸声性能以及较灵活的调节吸声功能，同时兼具重量轻的特点，具有良好且广泛的应用前景。

请参阅图1，本发明一种粗糙微通道多孔吸声结构，包括多孔材料板1、刚性背衬2和吸声孔3，多孔材料板1设置在刚性背衬2上，吸声孔3包括多个，采用均匀或随机方式布置在多孔材料板1上，吸声孔3的内部为粗糙微通道，孔隙内壁面上存在余弦粗糙表面，吸声孔3的半径r是轴向坐标X的函数，且r(X)为：

r(X)＝r₀-ecos(2πX/b)

其中，r₀是基准孔半径，e是粗糙表面的幅值，b是一个粗糙周期结构的波长。

以2r₀作为特征长度对轴向坐标、粗糙表面幅值和波长进行无量纲化，得到轴向无量纲化坐标：

x＝X/2r₀

相对粗糙度：

ε＝e/2r₀

空间波数：

β＝4πr₀/b

将上述无量纲化参数代入到r(x)中，得到吸声孔3的粗糙孔形函数r(x)如下：

r(x)＝r₀[1-2εcos(βx)]

优选的，为达到较高吸声系数和较宽吸声频带，多孔材料板1上的吸声孔3采取四方排布方式，吸声孔3的基准孔径r₀应为亚毫米级，r₀为0.1～0.8mm。

多孔材料板1上吸声孔3的孔隙率为30％～69.4％，吸声孔3的开孔方向均垂直于多孔材料板1，孔隙率过小会导致声波难以进入吸声结构，孔隙率过大又会导致吸声体的吸声系数降低；而开孔方向垂直于材料板是使声波垂直入射时能够较好进入吸声结构，同时也可以降低加工难度。

多孔材料板1的厚度为2～10cm，开孔面板朝向声源，刚性背衬2背向声源，这样设计的目的是使得声音能够进入吸声体，并得到部分或全部吸收。

多孔材料板1采用木质板材，或者采用塑料、多孔纤维或多孔泡沫材料制成，让多孔材料板能够在较轻的情况下也具有一定力学承载性能。

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。

实施例

请参阅图1和图2，吸声体包括多孔材料板1和刚性背衬2。为方便观察该实施例中孔形的变化，图2中对多孔材料板1上开设的吸声孔3进行了放大，观察粗糙孔形。

多孔材料板1的厚度为3cm，多孔材料板1上均匀开有基准孔径r₀为0.3mm的吸声孔，以便让噪音进入吸声结构，从而达到吸收声音的目的。吸声孔3采取四方排布，孔隙率为40％。粗糙因子ε变化范围是[0,0.2]，β变化范围是[0,6π]。

在本实施例中，光滑圆孔(ε＝0，β任意)对应吸声体的吸声系数在2690Hz最大可达0.80，0.5以上吸声系数的带宽可达到1640Hz(从2000～3640Hz)。

请参阅图3，通过引入粗糙表面，粗糙孔形1(ε＝0.2，β＝2π)对应吸声体的吸声系数在2210Hz最大可达0.98，0.5以上吸声系数的带宽可达到1780Hz(从1510～3290Hz)；

粗糙孔形2(ε＝0.1，β＝6π)对应吸声体的吸声系数在2400Hz最大可达0.91，0.5以上吸声系数的带宽可达到1680Hz(从1710～3390Hz)；

粗糙孔形3(ε＝0.2，β＝6π)对应吸声体的吸声系数在1890Hz最大可达0.99，0.5以上吸声系数的带宽可达到1510Hz(从1300～2810Hz)。

在本实施例中，粗糙微通道多孔吸声结构的最高吸声系数得到了明显提升，相比于传统光滑圆孔吸声体最大提升了23.8％。

在本实施例中，粗糙微通道多孔吸声结构的最高吸声系数对应的频率的降低，相比于传统光滑圆孔吸声体最大降低了29.7％。

本实施例能够在相同基准孔径、孔隙率的情况下，达到比传统光滑圆孔吸声体更好的吸声效果。

综上所述，本发明一种粗糙微通道多孔吸声结构，通过调节吸声孔的粗糙微通道的相对粗糙度和空间波数能够很大程度的提升吸声体吸收声音的能力，并可以调节吸声峰值对应的频率以及吸声频带，更好的适用于不同工况下对吸声降噪的要求。

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

1.一种粗糙微通道多孔吸声结构，其特征在于，包括多孔材料板(1)，多孔材料板(1)设置在刚性背衬(2)上，多孔材料板(1)上设置有孔隙率为30％～69.4％的吸声孔(3)，吸声孔(3)包括多个，采用平行排列或随机排列的方式间隔布置在多孔材料板(1)上，吸声孔(3)的内部为粗糙微通道，吸声孔(3)的孔隙内壁面为余弦粗糙表面，粗糙微通道多孔吸声结构在1890～2690Hz带宽的吸声系数为0.8～0.99。

2.根据权利要求1所述的粗糙微通道多孔吸声结构，其特征在于，吸声孔(3)的粗糙孔形由粗糙孔形函数r(x)确定，粗糙孔形包括粗糙孔形函数r(x)确定的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的粗糙微通道多孔吸声结构，其特征在于，粗糙孔形函数r(x)具体为：

r(x)＝r₀[1-2εcos(βx)]

4.根据权利要求3所述的粗糙微通道多孔吸声结构，其特征在于，吸声孔(3)采用四方排布方式布置在多孔材料板(1)上，吸声孔(3)的基准孔径r₀为亚毫米级。

5.根据权利要求1所述的粗糙微通道多孔吸声结构，其特征在于，吸声孔(3)的基准孔径r₀为0.1～0.8mm。

6.根据权利要求1所述的粗糙微通道多孔吸声结构，其特征在于，吸声孔(3)的开孔方向垂直于多孔材料板(1)。

7.根据权利要求1所述的粗糙微通道多孔吸声结构，其特征在于，多孔材料板(1)朝向声源设置，刚性背衬(2)背向声源设置。

8.根据权利要求1所述的粗糙微通道多孔吸声结构，其特征在于，多孔材料板(1)的厚度为2～10cm。

9.根据权利要求1所述的粗糙微通道多孔吸声结构，其特征在于，多孔材料板(1)采用木质板材、塑料、多孔纤维或多孔泡沫材料制成。