CN115223528A - 一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置 - Google Patents

一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，包括依次连接的若干单体结构；每个单体结构包括外壳体、穿孔板、多个弯折路径控制板组件；穿孔板中部开有由若干均匀排列的亚毫米至毫米级圆孔组成的微孔阵列；在外壳体内部腔体中，多个弯折路径控制板组件均匀布置在微孔阵列周围；当声波从所述微孔阵列进入到外壳体空腔内部后，扩散并受外壳体空腔壁面阻挡，进入弯折路径控制板组件；声波能量一部分经过微孔阵列摩擦而耗散，弯折路径控制板组件增大了声波的传播路径，增加声能损耗，使吸收峰值向低频移动。

Description

一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置
技术领域
本发明属于低频吸声技术设计领域，具体为一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置。
背景技术
中低频噪声的穿透能力强、波长大且具有较强的衍射能力，这导致了吸声结构和空气介质之间的相互作用较弱，声能耗散低。传统的吸声材料如多孔材料、微穿孔板等结构，只在结构厚度为四分之一波长时实现低频声波的完美吸收，这导致结构厚度大、适用性低。而声学超结构的厚度具有深度亚波长尺寸，这突破了传统吸声材料四分之一波长厚度的限制，为设计超薄低频吸声结构提供了解决方案。
空间弯折式共振结构，目的是将垂直于声波入射方向的腔体折叠起来，使腔体阻抗和介质阻抗匹配来实现完美吸收。
如李东庭等人在科学通报发表的“基于微穿孔板和卷曲背腔复合结构的低频宽带吸声体”，采用微穿孔板覆盖在等截面空间弯折通道顶部的方式，设计出在100mm结构厚度下，共振频率为429Hz的吸声超结构，但是该方案吸声带宽较窄，仅为39％。
在专利公开号为CN110767207A的中国专利中，提出中心有内嵌圆孔的穿孔盖板组成的顶板、由螺旋分隔板和螺旋空腔组成的吸声空腔以及无孔挡板组成的底板三个部分组成螺旋结构吸声体，设计出超薄多吸收峰低频吸收器，虽然在低频范围(<500Hz)有两个吸收峰分别是146Hz和417Hz，但是每个吸收峰值的吸收带宽非常窄，分别是6.8％和2.3％。
在专利公开号为CN111549922A的中国专利中，设计了一种内插折角导声通廊式超结构及其制成的低频吸声装置，其具体是由外壳为长方体，顶部开口构成透声缝，每两个内插折角板对称分布，每块内插折角板内壁与外壳内壁围成的空腔构成空气腔，每两块内插折角板之间及每块内插折角板外壁与外壳内壁之间均形成空腔以此形成导声通廊。结果显示在50Hz-200Hz内的平均吸声系数为0.54，且在100Hz和200Hz的吸收峰值大于0.9，但是由于表面覆盖的多孔材料容易受到环境影响，导致超结构的吸收效耐久性较差，阻碍了实际应用。
发明内容
针对目前现有技术中空间弯折式超结构吸声频带较窄，以及需要多类型吸声材料组合以提高吸声效果，容易受到外界条件影响的问题，本发明提出一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，将穿孔板结构和斜面弯折空腔相结合，克服了传统低频吸声结构厚度的限制，并且能够降低吸声频率，扩大吸收带宽。
本发明的技术方案为：
所述一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，包括依次连接的若干单体结构；每个单体结构包括外壳体、穿孔板、多个弯折路径控制板组件；
所述外壳体由下面板和四周框板组成；所述外壳体顶部固定安装穿孔板；所述穿孔板中部开有由若干均匀排列的亚毫米至毫米级圆孔组成的微孔阵列；在外壳体内部腔体中，多个弯折路径控制板组件均匀布置在微孔阵列周围；
当声波从所述微孔阵列进入到外壳体空腔内部后，扩散并受外壳体空腔壁面阻挡，进入弯折路径控制板组件；声波能量一部分经过微孔阵列摩擦而耗散，弯折路径控制板组件增大了声波的传播路径，增加声能损耗，使吸收峰值向低频移动。
进一步的，所述弯折路径控制板组件包括隔板、斜面板、垂直板和水平板；其中斜面板一端固定在穿孔板上，且位于微孔阵列一侧，所述斜面板偏向同侧的外壳体框板，与穿孔板形成夹角θ；所述斜面板另一端连接垂直板一端，所述垂直板垂直于穿孔板；所述垂直板另一端连接水平板一端，所述水平板平行于穿孔板，且水平板指向同侧的外壳体框板，并与同侧的外壳体框板具有间隙；在所述水平板与所述穿孔板之间具有隔板，所述隔板平行于所述穿孔板，且所述隔板一端固定在外壳体框板上，隔板另一端与所述垂直板之间具有间隙。
进一步的，所述亚毫米至毫米级圆孔孔径为0.3mm～0.8mm。
进一步的，所述亚毫米至毫米级圆孔的孔间距离为3.53mm～5.03mm。
进一步的，所述穿孔板总穿孔率为2％～10％。
进一步的，所述角度θ的值为24.62°～71.05°。
进一步的，所述穿孔板的厚度是0.5mm～2mm；所述下面板和四周框板的厚度是0.5mm～1.5mm。
进一步的，所述隔板和所述水平板的长度为5mm～10mm，所述垂直板的长度为3mm～4mm；所述斜面板的长度为9.6mm～35.94mm。
进一步的，各个弯折路径控制板组件的水平板与下面板的距离相等，均为10mm～40mm；各个弯折路径控制板组件的水平板与各自侧面的外壳体框板间隙相等，均为2mm～4mm；各个弯折路径控制板组件中的隔板与垂直板的间隙相等，均为2mm～4mm；各个弯折路径控制板组件中的隔板与水平板的距离相等，均为2mm～4mm。
进一步的，当声波从所述微孔阵列进入到外壳体空腔内部后，沿各个弯折路径控制板组件的斜面板扩散，之后分成多路，分别进入各个弯折路径控制板组件的通道，最后落入弯折路径控制板组件各自与穿孔板组成的半封闭空间内。
进一步的，外壳体、穿孔板、以及弯折路径控制板组件采用工程塑料或是轻质金属制成。
有益效果
本发明的优点在于结构形状简单，使用范围广泛，不易受到环境影响。吸声峰值频率低，吸声频带宽，在吸声降噪工程中有广阔的使用前景。进一步产生的有益效果如下：
1、本发明提出了一种低频宽带的微穿孔板覆盖的斜面弯折空腔吸声超结构；声源产生的声波首先通过亚毫米至毫米级的孔进入到空腔的内部，声波携带的能量一部分由于经过亚毫米至毫米级的孔时产生摩擦而耗散，其次，声波通过两个弯折路径控制板组件组成的两个横截面变化的弯折空腔后，由于弯折空腔增加了声波的传播路径，因此进一步的增加声能损耗，这导致吸收峰值向低频移动。最后，现有的弯折空腔超结构的吸声频率高，吸声频带窄，针对此问题，弯折路径控制板组件采用斜面弯折空腔吸声超结构，具有吸声峰值频率低，吸声频带宽的优势。
2、通过实施例可以看出，本发明相比于现有的具有相同弯折数的三通道弯折空腔吸声超结构，拓宽吸声带宽(吸收系数的半最大值处的两个频率之差与峰值频率的比值)，且共振频率向低频移动。
3、通过在传统微穿孔板吸结构的空腔内，引入沿着微孔阵列两侧呈对称分布的弯折路径控制板组件形成空腔，实现吸声结构在总厚度不改变的情况下共振频率向低频移动。同时可以将不同尺寸斜面弯折空腔并行排列，分别覆盖不同穿孔率、孔径和厚度的穿孔板，实现低频宽吸声超结构。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明坐标定义和单独结构组成示意图
图2为本发明单独结构尺寸示意图
图3为本发明第二结构示意图
图4为本发明的声波路径示意图
图5为本实施例1中吸声曲线示意图
图6为本实施例2中吸声曲线示意图
附图1标记说明：1、穿孔板；2、下面板；3、左框板；4、右框板；5、前框板；6、后框板；7、第一隔板；8、第一弯折路径控制板组件；8-Ⅰ、第一斜面板；8-Ⅱ、第一垂直板；8-Ⅲ、第一水平板；9、第二隔板；10、第二弯折路径控制板组件；10-Ⅰ、第二斜面板；10-Ⅱ、第二垂直板；10-Ⅲ、第二水平板；11、亚毫米至毫米级孔。
附图2标记说明：W-外壳体宽度；L-外壳体长度；H-外壳体高度；H1-第一水平板和下面板的距离；H2-第一水平板和第一隔板的距离；w1-第一隔板和第一垂直板距离；w2-第一水平板和左框板的距离；H3-第二水平板和下面板的距离；H4-第二水平板和第二隔板的距离；w3-第二隔板和第二垂直板的距离；w4-第二水平板和右框板的距离；θ-斜面板和穿孔板的夹角。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明提出的基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，包括依次连接的若干单体结构，通过不同单体结构能够对应不同的吸收峰值，从而在更大范围内提升吸声效果。
如图1～图4所示，本基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置包括若干单体结构，每个单体结构包括外壳体、穿孔板1、第一弯折路径控制板组件和第二弯折路径控制板组件。
所述外壳体由下面板2和四周框板(包括左框板3，右框板4，前框板5和后框板6)组成；所述外壳体顶部固定安装穿孔板1；穿孔板1和下面板2互相平行，左框板3和右框板4互相平行，并与下面板2互相垂直，前框板5和后框板6互相平行，并与下面板2互相垂直；穿孔板1朝向声源，下面板2背向声源。所述穿孔板中部开有由若干均匀排列的亚毫米至毫米级圆孔11组成的微孔阵列；在外壳体内部腔体中，第一弯折路径控制板组件8与第二弯折路径控制板组件10对称固定在微孔阵列两侧。
所述穿孔板中的亚毫米至毫米级圆孔孔径为0.3mm～0.8mm，孔间距离为3.53mm～5.03mm，总穿孔率为2％～10％。所述穿孔板的厚度是0.5mm～2mm；所述下面板和四周框板的厚度是0.5mm～1.5mm。所述隔板和所述水平板的长度为5mm～10mm，所述垂直板的长度为3mm～4mm；所述斜面板的长度为9.6mm～35.94mm。
所述角度θ的值为24.62°～71.05°。由于对称性，第一弯折路径控制板组件以及第二弯折路径控制板组件中的水平板与下面板的距离相等，均为10mm～40mm；第一弯折路径控制板组件以及第二弯折路径控制板组件中的水平板与各自侧面的外壳体框板间隙相等，均为2mm～4mm；第一弯折路径控制板组件以及第二弯折路径控制板组件中的隔板与垂直板的间隙相等，均为2mm～4mm；第一弯折路径控制板组件以及第二弯折路径控制板组件中的隔板与水平板的距离相等，均为2mm～4mm。
第一弯折路径控制板组件包括第一隔板7、第一斜面板8-Ⅰ、第一垂直板8-Ⅱ和第一水平板8-Ⅲ；其中第一斜面板8-Ⅰ一端固定在穿孔板上，且位于微孔阵列左侧，所述第一斜面板8-Ⅰ向同侧的左框板3倾斜，并与穿孔板形成夹角θ；所述第一斜面板8-Ⅰ另一端连接第一垂直板8-Ⅱ一端，所述第一垂直板8-Ⅱ垂直于穿孔板；所述第一垂直板8-Ⅱ另一端连接第一水平板8-Ⅲ一端，所述第一水平板8-Ⅲ平行于穿孔板，且第一水平板8-Ⅲ指向同侧的左框板3，并与左框板3具有间隙；在所述第一水平板8-Ⅲ与所述穿孔板之间具有第一隔板7，所述第一隔板7平行于所述穿孔板，且所述第一隔板7一端固定在左框板3上，第一隔板7另一端与所述第一垂直板8-Ⅱ之间具有间隙；第一弯折路径控制板组件实现空腔左侧的斜面弯折通道。
第二弯折路径控制板组件包括第二隔板9、第二斜面板10-Ⅰ、第二垂直板10-Ⅱ和第二水平板10-Ⅲ；其中第二斜面板10-Ⅰ一端固定在穿孔板上，且位于微孔阵列右侧，所述第二斜面板10-Ⅰ向同侧的右框板4倾斜，并与穿孔板形成夹角θ；所述第二斜面板10-Ⅰ另一端连接第二垂直板10-Ⅱ一端，所述第二垂直板10-Ⅱ垂直于穿孔板；所述第二垂直板10-Ⅱ另一端连接第二水平板10-Ⅲ一端，所述第二水平板10-Ⅲ平行于穿孔板，且第二水平板10-Ⅲ指向同侧的右框板4，并与右框板4具有间隙；在所述第二水平板10-Ⅲ与所述穿孔板之间具有第二隔板9，所述第二隔板9平行于所述穿孔板，且所述第二隔板9一端固定在右框板4上，第二隔板9另一端与所述第二垂直板10-Ⅱ之间具有间隙；第二弯折路径控制板组件实现空腔右侧的斜面弯折通道。
当声波从所述微孔阵列进入到外壳体空腔内部后，沿第一弯折路径控制板组件以及第二弯折路径控制板组件的斜面板扩散，之后分成两路，分别进入第一弯折路径控制板组件以及第二弯折路径控制板组件的通道，最后落入两个弯折路径控制板组件各自与穿孔板组成的半封闭空间内。
穿孔板、组成弯折路径控制板组件的各板、外壳体的材质为工程塑料或者轻质金属如铝、不锈钢等，通过结构钎焊(或胶粘)实现结构固定连接。
实施例1：
本实施例为一个单体结构，外形尺寸W、L和H是51.5mm、33.5mm和53.5mm，下面板2、左框板3右框板4、前框版5和后框板6和第一弯折路径控制板组件8以及第二弯折路径控制板组件10中隔板的厚度都是1mm，穿孔板1和下面板2的尺寸W和L分别是51.5mm和33.5mm，左框板3和右框板4的尺寸均是L和H分别是33.5mm和53.5mm，前框版5和后框板6尺寸W和H分别是51.5mm和53.5mm，第一隔板7、第一水平板8-Ⅲ，第二隔板9、第二水平板10-Ⅲ的长度均为5mm，第一垂直板8-Ⅱ和第二垂直板10-Ⅱ的长度均为4mm，第一斜面板8-Ⅰ和第二斜面板10-Ⅰ的长度均为12.65mm，θ的值为28.31°。H1与H3相等为40mm，H2与H4相等为4mm，w1和w3相等为2mm，w2和w4相等为2mm，穿孔板1上的微穿孔直径是0.5mm，穿孔率是7％，板厚是0.5mm。本实施例中，基于斜面弯折空腔低频吸声超结构和现有的三通道等截面弯折超结构相比(论文“Low-frequency sound absorption of hybrid absorber based on micro-perforatedpanel and coiled-up channels”中的结构)，吸声峰值由454Hz降低为432Hz，吸声峰值向低频移动，相对带宽(吸收系数的半最大值处的两个频率之差与峰值频率的比值)由56.38％提升到79.86％，拓宽了吸声带宽。
实施例2：
本实施例是由两个单体结构沿x方向拓展，两个结构分别称作Unit-1和Unit-2，区别在于两个结构的穿孔板1上的亚毫米至毫米级穿孔11不同。其中Unit-1的亚毫米至毫米级穿孔11具体尺寸是：直径0.45mm，穿孔率5％，板厚0.5mm；Unit-2的亚毫米至毫米级穿孔11具体尺寸是：直径0.8mm，穿孔率2.5％，板厚0.5mm。结果显示在406Hz和432Hz处有两个吸收峰值，且在320Hz到752Hz内吸声系数>0.5，在中低频范围内提升吸声效果。
通过实施例可以看出，本发明吸声峰值频率低，吸声频带宽，在吸声降噪工程中有广阔的使用前景。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，其特征在于：包括依次连接的若干单体结构；每个单体结构包括外壳体、穿孔板、多个弯折路径控制板组件；
所述外壳体由下面板和四周框板组成；所述外壳体顶部固定安装穿孔板；所述穿孔板中部开有由若干均匀排列的亚毫米至毫米级圆孔组成的微孔阵列；在外壳体内部腔体中，多个弯折路径控制板组件均匀布置在微孔阵列周围；
当声波从所述微孔阵列进入到外壳体空腔内部后，扩散并受外壳体空腔壁面阻挡，进入弯折路径控制板组件；声波能量一部分经过微孔阵列摩擦而耗散，弯折路径控制板组件增大了声波的传播路径，增加声能损耗，使吸收峰值向低频移动。
2.根据权利要求1所述一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，其特征在于：所述弯折路径控制板组件包括隔板、斜面板、垂直板和水平板；其中斜面板一端固定在穿孔板上，且位于微孔阵列一侧，所述斜面板偏向同侧的外壳体框板，与穿孔板形成夹角θ；所述斜面板另一端连接垂直板一端，所述垂直板垂直于穿孔板；所述垂直板另一端连接水平板一端，所述水平板平行于穿孔板，且水平板指向同侧的外壳体框板，并与同侧的外壳体框板具有间隙；在所述水平板与所述穿孔板之间具有隔板，所述隔板平行于所述穿孔板，且所述隔板一端固定在外壳体框板上，隔板另一端与所述垂直板之间具有间隙。
3.根据权利要求1或2所述一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，其特征在于：所述亚毫米至毫米级圆孔孔径为0.3mm～0.8mm。
4.根据权利要求3所述一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，其特征在于：所述亚毫米至毫米级圆孔的孔间距离为3.53mm～5.03mm。
5.根据权利要求4所述一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，其特征在于：所述穿孔板总穿孔率为2％～10％。
6.根据权利要求1所述一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，其特征在于：所述角度θ的值为24.62°～71.05°。
7.根据权利要求1所述一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，其特征在于：所述穿孔板的厚度是0.5mm～2mm；所述下面板和四周框板的厚度是0.5mm～1.5mm。
8.根据权利要求7所述一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，其特征在于：所述隔板和所述水平板的长度为5mm～10mm，所述垂直板的长度为3mm～4mm；所述斜面板的长度为9.6mm～35.94mm。
9.根据权利要求8所述一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，其特征在于：各个弯折路径控制板组件的水平板与下面板的距离相等，均为10mm～40mm；各个弯折路径控制板组件的水平板与各自侧面的外壳体框板间隙相等，均为2mm～4mm；各个弯折路径控制板组件中的隔板与垂直板的间隙相等，均为2mm～4mm；各个弯折路径控制板组件中的隔板与水平板的距离相等，均为2mm～4mm。
10.根据权利要求9所述一种基于穿孔板结构的斜面弯折空腔低频宽带吸声装置，其特征在于：当声波从所述微孔阵列进入到外壳体空腔内部后，沿各个弯折路径控制板组件的斜面板扩散，之后分成多路，分别进入各个弯折路径控制板组件的通道，最后落入弯折路径控制板组件各自与穿孔板组成的半封闭空间内。
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