CN115294950A - 一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于声学技术领域，具体涉及一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构。单胞是内部含有空腔的长方体，在长方体的中间区域开设一个正方形的通风区域，以起到通风的作用。在通风区域的侧边开设一个正方形的进声口，同时在进声口处向内部空腔延伸出一个具有一定长度的通道，以连接内部的空腔，这样就形成了亥姆霍兹谐振腔。单胞可以通过改变单胞通风口的面积、进声口的面积和个数、通道的长度、结构的壁厚以及厚度来实现单胞在低频范围内的隔音通风。单胞可以通过3D打印的方式进行叠加，当四个单胞叠加时所形成的隔音通风结构，可以大幅度地增加隔音的频带范围，同时，保持和一个单胞相同的通风效果。该隔音通风结构能够在实现宽带超低频隔音的基础上，保证一定的通风性。

Description

一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构

技术领域

本发明属于声学技术领域，具体涉及一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构。

背景技术

在现代生活中，噪声污染日益严峻，无时无刻不在影响着人类的健康与生活质量。长期暴露在噪声中会导致人产生严重的心理和生理问题，如恶心、头疼和疲劳等。同时，人们对通风效果与室内空气质量的要求越来越高。因此，隔音通风这一课题逐渐成为声学技术领域的一大热点问题。

在过去的几十年里，随着研究的不断深入，学者发现声学超材料可以用于降低低频噪声。声学超材料是指由特殊设计的人工声学微结构单元周期排列在弹性介质中构成的新型声学材料或结构，可以获得自然界材料不具有的超常物理特性。声学超材料在声隐身，超常声音传播和吸声降噪等领域都有着广泛的创新与应用，本发明就是属于声学超材料在隔音通风方向的一种结构。

现有的隔音通风装置，大多数存在制作成本较高，通风率低，仅能实现部分高频隔音和装置体积较大等问题。针对以上问题，本发明具有结构简单，制作成本低，高通风率，体积小，便于安装等特点。本发明是基于亥姆霍兹共振的原理进行设计的隔音通风结构，可以实现较低频频率范围内的隔音和一定程度上的通风。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构，具体涉及到隔音通风单胞和由单胞叠加组合形成的隔音通风结构。本发明所设计的隔音通风结构单胞能够通过改变单胞通风口的面积、进声口的面积和个数、通道的长度、结构的壁厚以及厚度来实现某低频范围的隔音。使用3D打印技术制备出由四个单胞叠加组成的隔音通风结构，可以实现在超低频段内的良好隔音和15～30％的通风率。同时，可以根据实际使用的场景的不同，需要的隔音通风面积不同，采用3D打印的方式组成不同面积的隔音通风结构，可为隔音通风的实际应用与理论研究提供一定的研究基础。

为了实现上述目的，本发明采用如下方案：

作为本发明所述的隔音通风结构，其原理是亥姆霍兹共振。所以本发明的结构单胞是一个具有一定体积的空腔的长方体。通过改变空腔的体积和亥姆霍兹共振腔的颈部(上述中进声口处伸出的通道)的长度，来实现某低频段内的隔音效果。

作为本发明所述的基于亥姆霍兹共振的隔音通风结构，是由四个单胞叠加组成的。四个单胞的整体外形基本相同，内部的通道长度不同。由于通道长度不同，所起到隔音效果的频率不同。当四个通道长度不同的单胞叠加时，可以起到拓宽隔音频带的作用。相比较于单胞，隔音的效果会得到大幅度地提升。但是随之而来的是，结构的厚度增加到8cm。经过实际测量，一般建筑墙体厚度在50cm左右，传统意义上的窗户的厚度为8cm左右。由此可以推断，本发明的结构可以正常使用，也符合实际意义。

作为本发明所述的基于亥姆霍兹共振的隔音通风结构，包括多个结构单胞。隔音通风结构单胞整体是长方体，这样的结构设计便于在同一个平面内进行拼接组成一个不同面积的隔音通风结构。在实际应用中，根据使用的需要可以灵活地拼接不同面积的隔音通风结构，以适用于不同的使用环境。

作为本发明所述的基于亥姆霍兹共振的隔音通风结构，通风区域设置在结构的中心区域，这样的位置设计可以使得不同角度的入射，结构的隔音通风效果都相同。改变通风口的面积，以达到不同通风效果。随着通风区域面积的增大，结构的通风率会增加，但是结构的隔音效果也会随之下降。在保证隔音效果的前提下，实现最大的通风效果，所以本发明所述结构的通风率设置在15～30％范围之内。

作为本发明所述的基于亥姆霍兹共振的隔音通风结构，进声口设置在通风区域的侧边位置。进声口的面积范围设置在6x6mm至10x10mm内，随着进声口的面积的增大，隔音峰值所对应的频率也会增加。考虑到加工的实际要求，太小的进声口不便于加工，尽量设置大一点的进声口。进声口的个数也会对隔音效果产生影响，根据仿真与实验的结果显示，随着进声口个数的增加，隔音效果也会有较大的下降，本发明所述结构的进声口个数设置为一个。

作为本发明所述的基于亥姆霍兹共振的隔音通风结构，亥姆霍兹谐振腔的颈部(上述中进声口处伸出的通道)设置在进声口处，要求通道与进声口同轴心。通道的长度影响着结构的隔音峰值所对应的频率，随着通道的长度的增加，频率会相应下降。所以可以通过调节通道的长度来实现对频率的调控。本发明所述结构的通道设置在0～10mm。

作为本发明所述的基于亥姆霍兹共振的隔音通风结构，亥姆霍兹共振腔的体积也是影响隔音效果的重要变量之一。随着体积的减小，单胞的隔音峰值所对应的频率会升高，亦可以用于调控频率。亥姆霍兹谐振腔的体积可以通过在空腔内设置隔板的方式来改变，隔板设置在整个长方体结构的中轴线位置。根据仿真与实验的结果显示，隔板个数的增加会导致亥姆霍兹谐振腔个数的增加，体积就会变小，使得整体的隔音效果下降。所以本发明所述结构的隔板数目设置为一个。

作为本发明所述的基于亥姆霍兹共振的隔音通风结构，还可以通过改变单胞的壁厚的方式改变亥姆霍兹共振腔的体积。根据仿真与实验的结果显示，随着单胞壁厚的增加，单胞的隔音峰值所对应的频率会降低。同时，增加壁厚，有利于结构的制备，避免在3D打印过程中出现打印结构失败的情况。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于：本发明所设计的结构简单，可以实现在低频段(400～1100Hz)内比较好的隔音效果；通风率高，本发明所述的结构可以实现15～30％的通风率；根据使用场景的不同，通过拼接或者3D打印等方式组合成不同面积的隔音通风结构，实用性较好。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中提供的一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构的3D打印实物图；

图3为本发明实施例中提供的一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构单胞的结构示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构单胞的3D打印实物图；

图5为本发明实施例中提供的一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构单胞的半剖视图；

图6为本发明实施例中测量隔音通风结构单胞的传输损耗的4206-T型阻抗管；

图7为本发明实施例中提供的一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构单胞在阻抗管中测量传输损耗的实验图；

图8为本发明实施例中提供的一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构单胞的传输损耗的实验与仿真对比图，单胞的通风率为20％，进声口面积为8mmx8mm，通道长度为2mm。同时，与实心单胞进行空白对照；

图9为本发明实施例中提供的一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构单胞的吸收与反射系数图；

图10为本发明实施例中提供的一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构单胞的不同进声口面积的传输损耗图；

图11为本发明实施例中提供的一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构单胞的不同厚度的传输损耗图；

图12为本发明实施例中提供的一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构单胞的不同通道长度的传输损耗图；

图13为本发明实施例中提供的一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构单胞的不同进声口个数的传输损耗图；

图14为本发明实施例中提供的一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构的传输损耗的仿真图，结构是由四个通道长度不同的单胞组合而成，其通风率为20％，此处列举出两种组合结构的仿真传输损耗图。

其中：1-隔音通风结构单胞；2-通风区域；3-进声口；4-通道(亥姆霍兹共振腔的颈部)；5-隔板；6-空腔(亥姆霍兹谐振室)。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包括但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”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。

在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中，在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例，而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，隔音通风结构的结构示意图。隔音通风结构是由四个的隔音通风结构单胞在平行于地面方向(沿x轴方向)阵列拼接组成的，结构尺寸为60mmx60mmx80mm。隔音通风结构在yz平面上的面积大小没有特殊要求，可根据使用场景所需要的面积来确定。图2是隔音通风结构的3D打印的实体图。如图3所示，隔音通风结构单胞的结构示意图。图4是隔音通风结构单胞的3D打印的实体图。

如图5所示，隔音通风结构单板的半剖结构示意图。通风区域2结构为正方形，面积根据通风率所决定，通风率为15～30％。通风率越小，隔音效果越好。进声口3结构为正方形，面积为6x6mm至10x10mm，随着进声口的增大，隔音效果的峰值在增大，但峰值所对应的频率在增加。通道4结构(亥姆霍兹谐振腔的颈部)具有一定的长度，长度范围为0～10mm。随着通道长度的增加，隔音效果的峰值在下降，但峰值所对应的频率也在下降。说明加设一定长度的通道可以在低频降噪方面起到一定的作用。

如图8所示，隔音通风结构单胞的传输损耗的实验与仿真对比图。隔音通风结构单胞的整体尺寸为60mmx60mmx20mm，结构3进声口面积为8mmx8mm，结构4通道长度为2mm，通风区域面积为26.8mmx26.8mm(通风率为20％)。使用SolidWorks软件建立结构的三维模型，导入到有限元仿真软件COMSOL中进行物理层仿真，计算结构的声音传输损耗。主要使用了COMSOL中的压力声学模块，热粘性声学模块和固体力学模块，三者相互耦合。在结构两端加设空气域，模拟入射声场和出射声场，在入射端采用平面波辐射边界条件模拟入射波。对于狭窄区域，考虑热粘性和空气粘性。对于结构的固体部分使用固体力学模块。根据计算结果显示，可以实现低频段的通风隔音。随后通过3D打印技术，把结构打印出来，并且进行实验，进一步验证结果的准确性。实验部分是采用4206-T型阻抗管进行传输损耗的测量。根据仿真与实验的对比，考虑到结构的加工误差和实验误差，从总体上看，实验结果与仿真结果基本保持一致。由此，也验证了本发明的实际效果。

如图9所示，隔音通风结构单胞经过实验测量后所得到的吸声系数和反射系数曲线。在450Hz附近的吸声系数达到了0.97，反射系数达到了0.2；同时，在1300Hz附近的吸声系数达到了0.99，反射系数达到了0.05。当外界噪声频率与单胞共振频率接近时，引起颈部内的空气柱产生共振，此时空气柱的振动位移最大，振动速度最大，孔壁摩擦损耗也最大，对声能的消耗也最大。同时，由于单胞的特定的声阻抗与空气阻抗相匹配以及腔体内壁的空气摩擦损耗，所以产生了比较好的吸声效果。

根据亥姆霍兹谐振器的共振频率理论表达式

c为声速，A为进声口面积，V为亥姆霍兹谐振器的体积，L为颈部长度(上述通道长度)。可以看出改变结构单胞的进声口的面积和个数、通道的长度与结构厚度都能实现对隔音频率的调控。如图10所示，为不同进声口面积的传输损耗图。从中可以看出单胞的共振频率随着进声口面积的增加而增加，共振频率所对应的传输损耗的数值也随着进声口面积的增加而增加，并且在高频时的传输损耗的数值更大。如图11所示，为不同厚度的传输损耗图。从中看出增加单胞的厚度，即为增加亥姆霍兹谐振器的体积。随着单胞厚度的增加，单胞共振频率在逐渐下降，并且传输损耗的数值在增加。特别在单胞厚度为32mm时，单胞的共振频率在400Hz左右。说明此单胞在增加一定厚度时，更有利于超低频的隔音降噪。如图12所示，为不同通道长度的传输损耗图。随着通道长度的增加，单胞的共振频率在逐渐降低，但是传输损耗的数值也随之降低。说明增加颈部长度，也是低频隔音的一个设计思路。如图13所示，为不同进声口个数的传输损耗图。随着颈部个数的增加，单胞的共振频率在显著地增加，并且传输损耗的数值也在增加。说明增加颈部个数有利于高频隔音，个数较少时利于低频隔音。因此，本发明所设计的单胞采用了一个颈部。

如图14所示，隔音通风结构的传输损耗的实验结果图。通过对单胞的各种变量的实验结果进行分析，发现增加厚度可以大幅度拓宽频带。因此，设计了四个单胞组合在一起的隔音通风结构。结构的制作方法和上述一致，均是采用先建模后使用3D打印技术打印制备。分别是通道长度为0mm，1mm，2mm和3mm的组合结构与通道长度为7mm，8mm，9mm和10mm的组合结构，都能实现超宽频带的隔音效果，其传输损耗都在15dB以上，同时，结构的通风率为20％。

综上，本发明实施例通过四个隔音通风结构单胞组成的隔音通风结构，可以在400～1100Hz内实现15dB以上的传输损耗，同时保持15～30％的通风率。通过改变通风口2结构，进声口4结构和通道5结构来实现不同通风率和隔音效果。本发明所述的隔音通风结构，具有体积小，频带宽，超低频，通风率高，隔音效果好等特点。首先，根据场景的不同，确定需要不同面积的隔音通风区域。其次，使用设备测量噪声集中所在的频率段。然后，选取不同长度的通道单胞组合成隔音通风结构进行3D打印，将打印的结构沿着yz平面进行展开铺设。本发明实现了宽带超低频隔音通风，为隔音通风这一课题提供了新的设计思路。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构，其特征在于：所述隔音通风结构整体为长方体，由四个单胞叠加组成。结构的各个单胞中心在同一直线上，各个单胞的通风区域重合，便于通风。

2.如权利要求1所述的基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构，其特征在于：所述隔音通风结构单胞为长方体，长方体内部含有一定体积的空腔。在长方体的中间区域开设一定面积的通风区域，用以通风。在通风区域的侧边开设一个正方形的进声口，在进声口处向空腔内部伸出一个具有一定长度的通道。在空腔内部加设一个隔板，用以分隔结构内部腔体，改变腔体体积。

3.如权利要求2所述的基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构，其特征在于：所述隔音通风结构单胞是两个面为正方形的长方体，同时内部含有一定体积的空腔，此空腔即为亥姆霍兹谐振腔。

4.如权利要求3所述的基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构，其特征在于：所述隔音通风结构单胞的通风区域开设位置在正方形面的中心区域。可以开设不同面积的通风区域，以达到结构单胞不同的通风率。

5.如权利要求4所述的基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构，其特征在于：所述隔音通风结构单胞的进声口开设位置在侧边的中心区域。所述进声口为正方形，可以开设不同面积的进声口，开设进声口个数为一个。

6.如权利要求5所述的基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构，其特征在于：所述隔音通风结构单胞的亥姆霍兹谐振器的颈部指的是在进声口处向空腔内部伸出的一定长度的通道，改变通道的长度可以实现在不同低频段内的隔音效果。

7.如权利要求6所述的基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构，其特征在于：所述隔音通风结构单胞伸出的通道与单胞的内壁不接触，且保持一定距离，以便于声音进入腔体内部。

8.如权利要求7所述的基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构，其特征在于：所述隔音通风结构单胞的隔板设置在整个长方体结构的中轴线位置，隔板数目为一个。

9.如权利要求8所述的基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构，其特征在于：所述隔音通风结构单胞的进声口与伸出一定长度的通道同轴心。

10.如权利要求9所述的基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构，其特征在于：所述隔音通风结构单胞可以通过使用3D打印的方式打印成隔音通风结构。

11.如权利要求10所述的基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构，其特征在于：所述隔音通风结构单胞壁厚为1～3mm，通风率为15～30％。

12.如权利要求11所述的基于亥姆霍兹共振原理的隔音通风结构，其特征在于：所述隔音通风结构单胞的进声口面积大小为6x6mm至10x10mm，伸出的通道长度为0～10mm。

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