CN116497959A - 具有高吸声性能的打孔卷纸结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高吸声性能的打孔卷纸结构及制备方法，属于吸声降噪技术领域。打孔卷纸结构包括宽纸条和窄纸条，宽纸条上分布孔洞，宽纸条和窄纸条交叉镶嵌卷曲而成，相邻宽纸条和窄纸条之间形成气狭缝。打孔卷纸结构制备方法，包括以下步骤：在纸张上打出孔洞；将纸张裁剪为宽纸条和窄纸条两种纸条；将窄纸条贴在宽纸条底部形成一边厚一边薄的纸条；从一端开始，进行卷曲，宽纸条底部厚的一侧紧密贴合，即得所述具有高吸声性能的打孔卷纸结构。本发明通过结构的合理设计实现螺旋缝与纸张孔隙之间的相互配合，实现了纸张的高性能吸声，解决了环保吸声材料以及轻量化设计的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高吸声性能的打孔卷纸结构及制备方法，属于吸声降噪技术领域。
背景技术
噪声已经成为人类生活中一个重要的环境问题，并对健康造成影响，比如听力丧失、睡眠障碍、情绪烦躁、引起严重的心理疾病等，通过隔声和吸声方法控制噪声是改善环境的重要手段。多孔材料由于含有大量连通空洞，当声波进入材料后，空气的振动引起壁面附近剧烈的摩擦将动能转化为热量，可实现很好的吸声效果。但是，多孔材料的吸声性能与其微结构形貌息息相关，传统的无序多孔材料受制备工艺的限制，无法精确控制其微结构形貌，在设计和使用中存在一定的盲目性，多孔材料的吸声潜力没有充分发挥出来。另一方面，目前所使用的泡沫材料存在环境污染的问题，如何开发轻量化、环境友好型以及可再生的吸声材料一直是各国科研人员不懈探究的课题。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种具有高吸声性能的打孔卷纸结构及制备方法，通过结构的合理设计实现螺旋缝与纸张孔隙之间的相互配合，实现了纸张的高性能吸声，解决了环保吸声材料以及轻量化设计的难题。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种具有高吸声性能的打孔卷纸结构，包括宽纸条和窄纸条，宽纸条上分布孔洞，宽纸条和窄纸条交叉镶嵌卷曲而成，相邻宽纸条和窄纸条之间形成气狭缝。
上述具有高吸声性能的打孔卷纸结构基础上，孔洞的直径在0.2～2mm，且孔洞体积比例满足以下公式：10％≤V≤50％，在纸张上设置孔洞，可以增加纸张的透气度，孔的排列可以是周期的，也可以是无序的。
上述具有高吸声性能的打孔卷纸结构基础上，宽纸条和窄纸条为宣纸、办公用纸或牛皮纸，厚度为0.05～0.5mm。
上述具有高吸声性能的打孔卷纸结构基础上，宽纸条的宽度为10～100mm，以保证卷纸结构具有足够的吸声能力。
上述具有高吸声性能的打孔卷纸结构基础上，窄纸条的宽度为1～10mm。
上述具有高吸声性能的打孔卷纸结构基础上，其横截面形状为圆形、三角形以及花瓣形。上述具有高吸声性能的打孔卷纸结构基础上，宽纸条和窄纸条密度为0.323-0.717g/cm3。
一种具有高吸声性能的打孔卷纸结构制备方法，包括以下步骤：
(1)在纸张上打出孔洞；
(2)将纸张裁剪为宽纸条和窄纸条两种纸条；
(3)将窄纸条贴在宽纸条底部形成一边厚一边薄的纸条；
(4)从一端开始，进行卷曲，宽纸条底部厚的一侧紧密贴合，即得所述具有高吸声性能的打孔卷纸结构。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种具有高吸声性能的打孔卷纸结构，由宽窄两种纸条交叉镶嵌卷曲而成，纸张上周期或随机进行穿孔。由于宽窄两种纸条底部相连，故在上层的每两层卷纸之间形成狭缝，狭缝的尺寸与底部纸的宽度相当。当空气通过狭缝时，由于空气与缝壁面的摩擦将声波能量转化为热量。另一方面，由于纸上孔洞的存在，除内部声波的震荡吸收一部分声波能量以外，缝中空气的震荡会因此而变得更加剧烈，即缝中的粘性效应得到增强。进一步的，该结构由纸构成，纸的密度较低，相对于铝等金属材料而言具有非常好的轻量化特性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明具有高吸声性能的打孔卷纸结构的示意图；
图2为单个元胞剖面图；
图3为制备过程图；
图4为三种不同卷曲形状图，其中，(a)三角形卷曲，(b)为正方形卷曲，(c)为花瓣形卷曲；
图5为本发明具有高吸声性能的打孔卷纸结构三个实施例的吸声系数示意图；
其中：1.宽纸带；2.窄纸带。
具体实施方式
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。
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。
本发明提供了一种具有高吸声性能的打孔卷纸结构，采用平常生活中常见的纸张，经过打孔、裁剪和卷曲的方式，构造卷曲纸张之间一定的缝隙。缝隙的存在有利于声波进入结构中，通过纸表面与空气的摩擦吸收大部分声波能量。相比于紧密卷曲纸张结构，吸声性能得到了大幅度的提升，在很宽的频带范围内实现吸声系数大于0.8。
请参阅图1和图2，一种具有高吸声性能的打孔卷纸结构，包括宽纸条1和窄纸条2，宽纸条1上分布孔洞。制备过程参阅图3，宽纸条1和窄纸条2交叉镶嵌卷曲而成，从而在结构上方引入相邻相邻宽纸条1和窄纸条2之间的缝隙。结构的卷曲形状与加工方式有关，通过不断地折叠以及弯曲等方式，可以根据不同的工程需求，制备不同形状的结构，如图4所示。
本发明，孔洞的直径在0.2～2mm，且孔洞体积比例满足以下公式：10％≤V≤50％。
一种具有高吸声性能的打孔卷纸结构制备方法，包括以下步骤：
(1)在纸张上打出孔洞，孔洞的分布可以是周期的，也可以是随机的，相邻孔之间的距离保持在0.2-10mm；
(2)将纸张裁剪为宽纸条1和窄纸条2两种纸条；
(3)将窄纸条2贴在宽纸条1底部形成一边厚一边薄的纸条；
(4)从一端开始，进行卷曲，宽纸条1底部厚的一侧紧密贴合，即得所述具有高吸声性能的打孔卷纸结构。
实施例1
本实施例中，纸张材料为牛皮纸，密度为0.717g/cm3，厚度为0.2mm。.
实施例结构尺寸：元胞尺寸宽纸条高度为50mm，窄纸条宽度为10mm，厚度为0.1mm。宽纸张打孔中孔所占体积为60％。
实施例2
本实施例中，纸张材料为牛皮纸，密度为0.717g/cm3，厚度为0.15mm。.
实施例结构尺寸：元胞尺寸宽纸条高度为40mm，窄纸条宽度为10mm，厚度为0.15mm。宽纸张打孔中孔所占体积为70％。
实施例3
本实施例中，用纸张材料为牛皮纸，密度为0.717g/cm3，厚度为0.25mm。.
实施例结构尺寸：元胞尺寸宽纸条高度为30mm，窄纸条宽度为20mm，厚度为0.2mm。宽纸张打孔中孔所占体积为80％。
对照例1为与实施例等厚度的均匀无狭缝卷纸结构。
对照例2为与实施例等厚度的带狭缝无打孔卷纸结构。为了保证对照的客观性，纸张与实施例参数一致。
采用以上材料和结构尺寸进行理论计算，给出了实施例和对比例的吸声系数对比如下：
计算0～6400Hz之间实施结构以及均匀无狭缝卷纸对照组的吸声系数。
请参阅图5a、5b及5c，其中黑色实线表示等厚度无狭缝卷纸结构(对照例1)的吸声系数，黑色虚线表示带缝隙无打孔卷纸结构(对照例2)的吸声系数，黑色点线表示实施例的吸声系数。从图中可以看出，相对于等厚度无狭缝卷纸结构，本发明所提出的吸声结构在0～6400Hz内都有大幅度的提升。具体表现如下：
实施例1中打孔卷纸结构的吸声系数在700～6400Hz时达到0.8以上，整体平均吸声系数为0.85。带缝隙卷纸结构的吸声系数在900～2200Hz和4300～5300Hz时达到0.8以上，整体平均吸声系数为0.78。无狭缝卷纸结构的平均吸声系数为0.25。
实施例2中打孔卷纸结构的吸声系数在850～6400Hz时达到0.8以上，整体平均吸声系数为0.87。带缝隙卷纸结构的吸声系数在1400～4300Hz和5200～6400Hz时达到0.8以上，整体平均吸声系数为0.81。无狭缝卷纸结构的平均吸声系数为0.3。
实施例3中打孔卷纸结构的吸声系数在1400～6400Hz时达到0.8以上，整体平均吸声系数为0.82。带缝隙卷纸结构的吸声系数在1800～5000Hz时达到0.8以上，整体平均吸声系数为0.7。无狭缝卷纸结构的平均吸声系数为0.19。
结果表明，对于具有不同纸张厚度和纸张之间狭缝宽度的结构，打孔可以使结构的吸声系数曲线向低频移动，另外，打孔实现了结构在宽频范围内的吸声性能的大幅度提升。
根据上述数据可以看出，本发明达到的技术效果如下：
1、本发明的试验测试结果在700～6400Hz吸声系数均在0.8以上，平均吸声系数达0.85以上，满足宽频段内有效吸声的要求；
2、本发明提出结构使用的材料为纸张，价格低廉，材料易得；
3、本发明提出吸声结构简单，加工方便；
4、通过改变卷纸结构参数以及纸张种类可以改变整体结构的力学和声学性能，适应不同场合下的要求。
综上所述，本发明一种具有高吸声性能的打孔卷纸结构，可用于制造飞机、高速列车以及民用建筑的吸声装置，通过结构的设计提升空气的声能损耗能力以及实现具有承压能力的吸声轻量化结构，具有很广泛的工程应用前景。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有高吸声性能的打孔卷纸结构，其特征在于：包括宽纸条（1）和窄纸条（2），宽纸条（1）上分布孔洞，宽纸条（1）和窄纸条（2）交叉镶嵌卷曲而成，相邻宽纸条（1）和窄纸条（2）之间形成气狭缝。
2.根据权利要求1所述具有高吸声性能的打孔卷纸结构，其特征在于：孔洞的直径在0.2~2 mm，且孔洞体积比例满足以下公式：10%≤V≤50%。
3.根据权利要求1所述具有高吸声性能的打孔卷纸结构，其特征在于：宽纸条（1）和窄纸条（2）为宣纸、办公用纸或牛皮纸，厚度为0.05~0.5 mm。
4. 根据权利要求1所述具有高吸声性能的打孔卷纸结构，其特征在于：宽纸条（1）的宽度为10~100 mm。
5. 根据权利要求1所述具有高吸声性能的打孔卷纸结构，其特征在于： 窄纸条（2）的宽度为1~10 mm。
6.根据权利要求1所述具有高吸声性能的打孔卷纸结构，其特征在于：其横截面形状为圆形、三角形以及花瓣形。
7. 根据权利要求1所述具有高吸声性能的打孔卷纸结构，其特征在于：宽纸条（1）和窄纸条（2）密度为0.323-0.717 g/cm3。
8.一种权利要求1至6任一项所述具有高吸声性能的打孔卷纸结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在纸张上打出孔洞；
（2）将纸张裁剪为宽纸条（1）和窄纸条（2）两种纸条；
（3）将窄纸条（2）贴在宽纸条（1）底部形成一边厚一边薄的纸条；
（4）从一端开始，进行卷曲，宽纸条（1）底部厚的一侧紧密贴合，即得所述具有高吸声性能的打孔卷纸结构。
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