CN117188635B - 一种用于建筑物的吸声结构及隔声板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于建筑物的吸声结构及隔声板。该吸声结构包括呈平行间隔设置上盖板与下盖板，及内环墙，与上盖板和下盖板相垂直设置，并共同围合形成一个第一空间；第一振子结构，位于第一空间内，包括与上盖板接触的第一圆柱体、与下盖板接触的第二圆柱体、位于第一圆柱体与第二圆柱体之间的吸声件，以及沿吸声件边缘延伸的第一环形，吸声件朝向第一圆柱体的一端具有一端面，该吸声件的厚度从端面的外周缘沿端面的径向方向向外以指数的形式递减。本发明根据目标位置噪声的频率特点，选择相应的模块组合，不同参数的吸声结构搭配灵活，可调整降噪频率带宽。

Description

一种用于建筑物的吸声结构及隔声板

技术领域

发明属于声学技术领域，具体涉及一种用于建筑物的吸声结构及隔声板。

背景技术

近年来，NVH性能成为高端电子器件、汽车、飞机、高铁等装备关注的重点指标之一，同时环境噪声污染也日益受到国家和百姓的关注。然而，对于低频噪声的控制一直以来都是一个巨大的挑战。低频噪声波长，在空气中衰减慢且穿透能力强。因而诸如多孔材料等传统的吸声材料，在低频段难以达到有效的声衰减效果。要实现对低频声波的有效吸收，隔声材料在几何尺寸上要和波长基本处于同一数量级。对于动辄几米波长的低频噪声而言，尺寸上如此巨大的妥协使其在工程应用上面临很大的限制。

近年来，声学超材料和声学黑洞技术的发展也为低频噪声控制带来了新的思路。声学超材料作为一种位于亚波长尺度的新型声学超材料，因其二维化的轻薄结构，灵活操控声波的能力，在声波非对称传播、声学隐身斗篷、声波聚焦等方面有着巨大的应用潜力。声学黑洞(AcousticBlackHole，ABH)效应通过改变结构的厚度，使其按照一定的幂律变化从而改变结构阻抗，导致弹性波在结构中的传播速度逐渐减小。在理想情况下，当厚度减小为零时，波速也相应减小为零从而产生波的零反射和能量集中的现象。在实际加工中，由于截断的存在，导致厚度无法减小为零，但能量仍然集中在结构最小厚度区域。因此在能量集中区域结合少量的阻尼材料，可以有效的增强结构损失因子，吸收能量，降低结构的振动。

现有传统声学材料存在以下几点挑战：

1)在保证轻量化和小尺寸的前提下，很难获得优异的宽频带低频隔声效果。

2)依赖于3D打印技术的发展，但与实验室中的制造不同，工程应用中的吸声板、吸声罩体积相对较大，3D打印技术对于大批量生产而言并不是一个成熟的制造方案，但复杂的几何造型又不适用于开模制造，机加工也较为困难。

发明内容

本发明提出了一种用于建筑物的吸声结构，区别于传统的局域共振型声学超材料，其具备低频降噪的良好特性，该种用于建筑物的吸声结构的尺寸较小，具有良好的隔声性能，在汽车、高铁、工业降噪、建筑声学等领域具有重要应用前景。

本发明解决其技术问题所提供的技术方案如下：

一种用于建筑物的吸声结构，包括：

大小相等的上盖板和下盖板，所述上盖板和下盖板平行间隔设置；

连接所述上盖板和下盖板的内环墙，所述内环墙与所述上盖板和下盖板相垂直设置，并于内环墙的内侧形成有呈中空状的第一空间；

第一振子结构，位于所述第一空间内，包括与所述上盖板接触的第一圆柱体、与所述下盖板接触的第二圆柱体、位于所述第一圆柱体与第二圆柱体之间的吸声件，以及沿所述吸声件边缘延伸出的第一环形，所述第一圆柱体与第二圆柱体大小相等、且呈平行间隔设置，沿所述吸声件的厚度方向，所述吸声件的一端与所述第一圆柱体的底面接触，所述吸声件的另一端与所述第二圆柱体的顶面接触，所述吸声件的最大厚度为所述第一圆柱体与第二圆柱体沿轴向方向上的间距，所述第一圆柱体和第二圆柱体的轴心线分别与所述第一空间的轴心线重叠；

所述吸声件与所述第一圆柱体的底面相接触的一端具有一端面，所述吸声件的厚度从所述端面的外周缘沿端面的径向方向向外以指数的形式递减，所述第一环形的厚度等于所述吸声件的最小厚度；

界定有一参考平面K，所述参考平面K沿垂直于第一空间的轴心线所在方向穿过所述第一环形，并将吸声件分割为第一部分与第二部分，所述第一部分与第二部分沿参考平面K呈镜像对称设置。

优选地，所述吸声件为声学黑洞部分。

优选地，所述指数的表达式为，其中，/>表示系数，且，h(x)表示所述吸声件的厚度，h0表示所述吸声件最小厚度，/>表示所述吸声件根部最大厚度，La表示所述吸声件根部最大厚度部分到最小厚度部分在径向方向上的距离，/>表示所述吸声件上位于最大厚度部分至最小厚度部分之间的任一点到所述最小厚度部分在径向方向上的最短距离，m大于或等于2。

优选地，所述内环墙的高度h5的范围满足：h5=H-h1-h2，其中，H表示所述用于建筑物的吸声结构的厚度，h1表示所述上盖板的厚度，h2表示所述下盖板的厚度。

优选地，所述上盖板的厚度h1的范围：0.5mm≤h1≤2mm。

优选地，所述吸声结构还包括：

连接所述上盖板和下盖板的外墙，所述外墙沿所述上盖板的边缘呈周向设置，所述内环墙位于所述外墙的内侧，所述内环墙的外侧与所述外墙的内侧之间具有呈中空的第二空间；

连接所述外墙与内环墙的中间薄膜，所述中间薄膜位于所述第二空间的中间位置，且与所述上盖板和下盖板相平行；

第一质量振子，位于所述第二空间内，且设置于所述中间薄膜上。

优选地，所述中间薄膜的厚度h3的范围：0.2mm≤h3≤1mm。

优选地，所述第一质量振子的材质为铝或铜或合金。

优选地，所述第一质量振子呈圆柱状，所述第一质量振子的底面抵触于所述中间薄膜上。

优选地，所述第一质量振子具有至少两个，至少两个所述第一质量振子均位于所述中间薄膜的同一侧。

优选地，所述第一环形与所述内环墙的内侧之间具有一间距D，所述间距D的取值大于或等于2毫米。

本发明还公开了一种隔声板，包括由多个所述的吸声结构排列组成。

本发明还公开了一种隔声板，具有相对设置的第一侧面及第二侧面，包括由多个所述的吸声结构排列组成，每个所述第一质量振子位于所述中间薄膜的同一侧，且均朝向第一侧面延伸设置。

本发明的有益效果在于：

与现有技术相比，本发明提供的一种用于建筑物的吸声结构通过将第一圆柱体及第二圆柱体的一侧分别抵触于吸声件上以构成第一振子结构，再将第一振子结构设置于由上盖板、下盖板及内环墙所界定的第一空间中，实现将第一圆柱体及第二圆柱体的另一侧分别抵触于上盖板及下盖板上，以实现配合组成第一弹簧振子结构，当声音垂直入射到用于建筑物的吸声结构时，声音的入射声波频率与第一弹簧振子结构共振频率吻合时，声波能量由于实现共振而消耗散掉；同时，利用吸声件的厚度呈几何参数梯度变化，使入射声波的传播速度随着吸声件的厚度的减小而逐渐减小，理想情况下入射声波的传播速度减小至零从而不发生反射的现象，以达到降噪的目的。

附图说明

下面将结合视图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本申请公开的一种隔声板的结构示意图，具体展示了多个用于建筑物的吸声结构去除上盖板后的结构示意图；

图2为图1中所示吸声结构的局部剖视图；

图3为图2中所述吸声结构沿W-W线方向的剖视图；

图4为图2中所示吸声结构沿Z-Z线方向的剖视图;

图5为图1中所示吸声结构给定参数下的隔声曲线图。

附图标记：

100-隔声板；10-用于建筑物的吸声结构；11-上盖板1；12-下盖板；

13-内环墙；131-第一空间；14-第一振子结构；141-第一圆柱体；142-第二圆柱体143-吸声件；1431-端面；144-第一环形；15-外墙；151-第二空间；16-中间薄膜；17-第一质量振子；K-参考平面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

请参阅图1至图4所示，本申请公开了一种隔声板100，该隔声板100包括有多个用于建筑物的吸声结构10排列组成。

在本实施例中，所述吸声结构10包括大小相等的上盖板11和下盖板12，该上盖板11和下盖板12平行间隔设置；

连接上盖板11和下盖板12的内环墙13，该内环墙13与上盖板11和下盖板12相垂直设置，并于内环墙13的内侧形成有呈中空状的第一空间131；

第一振子结构14，位于第一空间131内，包括与上盖板11接触的第一圆柱体141、与下盖板12接触的第二圆柱体142、位于第一圆柱体141与第二圆柱体142之间的吸声件143，以及沿吸声件143边缘延伸出的第一环形144。该第一圆柱体141与第二圆柱体142的大小相等、且呈平行间隔设置；沿吸声件143的厚度方向，该吸声件143的一端与第一圆柱体141的底面接触，该吸声件143的另一端与第二圆柱体142的顶面接触。在本申请中，该吸声件143与第一圆柱体141的底面相接触的一端具有一端面1431，该吸声件143的厚度从该端面1431的外周缘沿端面的径向方向向外以指数的形式递减，该第一环形144的厚度等于该吸声件143的最小厚度。

进一步的，该第一圆柱体141和第二圆柱体142的轴心线分别与该第一空间131的轴心线重叠。其中，界定有一参考平面K，该参考平面K沿垂直于第一空间131的轴心线所在方向穿过该第一环形144，并将该吸声件143分割为第一部分与第二部分，该第一部分与第二部分沿参考平面K呈镜像对称设置。本申请中，该吸声件143可优选为声学黑洞部分。

通过上述设置，将第一圆柱体141及第二圆柱体142的一侧分别抵触于吸声件143上以构成第一振子结构14，再将第一振子结构14设置于由上盖板11、下盖板12及内环墙13所界定的第一空间131中，实现将第一圆柱体141及第二圆柱体142的另一侧分别抵触于上盖板11及下盖板12上，以实现配合组成第一弹簧振子结构。当声音垂直入射到用于建筑物的吸声结构10时，声音的入射声波频率与第一弹簧振子结构共振频率吻合时，声波能量由于实现共振而消耗散掉；同时，利用吸声件143的厚度呈几何参数梯度变化，使入射声波的传播速度随着吸声件143的厚度的减小而逐渐减小，理想情况下入射声波的传播速度减小至零从而不发生反射的现象，以达到降噪的目的。

请参阅图2与图3所示，在第一振子结构14中，该吸声件143的最大厚度位置处圆的直径大于或等于该第一圆柱体141的直径，以实现该声学黑洞部分更容易安装在第一空间131，且该用于建筑物的吸声结构10在实现共振时，该声学黑洞部分也不易于在第一圆柱体141及第二圆柱体142之间脱落，提升了该第一弹簧振子结构的稳定性。

进一步的，该吸声件大致呈飞碟结构形状，该吸声件143边缘延伸出的第一环形144的最小直径为D1，最大直径为D2；该吸声件143的径向长度沿周向均匀变化，从最小径向长度（即吸声件143的最大厚度位置处圆的直径所在位置）沿飞碟结构的周向方向逐渐增大至最大径向长度（即第一环形144的最大直径位置处）。该吸声件143的厚度从第一圆柱体141侧面且位于最大厚度处（即吸声件143的最大厚度位置处圆的直径所在位置）沿径向方向向外以指数的形式递减。本申请中，该吸声件143的最大厚度为第一圆柱体141与第二圆柱体142沿轴向方向上的间距。

进一步的，指数的表达式为，其中，/>表示系数，且/>，h(x)表示所述吸声件的厚度，h0表示所述吸声件最小厚度，/>表示所述吸声件根部最大厚度，La表示所述吸声件根部最大厚度部分到最小厚度部分在径向方向上的距离，/>表示所述吸声件上位于最大厚度部分至最小厚度部分之间的任一点到所述最小厚度部分在径向方向上的最短距离，m大于或等于2。

本申请为了更加方便的对该用于建筑物的吸声结构10的隔声量测定，以下列举了用于建筑物的吸声结构10的具体参数：

在本实施例中，该内环墙13的高度h5的范围满足：h5=H-h1-h2，其中，H表示该吸声结构10的厚度，h1表示上盖板的厚度，h2表示所述下盖板的厚度，该第一环形144与内环墙13的内侧之间具有一间距D，该间距D的取值大于或等于2毫米。本申请中，该上盖板的厚度h1优选为与下盖板的厚度h2相同，且该上盖板的厚度h1的优选范围为：0.5mm≤h1≤2mm。

其中，该用于建筑物的吸声结构10的厚度H为21mm，该上盖板11的长为102mm，该上盖板11的宽为102mm，该上盖板11的厚度h1为1mm，该第一圆柱体141的直径为16mm，该第一圆柱体141的高为5mm，该第一环形144的最小直径D1为70mm，该最大直径D2为90mm，该吸声件143的最大厚度为9mm，最小厚度h0为0.4mm，该吸声件143的最大厚度位置处圆的直径为20mm，该吸声件143的最小厚度h0位置处圆的直径为70mm，该内环墙的高度为19mm，该内环墙的厚度为2.8mm，该第一环形144与内环墙13的内侧之间的间距D为2mm。通过上述参数设置，可快速得到该吸声件143的具体结构，提升了设计人员可快速得到本申请关于该用于建筑物的吸声结构10的具体建模参数，提升了研发效率。

在本实施例中，请参阅图2与图4所示，该用于建筑物的吸声结构10还具有更优选项，其中还包括：连接上盖板11和下盖板12的外墙15，该外墙15沿上盖板11的边缘呈周向设置，该内环墙13位于该外墙15的内侧，该内环墙13的外侧与外墙15的内侧之间具有呈中空的第二空间151；连接外墙15与内环墙13的中间薄膜16，该中间薄膜16位于第二空间151的中间位置，且与上盖板11和下盖板12相平行设置；第一质量振子17，位于第二空间151内，且设置于中间薄膜16上。

进一步的，所述第一质量振子17具有至少两个，本申请优选为四个，四个第一质量振子17均位于该中间薄膜16的同一侧，且分别位于中间薄膜16的四个角落位置。通过上述设置，将四个第一质量振子17分别固定于中间薄膜16的同一侧上以构成第二振子结构，再将第二振子结构设置于由上盖板11、下盖板12、内环墙13及外墙15所界定的第二空间151中，以实现配合组成第二弹簧振子结构。当声音垂直入射到用于建筑物的吸声结构10时，声音的入射声波频率与第一弹簧振子结构及第二弹簧振子结构共振频率吻合时，声波能量由于实现共振而快速消耗散掉；同时，利用吸声件143的厚度呈几何参数梯度变化，使入射声波的传播速度随着吸声件143的厚度的减小而逐渐减小，理想情况下入射声波的传播速度减小至零从而不发生反射的现象，以达到快速降噪的目的。

进一步的，该第一质量振子17呈圆柱状，且该第一质量振子17的底面抵触于该中间薄膜16上。本申请中，该第一质量振子17的材质可为铝、或铜、或铁、或镁、或合金等。本申请并不以此为限制。

在本实施例中，该中间薄膜的厚度h3的范围：0.2mm≤h3≤1mm。

其中，该述中间薄膜16的厚度h3为1mm，该第一质量振子17的直径为4.5mm，该第一质量振子17的高为4.4mm。通过上述参数设置，可快速得到该第二弹簧振子结构的具体结构，提升了设计人员可快速得到本申请关于该用于建筑物的吸声结构10的具体建模参数，提升了研发效率。

在本实施例中，将第一弹簧振子结构及第二弹簧振子结构的参数配合使用以形成该用于建筑物的吸声结构10，并且由多个该用于建筑物的吸声结构10形成该隔声板100后根据实验结果得到了如图5所示的隔声曲线。通过图5所示，该隔声板100的隔声量测定，40Hz-1800Hz频率范围的隔声量较好，在此频段内具备优异的隔声性能。在本申请中优选为，该隔声板100具有相对设置的第一侧面及第二侧面，每个第一质量振子17位于中间薄膜16的同一侧，且均朝向第一侧面延伸设置。

在本实施例中，该用于建筑物的吸声结构10的性能由第一弹簧振子结构、第二弹簧振子结构及吸声件的参数决定，不同的参数可以调整隔声频率的范围，因此该用于建筑物的吸声结构10的材料选择范围较宽，可以是金属材料，也可是高分子材料，例如：FR4环氧树脂、ABS树脂、有机玻璃和铝、铁、镁等中的一种或多种制成。本申请中，该用于建筑物的吸声结构10可通过3D打印或者注塑的方式、金属液体成型进行加工成型等方式。

本发明还具有以下优点；

（1）采用了标准尺寸化的设计，整体结构简单，可以以非3D打印的方式进行批量生产。

（2）适用于高温、低温、油污、振动等传统多孔材料不适合的复杂应用环境。

（3）采用标准化的组合设计，根据目标位置噪声的频率特点，选择相应的模块组合，不同参数的用于建筑物的吸声结构搭配灵活，可调整降噪频率带宽。

综上所述，本发明公开了一种用于建筑物的吸声结构通过将第一圆柱体及第二圆柱体的一侧分别抵触于吸声件上以构成第一振子结构，再将第一振子结构设置于由上盖板、下盖板及内环墙所界定的第一空间中，实现将第一圆柱体及第二圆柱体的另一侧分别抵触于上盖板及下盖板上，以实现配合组成第一弹簧振子结构，当声音垂直入射到用于建筑物的吸声结构时，声音的入射声波频率与第一弹簧振子结构共振频率吻合时，声波能量由于实现共振而消耗散掉；同时，利用吸声件的厚度呈几何参数梯度变化，使入射声波的传播速度随着吸声件的厚度的减小而逐渐减小，理想情况下入射声波的传播速度减小至零从而不发生反射的现象，以达到降噪的目的。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种用于建筑物的吸声结构，其特征在于，包括：

大小相等的上盖板和下盖板，所述上盖板和下盖板平行间隔设置；

连接所述上盖板和下盖板的内环墙，所述内环墙与所述上盖板和下盖板相垂直设置，并于内环墙的内侧形成有呈中空状的第一空间；

第一振子结构，位于所述第一空间内，包括与所述上盖板接触的第一圆柱体、与所述下盖板接触的第二圆柱体、位于所述第一圆柱体与第二圆柱体之间的吸声件，以及沿所述吸声件边缘延伸出的第一环形，所述第一圆柱体与第二圆柱体大小相等、且呈平行间隔设置，沿所述吸声件的厚度方向，所述吸声件的一端与所述第一圆柱体的底面接触，所述吸声件的另一端与所述第二圆柱体的顶面接触，所述吸声件的最大厚度为所述第一圆柱体与第二圆柱体沿轴向方向上的间距，所述第一圆柱体和第二圆柱体的轴心线分别与所述第一空间的轴心线重叠；

所述吸声件与所述第一圆柱体的底面相接触的一端具有一端面，所述吸声件的厚度从所述端面的外周缘沿端面的径向方向向外以指数的形式递减，所述第一环形的厚度等于所述吸声件的最小厚度；

一参考平面K，所述参考平面K沿垂直于第一空间的轴心线所在方向穿过所述第一环形，并将吸声件分割为第一部分与第二部分，所述第一部分与第二部分沿参考平面K呈镜像对称设置；

所述吸声件为声学黑洞部分；

所述吸声结构还包括：

连接所述上盖板和下盖板的外墙，所述外墙沿所述上盖板的边缘呈周向设置，所述内环墙位于所述外墙的内侧，所述内环墙的外侧与所述外墙的内侧之间具有呈中空的第二空间；

连接所述外墙与内环墙的中间薄膜，所述中间薄膜位于所述第二空间的中间位置，且与所述上盖板和下盖板相平行；

第一质量振子，位于所述第二空间内，且设置于所述中间薄膜上；

所述第一质量振子具有至少两个，至少两个所述第一质量振子均位于所述中间薄膜的同一侧；

所述第一环形与所述内环墙的内侧之间具有一间距D，所述间距D的取值大于或等于2毫米；

所述指数的表达式为，其中，/>表示系数，且/>，h(x)表示所述吸声件的厚度，h0表示所述吸声件最小厚度，/>表示所述吸声件根部最大厚度，La表示所述吸声件根部最大厚度部分到最小厚度部分在径向方向上的距离，/>表示所述吸声件上位于最大厚度部分至最小厚度部分之间的任一点到所述最小厚度部分在径向方向上的最短距离，m大于或等于2。

2.根据权利要求1所述的一种用于建筑物的吸声结构，其特征在于，所述内环墙的高度h5的范围满足：h5=H-h1-h2，其中，H表示所述吸声结构的厚度，h1表示所述上盖板的厚度，h2表示所述下盖板的厚度。

3.根据权利要求2所述的一种用于建筑物的吸声结构，其特征在于，所述上盖板的厚度h1的范围：0.5mm≤h1≤2mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于建筑物的吸声结构，其特征在于，所述中间薄膜的厚度h3的范围：0.2mm≤h3≤1mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于建筑物的吸声结构，其特征在于，所述第一质量振子的材质为铝或铜或合金。

6.根据权利要求1所述的一种用于建筑物的吸声结构，其特征在于，所述第一质量振子呈圆柱状，所述第一质量振子的底面固定于所述中间薄膜上。

7.一种隔声板，其特征在于，包括由多个如权利要求1至6中任意一项所述的用于建筑物的吸声结构排列组成。

8.一种隔声板，具有相对设置的第一侧面及第二侧面，包括由多个如权利要求1至6中任意一项所述的用于建筑物的吸声结构排列组成，其特征在于，每个所述第一质量振子位于所述中间薄膜的同一侧，且均朝向第一侧面延伸设置。