CN1311380A - 特宽频带微穿孔吸声体及其制造方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明的特宽频带微穿孔吸声体,包括微穿孔板、与微穿孔板构成一体的具有后腔深度D的盒形构件,所述微穿孔板的穿孔板常数见公式1相对声阻见公式2,且1≤r≤5,所述后腔深度见公式3,式中:d－微穿孔板的穿孔直径mm;ω－角频率;ρ－空气密度1.2kgm^－3;η－粘滞系数,空气中为1.8(10)^－5kgm^－1s^－1;p－微穿孔板的穿孔率%;ρc－特性阻抗,空气中为400kgs^－1;t－微穿孔板的板厚mm;kr－相对声阻常数;λ－声波波长m;C－声速,空气中340ms^－1;f₀－最大吸声频率。

Description

特宽频带微穿孔吸声体及其制造方法和设备

本发明涉及一种吸声结构，具体地说涉及一种特宽频带微穿孔吸声体。

目前使用的微穿孔板吸声结构，较之其他的共振吸声结构的吸声频带要宽得多，但也只有1～2个倍频程。为了进一步加大其吸声频带宽度，在实际应用中需采取双层微穿孔板吸声结构。在使用这种结构时，安装施工比较复杂，要求较高的技术，才能保证质量。此外，在实际应用中，声波不只是正入射，在不同的方向也要入射。因此，吸收特性是各个方向入射的平均。如果假设各个方向入射的概率相同，这时的入射被称之为漫入射，则起作用的是统计吸声系数。

根据微穿孔板吸声结构的理论(马大猷发表在“中国科学”杂志1975年卷第38-50页上的“微穿孔吸声结构的理论和设计”)，除基本(或主要)吸声频带外，在高频率还有一些次吸声频带。这种次吸声频带在一定条件下，可形成重要甚至是主要的吸声部分。最近的科学研究工作已得到验证并求得形成规律，并求得其基本形成规律和在漫入射时统计吸声系数的规律。

本发明的目的在于有效地利用微穿孔板吸声结构的次吸声频带而提供一种特宽频带微穿孔吸声体，该吸声体能够大大增加实际应用的吸声频带，从而实现其高频吸声性能，并且在无特殊技术要求的条件下，就能将这种吸声体简便地安装投入使用。

本发明的又一个目的在于提供一种制造所述微穿孔吸声体的方法。

本发明的再一个目的在于提供一种实施制造所述微穿孔吸声体方法的设备。

本发明的目的主要是通过降低微穿板的穿孔板常数K来达到的，其具体技术方案如下。

本发明的特宽频带微穿孔吸声体包括微穿孔板和与微穿孔板构成一体的具有后腔深度D的盒形构件，所述微穿孔板的穿孔板常数 $k=d\sqrt{\frac{\mathrm{\ω\ρ}}{4\mathrm{\η}}}\≤3,$ 相对声阻 $r=\frac{32\mathrm{\η}}{\mathrm{p\ρc}}\frac{t}{d^2}{k}_r$ ，且1≤r≤5，所述后腔深度 $D=\left(\frac{D}{\mathrm{\λ}}\right)\frac{c}{f_0}$ ，式中：

d-微穿孔板的穿孔直径mm；

ω-角频率；

ρ-空气密度1.2kg m^-3；

η-粘滞系数，空气中为1.8(10)^-5kg m^-1s^-1；

p-微穿孔板的穿孔率％；

ρc-特性阻抗，空气中为400kg s^-1；

t-微穿孔板的板厚mm；

k_r-相对声阻常数， $k_r={(1+\frac{k^2}{32})}^{\frac{1}{2}}+\frac{\sqrt{2}}{32}\frac{d}{t}\·k;$

C-声速，空气中340m s^-1；

λ-声波波长m；

f₀-最大吸声频率。

本发明的特宽频带微穿孔吸声体，其中所述穿孔板常数K=1，相对声阻1≤r＜3；

本发明的特宽频带微穿孔吸声体，其中所述微穿孔板和盒形构件的板厚t=0.1-5mm；所述穿孔直径d=0.1-0.4mm；所述穿孔率P=0.1-2％。

本发明的特宽频带微穿孔吸声体，其中所述t=0.2mm；所述d=0.2mm；所述穿孔率P=0.3％。

本发明的特宽频带微穿孔吸声体，其中所述微穿孔板成波纹状或所述盒形构件内设有支撑挡板格，其方格尺寸为10×10-100×100cm²；或所述微穿孔板成波纹状和所述盒形构件内设有支撑挡板格，其方格尺寸为10×10-100×100cm²。

本发明的特宽频带微穿孔吸声体，其中所述微穿孔板和盒形构件的材料为铝板、钢板、塑料板、木板、纸板或膜。

本发明的特宽频带微穿孔吸声体，其中所述微穿孔板上的穿孔成三角形或正方形点阵排列。

本发明的特宽频带微穿孔吸声体的吸声特性由微穿孔板的穿孔板常数K和微穿孔板的相对声阻r来决定。下面分别对其吸收特性中的正入射吸声特性、扩散场中漫入射的基本吸声特性、次吸声频带使吸声频带向高频延长的数值以及特宽频带微穿孔吸声体的构造进行详细说明。

1、正入射吸声特性

正入射吸声特性包括正入射吸声系数α_n、吸声频率f、后腔相对厚度、半频吸声下限频率f₁和半频吸声上限频率f₂。其中： ${\mathrm{\α}}_n=\frac{4r}{{(1+r)}^2+{(\mathrm{\ωm}-\mathrm{ctg}\left(\frac{\mathrm{\ωD}}{c}\right))}^2}$ 最大吸声系数 ${\mathrm{\α}}_0=\frac{4r}{{(1+r)}^2}$ 最大吸声频率(微穿孔板主要频率)f₀满足 ${\mathrm{\ω}}_{0}m=\mathrm{ctg}\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{0}D}{c}\right)$ 其中ω₀=2πf₀ $\frac{D}{\mathrm{\λ}}=\left(\frac{1}{\mathrm{\π}}\right)\mathrm{ct}{g}^{-1}\left({\mathrm{\ω}}_{0}m\right)$ 波长λ=c/f₀，在半吸声点α=(1/2)α₀的频率f₁和f₂满足 ${\mathrm{\ω}}_1-\mathrm{ctg}\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{0}D}{c}\right)=-(1+r)$ ${\mathrm{\ω}}_1-\mathrm{ctg}\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{0}D}{c}\right)=+(1+r)$ ω₁=2πf₁,ω₂=2πf₂在半频吸声下限频率f₁,ω₁D/c＜1时，可取ctg的近似值求得 $\frac{{\mathrm{\ω}}_{1}D}{c}=\frac{{\mathrm{ctg}}^{-1}}{\{1+\frac{\mathrm{mc}/D}{1+{(1+r)}^2}\}}$ 在半频吸声上限频率f₂,ω₀D/c只能用数字计算求得。以上公式中：

c-声速，在空气中取为340m s^-1

m-相对声质量

根据以上公式计算正入射吸声特性的各参数如下面的表1所示，并可据以求得吸声频带频程f₂/f₁。

表1特宽频带微穿孔吸声体正入射吸声特性(决定于基本参数k,r)

根据上表任意选定f₀值后，使微穿孔吸声体的吸声范围适合要求，其它值均可求得。对表中k,r值均可用内插法求得中间值。

2、扩散场中漫入射的基本吸声特性

微穿孔吸声体除吸收正入射声音外，还吸收斜入射声音，其斜入射吸声系数α(θ)是斜入射角θ的函数， $\mathrm{\α}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{4r\cos \mathrm{\θ}}{{(1+r\cos \mathrm{\θ})}^2+(\mathrm{\ω}m\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{ctg}\left(\frac{\mathrm{\ω}D\cos \mathrm{\θ}}{c}\right){)}^2}$ 在扩散场中，漫入射吸声系数或统计吸声系数是α。对θ平均值式中： ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{stat}}={\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\frac{4r\cos \mathrm{\θ}\sin 2\mathrm{\θd\θ}}{{(1+r\cos \mathrm{\θ})}^2+{(\mathrm{\ω}m\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{ctg}\left(\frac{\mathrm{\ω}D\cos \mathrm{\θ}}{c}\right))}^2}$ r是微穿孔板的相对声阻 $r=\frac{32\mathrm{\η}}{\mathrm{p\ρc}}\frac{t}{d^2}{k}_r$ $k_r={(1+\frac{k^2}{32})}^{\frac{1}{2}}+\frac{\sqrt{2}}{32}\frac{d}{t}\·k$ ωm是微穿孔板的相对声质量 $\mathrm{\ωm}=\frac{\mathrm{\ω}\·t}{\mathrm{pc}}{k}_m$ $k_m=1+{(9+\frac{k^2}{2})}^{-\frac{1}{2}}+0.85\frac{d}{t}$ k_r-相对声阻常数k_m-相对声质量常数

特宽频带微穿孔吸声体在扩散场中的基本吸声特性大致与正入射时相似，主要是频谱移至较高频率。设α_m为扩散场中的最大吸声系数，其频率为f_m，半频吸声频带为f₁-f₂′。以正入射时最大吸声频率f₀为主，归一各值，f_m=ζ_mf₀，下限频率比 $\frac{f_1}{f_0}={\mathrm{\ξ}}_1,$ 上限频率比

基本相等，均约为1.4。吸声频带的频程基本相等。在k＜3,1≤r＜3范围内，最大的吸声系数等于0.8左右，最大吸声频率约为1.4f₀，吸声频程与正入射相同。根据这些关系可估计扩散场内的吸声特性误左在10％以内，也可以根据扩散场内求出所需要的k，r值。如要求更准确的数值可用下面表2中的最大吸声系数α_m和它的相对频率 ${\mathrm{\ξ}}_m=\frac{f_m}{f_0}$ 。吸声频程仍与正入射相同，在一些情况下，ζ₂已为次吸声频带淹没，实际的ζ₂决定于次吸声频宽。

表2特宽频带微穿孔吸声体扩散场吸声性能

k	r=0.5		r=1	r=2	r=3
						0.5	αm	0.64	0.81	0.85	0.79
ξm	1.33	1.5	1.5	1.5
					0.8		αm	0.63	0.8	0.85
ξm	1.33	1.4	1.6
						1	αm	0.63	0.81	0.83	0.76
ξm	1.33	1.41	1.6	1.6
					2		αm	0.62	0.85	0.71	0.62
ξm	1.33	1.41	1.41	1.41
						3	αm	0.58	0.66	0.58	0.48
ξm	1.33	1.33	1.33	1.33

3、次吸声频带使吸声频带向高频延长值

次吸声频带会使吸声频带向高频延长，当漫入射吸声系数的平均值α_stat在0.4以上时，实际的延长值ξ_m，可根据实验和计算得到，如下面的表3所示。

表3特宽频带微穿孔吸声体吸声频带使高频带延长值(α_stat＞0.4)

k	r=0.5	1	2	3
					0.5	12.3	16.5	16	15.5
0.8	10	13.5	11.6	10.1
					1	6.3	9.2	7.5	6.3
1.25	5.5	6.7	5	4.3
					1.6	4.5	4.83	4.0	3.8

由表3可知，在r一定时，K值越小，次频带吸声使高频带延长值ξ₂越大。其中r=1时，ξ₂最大。

4、特宽频带微穿孔吸声体的结构选定f₀和k值，根据 $k=d\sqrt{\frac{\mathrm{\ω\ρ}}{4\mathrm{\η}}}$ ，可得微穿孔板的穿孔直径 $d=k\sqrt{\frac{4\mathrm{\η}}{{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\ρ}}},$ 其中 $\frac{\mathrm{\η}}{\mathrm{\ρ}}=1.5{\left(10\right)}^{-5}$ m² s^-1穿孔中心距为b(m)穿孔成正方形点阵排列时， $b=\{\frac{4}{\mathrm{\π}}\frac{32\mathrm{\ηt}}{\mathrm{\ρc}{d}^4}\[{(1+\frac{k^2}{32})}^{\frac{1}{2}}+\frac{\sqrt{2}}{32}k\frac{d}{t}{\]}^{\frac{1}{2}}\}\mathrm{mm}$ 穿孔成三角形点阵排列时， $b=\left\{\frac{2\sqrt{3}}{\mathrm{\π}}\frac{32\mathrm{\ηt}}{\mathrm{\ρc}{d}^4}{\[{(1+\frac{k^2}{32})}^{\frac{1}{2}}+\frac{\sqrt{2}}{32}k\frac{d}{t}\]}^{\frac{1}{2}}\right\}\mathrm{mm}$ 后腔深度 $D=\left(\frac{D}{\mathrm{\λ}}\right)\frac{c}{f_0}$ mm，根据表1中的 $\frac{D}{\mathrm{\λ}}$ 值，计算出D值。

在K=1的情况下，选取d=0.16mm,t=0.2mm,f₀=390HZ，在不同的r下，可求得穿孔成三角形点阵排列对应的b和D，例如：

r=1，求得b=2.0mm,D=285mm；

r=2，求得b=2.7mm,D=240mm；

r=3，求得b=3.3mm,D=200mm。

本发明制造所述特宽频带微穿孔吸声体的方法是：分别用板材制作微穿孔板和盒形构件；再将成形的微穿孔板置于盒形构件的敝开端，将二者铆接或粘合成一体构成封闭的吸声体。其中可将所述微穿孔板压制成波纹状。也可在所述盒形构件内设置支撑挡板格，其方格尺寸为10×10-100×100cm²。还可将所述微穿孔板压制成波纹状和在所述盒形构件内设置支撑挡板格，其方格尺寸为10×10-100×100cm²，以便提高大型特宽频带微穿孔吸声体的强度。

本发明实施所述制造方法的设备包括安装打孔器的夹头、打孔器、设置在所述夹头正下方的下孔板和套装在打孔器下部的引导板，所述打孔器为尖端冲头或缝针。本设备适用于加工穿孔直径为0.1-0.2mm的孔，加工时，不要使冲头或缝针整个穿过微穿孔板，只露出其尖端即可，这样的孔成截锥形。当加工穿孔直径为0.2-0.4mm的孔时，所述设备中的尖端冲头或缝针用钻头替换，且所述引导板套装在距离钻头切削部分端头一段稍大于微穿孔板板厚t处。其中钻身部分可加粗至1mm以上。

本发明的特宽频带微穿孔吸声体的优点在于：不仅采用丝米的穿孔孔径，还减小了微穿孔板的穿孔板常数K，使K≤3。这样，可使本吸声体的次吸收频带渐渐加宽，到一定程度，次频带同主频带相距很近。在漫入射吸声场中经过平均，主频带与次频带可连在一起，其结果是统计吸声特性的次吸声频带越来越重要，把吸声性能推延至更高频率，逐渐成为吸声的重要因素，甚至是主要因素，使微穿孔板吸声结构具有高吸声系数的频率范围在3个或4个倍频程以上，从而使本吸声体成为特宽频带微穿孔吸声体。另外，通过简单的制造方法，将本吸声体制作成一个封闭的整体独立单元。因此，现场安装时，不要求高超的技术，只需将其胶结或机械连接于墙上。当装在顶棚上时，可用金属或木吊杆吊装，克服了实际应用单独安装微穿孔板，后腔深度D掌握不准而影响实际吸声效果的不足，因此安装十分便捷，且吸声性能精确。本吸声体适用于高温、高速、潮湿及有洁净要求的场所和特殊实验室，也可广泛用于厅堂、会议室、播音室、录音棚、会议大厅等对音质有特殊要求的场所。

下面结合附图，对本发明特宽频带微穿孔吸声体的最佳实施例作进一步说明。

图1是本发明特宽频带微穿孔吸声体一个实施例的结构示意图。

图2是图1所示实施例的盒形构件的结构示意图。

图3是本发明实施制造所述微穿孔吸声体方法的一种设备的结构示意图。

图4是本发明实施制造所述微穿孔吸声体方法的又一种设备的结构示意图。

图5是本发明所述微穿孔吸声体的吸声特性曲线图。

如图1和图2所示，本发明的特宽频带微穿孔吸声体包括微穿孔板1和与微穿孔板1构成一体的具有后腔深度D=285mm的盒形构件2，微穿孔板1的穿孔板常数K=1，相对声阻r=1，微穿孔板1和盒形构件2用铝板制成，板厚t均等于0.2mm，微穿孔板1的穿孔直径d=0.2mm，穿孔率P=0.3％，穿孔成正方形点阵排列，其孔距b=2.0mm。本特宽频带微穿孔吸声体长1000mm，宽800mm。为加强其强度，微穿孔板1压制成波纹状，盒形构件2内设置有20个大小为20×20mm²的方形支撑档板格3，且成横向四排，每排5个，纵向5列，每列4个的配置。在制造本特宽频带微穿孔吸声体的微穿孔板时，先将微穿孔板1压成波纹状，再在其上按上述参数打孔。在制造本特宽频带微穿孔吸声体的盒形构件2时，先按上述后腔深度D弯四边，粘接成一具有敞开端的盒子，再将上述方形支撑挡板格3放入盒子内，最后将微穿孔板1置于盒形构件2的敞开端，并使二者粘接成一封闭的整体。

本发明所述的设备，是专门用来加工本发明特宽频带微穿孔吸声体的微穿孔板1上的穿孔的。如图3和图4所示，该设备包括安装打孔器4或4′的夹头5、打孔器4、4′、设置在夹头5正下方的下孔板6和套装在打孔器4、4′下部的引导板7。图3所示的设备用来加工d=0.1-0.2mm的孔，其打孔器4为尖端冲头(也可以是缝针)，加工时将微穿孔板1置于夹头5和下孔板6之间，启动夹头5，尖端冲头冲刺微穿孔板1，使穿孔成截锥形，板背面的孔径为所需要的孔径。图4所示的设备用来加工d=0.2-0.4mm的孔，其打孔器4′为钻头。引导板7套装在距离钻头切削部分端头一段稍大于微穿孔板板厚t处。此外，也可采用这样的钻头，即除其切削部分直径等于要加工的穿孔直径d外，钻杆部分加粗至1mm以上。使用图4的设备时，微穿孔板1上的穿孔是钻出来的。

如图5所示，为本发明特宽频带微穿孔吸声体的声吸特性曲线。其横坐标为相对频率，纵坐标为吸声系数。其中-◆-表示k=1,r=1的情况；-●-表示k=1,r=2的情况；-▲-表示k=1,r=3的情况，——表示k=4,r=1的情况，

由图5所示曲线可知，k=1时，其吸声曲线已呈现出特宽频带吸收特性，其中r=1时，性能最好，上半吸收点ξ₂为9.2。r=2,3时，ξ₂分别为7.5,6.3。而k=4时，其吸收频带不再是特宽频带特征。

Claims (16)

1、一种特宽频带微穿孔吸声体，包括微穿孔板，其特征在于：还包括与微穿孔板构成一体的具有后腔深度D的盒形构件，所述微穿孔板的穿孔板常数 $k=d\sqrt{\frac{\mathrm{\ω\ρ}}{4\mathrm{\η}}}\≤3,$ 相对声阻 $r=\frac{32\mathrm{\η}}{\mathrm{p\ρc}}\frac{t}{d^2}{k}_r$ ，且1≤r≤5，所述后腔深度 $D=\left(\frac{D}{\mathrm{\λ}}\right)\frac{c}{f_0}$ ，式中：

d-微穿孔板的穿孔直径mm；

ω-角频率；

ρ-空气密度1.2kg m^-3；

η-粘滞系数，空气中为1.8(10)^-5kg m^-1s^-1；

p-微穿孔板的穿孔率％；

ρc-特性阻抗，空气中为400kg s^-1；

t-微穿孔板的板厚mm；

k_r-相对声阻常数， $k_r={(1+\frac{k^2}{32})}^{\frac{1}{2}}+\frac{\sqrt{2}}{32}\frac{d}{t}\·k;$

λ-声波波长m；

C-声速，空气中340m s^-1；

f₀-最大吸声频率。

2、根据权利要求1的特宽频带微穿孔吸声体，其特征在于：所述穿孔板常数K=1，相对声阻1≤r＜3；

3、根据权利要求1或2的特宽频带微穿孔吸声体，其特征在于：所述微穿孔板和盒形构件的板厚t=0.1-5mm；所述穿孔直径d=0.1-0.4mm；所述穿孔率P=0.1-2％。

4、根据权利要求3的特宽频带微穿孔吸声体，其特征在于：所述t=0.2mm；所述d=0.2mm；所述穿孔率P=0.3％。

5、根据权利要求3的特宽频带微穿孔吸声体，其特征在于：所述微穿孔板成波纹状或所述盒形构件内设有支撑挡板格，其方格尺寸为10×10-100×100cm²；或所述微穿孔板成波纹状和所述盒形构件内设有支撑挡板格，其方格尺寸为10×10^-100×100cm²。

6、根据权利要求4的特宽频带微穿孔吸声体，其特征在于：所述微穿孔板成波纹状或所述盒形构件内设有支撑挡板格，其方格尺寸为10×10-100×100cm²；或所述微穿孔板成波纹状和所述盒形构件内设有支撑挡板格，其方格尺寸为10×10^-100×100cm²。

7、根据权利要求3的特宽频带微穿孔吸声体，其特征在于：所述微穿孔板和盒形构件的材料为铝板、钢板、塑料板、木板、纸板或膜。

8、根据权利要求4、5或6的特宽频带微穿孔吸声体，其特征在于：所述微穿孔板和盒形构件的材料为铝板、钢板、塑料板、木板、纸板或膜。

9、根据权利要求4、5、6或7的特宽频带微穿孔吸声体，其特征在于：所述微穿孔板上的穿孔成三角形或正方形点阵排列。

10、根据权利要求8的特宽频带微穿孔吸声体，其特征在于：所述微穿孔板上的穿孔成三角形或正方形点阵排列。

11、一种制造权利要求1所述特宽频带微穿孔吸声体的方法，其特征在于：分别用板材制作微穿孔板和盒形构件；再将成形的微穿孔板置于盒形构件的敝开端，将二者铆接或粘合成一体构成封闭的吸声体。

12、根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于：将所述微穿孔板压制成波纹状。

13、根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于：在所述盒形构件内设置支持挡板格，其方格尺寸为10×10-100×100cm²。

14、根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于：在所述盒形构件内设置支持挡板格，其方格尺寸为10×10-100×100cm²。

15、一种实施权利要求11至14中任意一项所述制造方法的设备，包括安装打孔器的夹头、打孔器，其特征在于：还包括设置在所述夹头正下方的下孔板和套装在打孔器下部的引导板，所述打孔器为尖端冲头或缝针。

16、根据权利要求15所述的设备，其特征在于：用钻头替换所述尖端冲头或缝针，且所述引导板套装在距离钻头切削部分端头一段稍大于微穿孔板板厚t处。

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