CN1664920A - 声音衰减结构 - Google Patents

Abstract

披露了一种声音衰减板，该板包括：被分成若干独立单元的刚架、柔性材料片、以及若干重物。每一重物都被固定在那片柔性材料上，从而每一单元都具有各自的重物，并且通过选择重物的质量来控制被衰减的声音的频率。

Description

声音衰减结构

技术领域

本发明涉及一种新颖的声音衰减结构，且尤其涉及局部谐振声音材料(locally resonant sonic material)(LRSM)，这种材料能够对特定频率范围内的声音提供屏蔽或者声障，且该结构能够被堆叠到一起用作宽范围频率的声音衰减屏蔽。

背景技术

进年来，基于本机振荡器的构成原理，发现了一种新类型的声音材料。这种材料可以打破声音衰减质量密度定律，该定律认为，为了使声音传播衰减到相同的程度，实心板每单位面积的厚度或质量要与声音频率呈相反变化。因此，采用这种传统的声音衰减材料，低频率的声音衰减会需要非常厚的实心板，或者采用高密度材料，例如铅制成的板。

这种被称为局部谐振声音材料(LRSM)的新型材料所暗含的基本原理已经出版在第289卷第1641-1828页(2000)的《科学》杂志中，并且在美国专利No.6576333和美国申请号09/964529中已经就实施LRSM的这种材料的各种设计进行了说明。然而，目前的设计还是存在以下问题，即对质量密度定律的突破仅仅局限在狭窄的频率范围内。因此，在需要声音在较宽频率范围内进行衰减的应用中，LRSM仍然会相当厚并且重。

发明内容

根据本发明，提供了一种声音衰减板，它包括分成若干独立单元的刚架，一片柔性材料，以及若干重物，其中将每一所述重物固定到所述那片柔性材料上，从而每一单元具有各自的重物。

优选的是，每一重物位于单元的中央处。

柔性材料可以是任何适当柔软的材料，例如类似橡胶的弹性材料，或者例如尼龙的材料。优选的是，该柔性材料应该具有大于小于1mm的厚度。重要的是，该柔性材料理想的是应该不具透气性并且没有任何穿孔或者孔洞，否则效果将会极大地降低。

刚架可以由例如铝或塑料材料制成。网格的功能是用于支承，因此对网格材料的选择不必苛求，只要它具有足够的刚性且优选为较轻重量即可。

通常，网格内的单元的间距在0.5-1.5cm的范围内。在一些情况下，特别是如果柔性片较薄，那么网格的尺寸可能会对其所阻挡的频率起作用，并且特别的是，网格尺寸越小，那么所阻挡的频率就越高。然而，如果柔性片较厚的话，那么网格尺寸的作用将变得不那么重要。

一块重物的通常的尺寸大约为5mm，并且质量在0.2到2g的范围内。通常，在一块板内的所有重物具有相同的质量，并且将重物的质量选择为能够对预期频率的声音进行衰减，并且如果所有其它参数保持相同的话，那么所阻挡的频率将会随着质量的平方根成反比变化。就所阻挡的频率来说，重物的尺寸不是关键，但是它们会对传入声音和谐振结构之间的耦合产生影响。重物相对“平坦”的形状将会是优选的，因此，带头的螺钉和螺母的组合是相当有效的。另一可能是，重物可以由两个磁性部件(例如磁盘)构成，它们可以在不需要对膜打任何孔的情况下就可以固定在膜上，换句话说，一个部件可以固定在膜的每一面上，同时这些部件被它们之间的吸引力保持在适当位置处。

单板仅使相对窄的频带进行衰减。然而，可将许多板堆叠在一起以形成复合结构。特别的是，若干每块板都采用不同的重物，因此能使不同的频率范围进行衰减，那么这种复合结构就可以具有相对较宽的衰减带宽。

因此，本发明还延伸到一种声音衰减结构，该包括若干堆叠在一起的板，其中每块所述的板包括分成若干单独单元的刚架、一片柔性材料、以及若干重物，其中每个所述重物都固定在所述那片柔性材料上，从而每个单元具有各自的重物。

如上所述的单个声音衰减板通常要发生声音反射。如果想要减少声音反射，那么上述的板可以与已知的声音吸收板组合。

因此，本发明还延伸到一种声音衰减结构，该结构包括分成若干单独单元的刚架、一片柔性材料、以及若干重物，其中每个所述重物都固定在所述那片柔性材料上，从而每个单元具有各自的重物，以及声音吸收板。

附图说明

现在将通过示例的方式以及结合附图对本发明的一些实施例进行说明，其中附图包括：

图1为与弹簧相垂直的质量位移；

图2示出了包括的许多LRSM单元的刚架，其中一个单元被粗实线勾勒出轮廓；

图3采用顶视图和分解视图示出了单个单元；

图4示出了根据本发明实施例的LRSM板的顶视图，

图5示出了根据本发明实施例的三块单独的LRSM板的传输频谱，以及由这三块LRSM板堆叠在一起的板的传输频谱；

图6示出了根据本发明的两块单独的LRSM板的传输频谱，以及由这两块LRSM板堆叠在一起的板的传输频谱；

图7示出了用于比较的实心板的传输频谱；

图8示出了具有高吸收性能和低传输率的板的结果；

图9示意性地示出了用于获得图5到8的结果的测量装置。

具体实施方式

本发明涉及一种新类型的LRSM的设计。基本上，局部振荡器可以被认为包括两个部件：振荡器的质量m，以及振荡器的弹簧系数K。由于增加m会增加板的整体重量，因此，通常不赞成增加m。所以，一种方式应该是选择较低的K值。然而，较低的K值通常意味就要选择软性材料，而这种软性的材料却难于维持结构的稳定性。然而，在本发明的优选实施例中，通过下面看到的几何装置获得了较低的K值。

对于普通的质量-弹簧几何结构，质量位移x等于弹簧位移，因此，回复力等于Kx。考虑如图1所示的质量位移与弹簧垂直的情况。在这种情况下，质量位移x将会使弹簧伸长(l/2)*l*(x/l)²＝x²/2l，这里l为弹簧的长度。因此，回复力等于Kx*(x/2l)。由于x通常非常小，因此有效的弹簧常数K′＝K*(x/2l)也会明显地减小。由于局部振荡器的谐振频率为 $f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K^{\′}}{m}},$ 因此，小的有效K′值将随之产生非常低的谐振频率。因此，我们就可以在我们的设计中采用较小的质量m，而仍然能获得相同的效果。

上面的讨论是基于弹簧，或者是弹性杆的直径远远小于它的长度l的极限情况下的。当直径与l相当时，回复力将会与侧向的位移x成正比，因此力常数K′将会与x无关。对于中等范围的直径来说，K′逐渐从与x无关变成与x成线性关系，即位移与x无关的区域逐渐缩减为零。在二维结构中，这对应于弹性膜的质量，这种弹性膜的厚度范围为从远远小于侧向尺寸到与该尺寸相当。有效的力常数K′取决于膜的实际尺寸以及弹性膜上的张力。可对所有这些参数进行调整以获得与给定质量相匹配的理想的K′，这样就获得了所需的谐振频率。例如，为了达到更高的谐振频率，要么可以采用更轻的重物，要么通过将两张或更多的膜堆叠在一起，来增加膜的K′值，这与采用单张但是更厚的膜的效果是一样的。当膜固定到刚性网格上时，可以通过改变膜内的张力来调整谐振频率。例如，如果膜的张力增大，那么谐振频率也会增加。

图2示出了用在本发明的实施例中并被分成9个相同的单元的刚性网格的例子，并且为了清楚起见将中间的单元加粗示出。该网格可由任何适当的材料制成，只要它具有刚性并且优选为轻重量。例如合适的材料包括铝或塑料。通常单元为正方形，并且其边长大约为0.5到1.5cm。

如图4所示，根据本发明实施例的LRSM板包括若干独立的单元，并且每一单元由三个主要部件形成，即网格框架1、诸如弹性体(例如橡胶)片的柔性片2，以及重物3。坚固的网格提供了刚性框架，其上固定有重物(其用作局部谐振器)。网格本身对声波几乎都是可穿透的。固定(通过粘接或任何其它的机械方式)在网格上的橡胶片用作弹簧-质量局部振荡器内的弹簧。可将螺钉和螺母的组合固定在每一网格中央处的橡胶片上，以作为重物。

柔性片可是将多个单元覆盖的单片，或者每一单元具有附着在框架上的单独的柔性片。多个柔性片也可以彼此重叠在一起，例如可以采用两个薄片代替一个厚片。柔性片内的张力也可进行变化以影响系统的谐振频率。

在简单的关系式 $f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K^{\′}}{m}}$ 中，系统的谐振频率(固有频率)由质量m和橡胶片有效的弹力常数K决定，其中弹力常数等于橡胶的弹性乘以由单元的尺寸和橡胶片的厚度所限定的几何因数。如果K保持不变，那么谐振频率(并且因此为投射最小化的频率)与 成正比。这可用于估算所需的质量，从而获得理想的下降频率(dip frequency)。

为了实验的目的，采用下面的参数来构建对应于图4中设计的LRSM板的四个例子。

例1

例1的板包括两个网格，其中一个网格重叠在另一个上，并且这些网格通过缆绳被固定在一起。每一网格都是正方形的，并且边长为1.5cm，并且每一网格的高度为0.75cm。采用了两个橡胶片(每个0.8mm厚)，其中一片保持在两个网格之间，而另一片固定在板的表面上。这两个橡胶片都在没施有预张紧力的前提下被固定在网格上。重物以不锈钢螺钉和螺母组合的形式，被连接在每一橡胶片的片中心处。在例1中，每一螺钉/螺母的组合重量为0.48g。

例2

例2中的板，除了每一螺钉/螺母的组合重量等于0.76g外，其余都与例1中的相同。

例3

例3中的板，除了每一螺钉/螺母的组合重量等于0.27g外，其余都与例1中的相同。

例4

例4中的板，除了每一螺钉/螺母的组合重量等于0.136g并且螺钉/螺母组合由特氟纶制成外，其余都与例1中的相同。

图5示出了例1到例3的振幅(下面的附录中方程(4))中的t)传输频谱，以及将例1、2和3中的板堆叠到一起而形成复合板的振幅传输频谱。当它们单独被测量时，可以看到对于每个例子中都有一个唯一的传输衰减(transmission dip)。例1在180Hz处显示了传输衰减，例2在155Hz处显示了传输衰减，例3在230Hz处显示了传输衰减。随着螺钉/螺栓质量的增加，传输衰减向低频率转变，从而满足了预知的 关系。当将三个例子叠加在一起时，对形成的复合板所测得的传播曲线显示，它们一起形成了宽带低传播声障。在120和250Hz之间，传输低于1％，这意味着传输衰减在40dB以上。在整个120到500Hz的范围内，传输低于3％，这意味着35dB以上的传输衰减。

对于更高频率的隔音要求来说，使用了如例4中的较轻的重物。图6示出了分别测得的例1和例4的传输频谱，以及将两个例子叠加在一起时的频谱。并且，叠加的例子显示了更宽频率范围(从大约120Hz到400Hz)的传输衰减，这是每一单板单独使用时所不能获得的。

为了将这些结果与传统的声音传输衰减技术相比较，可以采用所谓的穿过具有质量密度为ρ和厚度为d的实心板的声音传播(在空气中)的质量-密度定律：t∝(fdρ)^-1。在500Hz附近，其相当于在重量上重超过一个数量级的实心板，更不用说甚至是在更低的频率处时。

图7示出了实心板例子的传输频谱，该实心板具有4cm的厚度，面积质量密度为33lb/ft²。这块板由“橡皮泥”砖制成。该传输总的趋势正如由质量定律中所预知的，随着频率的减小，传输率增加。波动是由板的内部振动造成的，这是由于该板不是完全刚性的。

本发明优选实施例的LRSM板都具有接近都90％反射率，可加入低反射率的板以减小反射或增加吸收。图8示出了叠加的板(由图6中的例1和例4以及低反射板组成)在120Hz到1500Hz范围内的吸收(左手边轴线)(＝1-r*r-t*t)，这里r为反射系数，t为传播系数(右手边轴线)，该吸收率在120Hz到1500Hz范围内平均值达到66％。在此实施例中，低反射板为有孔的板的组合，该板为其上具有在每cm²上分布有直径范围从1mm到0.2mm内的10个锥形孔的金属，同时上面还涂覆有一层玻璃纤维。传播振幅在所有频率处都低于3％，并且平均值为1.21％，或者在120到1500Hz范围内为38dB。复合板的总体面积重量大约为4.5lb/ft²或22kg/m²。这比普通的瓷砖轻。整个厚度小于3cm。

正如从上述优选实施例中所看到的，本发明优选实施例的LRSM板由带有单元的刚架构成，在其上固定有柔性材料，例如薄的橡胶片。然后在每一单元内，都将小的质量固定在橡胶片的中央处(图3)。

刚架具有很薄的厚度。以这种方式，当谐振频率范围内的声波撞击到板上时，将会诱使质量在垂直于橡胶片的方向上发生微小的位移。在这种情况下，橡胶片用作产生回复力的软弹簧。由于单块板可能很薄，因此，可将大量的声波板叠加在一起而作为宽频率的声音衰减板，这种叠加在较宽频率范围内打破了质量密度定律。

与以前的设计相比，这种新设计具有以下优点：(1)声波板非常薄，(2)声波板非常轻(密度低)，(3)可将板叠加在一起以形成能够在较宽频率范围内打破质量密度定律的宽频LRSM材料。特别的是，它能够打破低于500Hz频率时的质量密度定律；(4)可容易并以低成本制造该板。

LRSM本身就是反射材料。其自身具有非常低的吸收率。因此在需要低反射的地方的应用中，LRSM可以和其它声音吸收材料组合在一起，特别是，组合的LRSM吸收板可以在120-1000Hz的频率范围内作为低传输率、低反射率的声波板。通常，在1000Hz以上时，声音可被容易地吸收，并且不需要特殊的装置。因此，实际上，本发明的声波板可以在非常宽的频率范围下，同时解决户内和户外存在的声音衰减问题。

对于户内的应用，例如在木质框架的房间内，在墙壁采用木头框架和石膏板构造的地方，可将本发明实施例的LRSM板插入到石膏板之间，通过使现有墙壁的声音传输损失达到35dB而在房间之间获得强有力的声音绝缘。对于户外的应用，也可将板用作混凝土或其它防风雨结构的内部的插入物，而将外界噪声(特别是低频噪声)屏蔽掉。

附录

测量技术

测量方法是基于对标准方法(ASTM C384-98“通过阻抗管方法用于声学材料的阻抗和吸收的标准测试方法”)的改进。阻抗管被用于在管的内部产生平面声波，同时筛除噪音。图9示出了这种方法的简图。所要测试的样品平板9稳固并紧紧地放置于标准方法所需的两Brüel & Kjr(B&K)型4026阻抗管10、11之间。和标准方法一样，前管10在其远端具有B&K扬声器12，和两型号为4187的声学传感器13、14。具有其电子增益大约为前部声学传感器13、14的100倍的第三声学传感器15被置于后管11的夹具(fixture)处。位于传感器后的后管的其余部分充满了消声的吸收海绵体16。这是原始的标准方法所不具有的附加特征，并且被精确地设计以测量传输的实例。

前管10的长度d_f＝27.5cm，直径为10cm。第一和第二传感器13、14间隔10cm，并且第二传感器与样品9间隔10.5cm。位于后阻抗管11内的第三传感器15与样品9间隔10.5cm，并且后管11与前管10具有相同的直径，即10cm。

后阻抗管11有效地将室内噪音与第三传感器15相隔离，从而该测量可以在正常的实验室中完成(而不需要配备特别安静的房间)。正弦信号从锁相放大器传送以通过功率放大器驱动扬声器12，该功率放大器同样也测量来自第三传感器15的信号。以2Hz的间隔对200Hz到1400Hz的范围内的声波频率进行扫描，同时通过三个(两相)锁相放大器对电信号进行同相和异相的测量。与更易于在低频处与噪声发生干涉的、采用自相关多通道频率分析装置的宽带声源相比，单一的频率激励和相位灵敏性检测显著提高了信噪比。所有传感器已经通过传统的切换位置方法进行了校准以获得它们相应的响应曲线。

出于完整性的考虑，下面给出了用于数据分析的相关公式的推导。首先来定义用于推导中的下列术语：

θ_n＝2πfd_n/c；c＝声音在空气中的速度；f＝频率；k＝2πf/c

d_1，2，3＝从样品分别到第一传感器13、第二传感器14和第三传感器15的距离；d_f＝前阻抗管的长度，d_b＝后阻抗管的长度。

r_s＝扬声器的反射系数；r＝样品的反射系数。

t＝样品的传播系数。

X_n＝传感器n处的信号；A＝由扬声器辐射的声波的振幅。

通过假设声波为管内的平面波，并且通过将Z轴方向设定为右方(the right)，并且在样品表面处z＝0，那么第一传感器13和第二传感器14的振幅为

$X_{\mathrm{1,2}}=A\frac{e^{-l{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{1,2}}}+{\mathrm{re}}^{i{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{1,2}}}}{1-r_s{\mathrm{re}}^{2i{\mathrm{\θ}}_f}}$ 方程(1)

那么位于样品后表面处的声波振幅为

。通过将用于后管内的声波的样品后侧处设为z＝0，那么第三传感器15处的信号为

$X_3=\frac{{\mathrm{Ae}}^{i{\mathrm{\θ}}_3}}{1-r_3{\mathrm{re}}^{2i{\mathrm{\θ}}_f}}$ 方程(2)

从方程(1)，得到样品的反射系数r为

$r=\frac{e^{-i{\mathrm{\θ}}_2}-H_{\mathrm{1,2}}{e}^{-i{\mathrm{\θ}}_i}}{H_{\mathrm{1,2}}{e}^{i{\mathrm{\θ}}_i}-e^{i{\mathrm{\θ}}_2}}$ 方程(3)

这里H_1，2＝X₂/X₁。方程(3)与用于标准两扩音器方法中的一样，用于采用所测得的传输方程H_1，2来确定反射r。

传输系数t可以通过方程(1)和(2)中的X₃/X₁和r得到：

$t=e^{-\mathrm{i\θ}}(e^{-i{\mathrm{\θ}}_2}+{\mathrm{re}}^{i{\mathrm{\θ}}_2})X_3/X_2$ 方程(4)

传输损失(TL)被定义为TL(dB)＝-20*log(|t|)。

Claims (15)

1.声音衰减板包括：分成若干独立单元的刚架，一片柔性材料，以及若干重物，其中将每一所述重物固定到所述那片柔性材料上，从而每一单元具有各自的重物。

2.如权利要求1所述的板，其中那片柔性材料不能透过空气。

3.如权利要求1所述的板，其中每一所述重物位于所述单元的中心。

4.如权利要求1所述的板，其中柔性材料为弹性材料。

5.如权利要求4所述的板，其中所述弹性材料为橡胶。

6.如权利要求1所述的板，其中所述重物的质量在0.2到2.0克的范围内。

7.如权利要求6所述的板，其中每一重物都具有相同的质量。

8.如权利要求1所述的板，其中所述单元为正方形，其间距介于0.5和1.5cm之间。

9.如权利要求1所述的板，其中所述那片柔性材料片将多个单元覆盖。

10.如权利要求1所述的板，其中每一单元具有各自的柔性材料片。

11.如权利要求1所述的板，其中所述片包括多层所述的柔性材料。

12.一种声音衰减结构，其包括若干堆叠在一起的板，其中每块所述板包括分成若干独立单元的刚架、柔性材料片、以及若干重物，其中每个所述重物都固定在所述那片柔性材料上，从而每个单元具有各自的重物。

13.如权利要求12所述的结构，其中每一所述板都具有与所述结构中的其它所述板不同的重物。

14.如权利要求12所述的结构，还包括声音吸收板。

15.一种声音衰减结构，其包括分成若干独立单元的刚架、柔性材料片、以及若干重物，和声音吸收板，其中每个所述重物都固定在所述那片柔性材料上，从而每个单元具有各自的重物。

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