CN213448949U - 消声模块和声屏障 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种消声模块，所述消声模块能设置在空间内以衰减在空间内传播的声音，其中所述消声模块被构造为内设有声音传播路径的薄板件，其中所述声音传播路径被构造成用于旁通空间内的主声音分量且所述声音传播路径的长度被设计成使经至少一个所述出口传出的旁通声音分量和在空间内传播经过所述消声模块的主声音分量的相位差为被衰减声音的半波周期的M倍或者所述传出的旁通声音分量和所述主声音分量的波长之和为被衰减声音的N倍，其中M为奇数，N为正整数。进一步，本实用新型还包括一种声屏障。

Description

消声模块和声屏障

技术领域

本实用新型涉及为了降低在空间内传播的噪音而被安装在建筑物室内或者交通工具等场合的消声模块和声屏障。

背景技术

噪声是指发声体做无规则振动时发出的声音，会严重妨碍人们正常休息、学习和生活。噪声污染一方面主要来源于交通运输、建筑施工、工业噪声、社会噪音、家庭生活噪声等，所以为了人们生活的舒适度不被噪声影响，降噪就显得尤为重要。在现在的多功能厅、礼堂、影剧院、体育馆甚至家庭等场所，广泛地会使用由消声板组合而成的声屏障(诸如隔音墙或者隔音层等)来起到消声和装饰效果。

作为这种消声板或者声屏障的一种典型的已知示例为亥姆霍兹共振体结构，其是由一个容积为V的空腔和与外界连通的颈管所组成。现在经常采用的亥姆霍兹共振吸声体是一块平板上穿孔，或开槽的单层吸声板，在板后背墙面一定距离安装开成一个空腔V，但是这种产品其共振吸收频率范围非常窄，一般只在某一固定共振频率上有较大的吸收，一旦偏离共振频率时，则吸声系数急剧减小。

另外一种典型的消声板为带四分之一波长管的消声管结构。目前，传统的声波吸收材料或结构都需要四分之一波长的最低厚度才能实现对某频率声波的完全吸收。虽然日常中存在多种多样的吸声材料，如海绵、泡沫金属、纤维物、多孔板等等，但若要完全吸收某波长的声波，这些材料和结构的厚度通常需要至少达到该波长的四分之一。对于低频的声波，由于其波长很大，所需要的材料厚度就更大了。例如要吸收300赫兹的声波，对应的四分之一波长为280毫米。这种程度的厚度在实际应用中是无法接受的，一是吸声材料将占据大量空间，二是极大地增加额外重量，三是在很多情况下完全无法实现的，如在附接至或者嵌埋入墙壁、作为屏风摆放在室内或用作为飞机舱壁的内隔层。

声超材料是近年来出现的一种新型吸收噪音的方式。相比传统的消声方式，声超材料主要是通过设计材料特性来形成具有多层特性的复杂材料，例如多层复合材料。因为声波的传播速度会随着材料特性发生变化，这类复杂材料是传入的声波在材料中不断加速。当声波在材料中受到反射后，反射波向外传播的速度会不断变慢。在这两种机制的共同作用下，这类复杂材料类似于一个“声学黑洞”。理想状况下，声音在传入材料后将无法传出，造成几乎100％的声音吸收率。然而，尽管目前提出的声超材料具有良好的吸声性能，但由于其尺寸微小且具有复杂的材料特性和结构，目前的生产技术和制造工艺都无法达到大规模制造声超材料的程度，且这种声超材料的制作成本也居高不下。还需要指出的是，现有的声超材料仅能吸收单频或者较窄频率范围内的噪声，因此它们无法应用于需要降低多频或者宽频的应用场景。

因此，行业内仍存在提供一种制造工艺简单、能满足不同应用场景要求、能在多个频率段进行有效消声、结构上紧凑的消声模块和声屏障的需求。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种能至少部分地解决上述现有技术的种种不足的消声模块。

根据本实用新型的一方面，提供了一种消声模块，所述消声模块能设置在空间内以衰减在空间内传播的声音，其中所述消声模块被构造为内设有声音传播路径的薄板件，其中所述声音传播路径的至少一个入口和至少一个出口分别设置在所述薄板件的彼此平行间隔、相对设置的一对板壁上；其中所述声音传播路径被构造成用于旁通空间内的主声音分量且所述声音传播路径的长度被设计成使经至少一个所述出口传出的旁通声音分量和在空间内传播经过所述消声模块的主声音分量的相位差为被衰减声音的半波周期的M倍或者所述传出的旁通声音分量和所述主声音分量的波长之和为被衰减声音的N倍，其中M为奇数，N为正整数。

与现有的声超材料和传统亥姆霍兹共振腔相比，根据本实用新型的消声模块在多种不同的空间降噪的应用中均具有以下显著的优势：异于传统吸声结构(例如传统亥姆霍兹共振腔或者消声板)，本实用新型中的消声模块内的声音传播路径是采用共面形式嵌入在消声模块内部的，以达到理论上能将消声模块的厚度减小至非常纤薄的量级，即能做到该消声模块的厚度远薄于现有的消声板，这对于在室内空间大批量的敷设该消声模块而不会影响室内空间的内部体积是非常有利的。

与现有的多层复合材料的声超结构相比，由于本实用新型的消声模块为大尺寸的简单结构，其对于形状公差和几何设计的要求低，因此无需高成本的精密加工或者高制造紧密度，这对于降低消声模块的制造成本无疑是极为有利的。

作为本实用新型的一个优选方面，所述消声模块还包括在所述薄板件内以平行间隔方式设置的至少一个引导壁，其中所述引导壁用于在所述薄板件内在至少一个所述入口和至少一个所述出口之间界定出曲折的声音传播路径，其中所述声音传播路径的长度与所述主声音分量在空间内经过至少一个所述入口和至少一个所述出口的长度彼此相差被衰减声音的波长的一半的正整数倍。

作为本实用新型的一个优选方面，所述消声模块包括在一侧彼此间隔设置的多个入口和在相对的一侧设置的一个出口，其中所述多个入口各自相对于所述一个出口形成的声音传播路径的长度分别相对于频率不同的被衰减声音在所述空间内经过所述多个入口和所述一个出口的长度相差频率不同的被衰减声音的波长的一半的正整数倍，从而允许所述消声模块能衰减在空间内传播的不同频率的声音。

作为本实用新型的一个优选方面，所述消声模块的所述入口和/或所述出口被设计为排布在所述板壁上的多个孔，其中所述多个孔的孔径被设计为使消声模块仅接受来自空间内的声音。

作为本实用新型的另一方面，还提供了一种声屏障，其由多个消声模块排列组合而成，其中多个消声模块的尺寸和长度彼此间可以是相同的或者是不同的，从而允许吸收多种不同频率的空间的声音。

作为本实用新型的一个优选方面，其中所述声屏障为建筑物内的隔断壁面。

作为本实用新型的一个优选方面，其中所述声屏障为建筑物内的墙内隔断层。

作为本实用新型的一个优选方面，其中所述声屏障为建筑物内的室内屏风。

作为本实用新型的一个优选方面，其中所述声屏障为建筑物内的室内隔断墙。

作为本实用新型的一个优选方面，其中所述声屏障为交通工具的舱壁内隔层。

本实用新型的其它特征和优点的一部分将会是本领域技术人员在阅读本公开后显见的，另一部分将在下文的具体实施方式中结合附图描述。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施例，其中：

图1示出了根据本实用新型的消声模块的实施例的主视图，其中部分部件被透明化以更好地示出该装置的内部结构；

图2示出了根据本实用新型的声屏障的实施例的主视图。

附图标记说明

10、10A、10B、10C、10D 消音模块 20.声屏障

11.底壁 12.顶壁 13.侧壁 14A.前壁 14B.后壁

15.引导壁 16.入口 161.孔 17.出口 B.旁通声音分量

具体实施方式

现参考附图，详细说明本实用新型所公开的消声模块和声屏障的示意性方案。尽管提供附图是为了呈现本实用新型的一些实施方式，但附图不必按具体实施方案的尺寸绘制，并且某些特征可被放大、移除或局剖以更好地示出和解释本实用新型的公开内容。附图中的部分构件可在不影响技术效果的前提下根据实际需求进行位置调整。在说明书中出现的短语“在附图中”或类似用语不必参考所有附图或示例。

需要说明的是，当组件被称为“附接”至另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“贴附”于另一个组件，它可以是直接贴附在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。在下文中被用于描述附图的某些方向性术语，例如“上游”、“下游”、“前”、“后”、“内”、“外”、“上方”、“下方”和其它方向性术语，将被理解为具有其正常含义并且指正常看附图时所涉及的那些方向。除另有指明，本说明书所述方向性术语基本按照本领域技术人员所理解的常规方向。本实用新型中所使用的术语“第一”、“第二”及其类似术语，在本实用新型中并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个部件与其它部件进行区分。在本文中，术语“空间”涵盖了具有一定容积的、三维开放式空间或者封闭式空间，其诸如为建筑物、交通工具等应用场合。

下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在图1中示出了根据本实用新型的消声模块10的一个非限定的实施例，如图1所示，该消声模块10大体呈纤薄的长方体，具有包括位于下方的底壁11、相对于该底壁11以平行间隔的方式设置的顶壁12以及用于沿底壁11的两个侧边将底壁11与该顶壁12连接在一起的侧壁13以及在垂直于图1的图面方向向外的前壁14A和图面方向向内的后壁14B，其中前壁14A和后壁14B是平行间隔的相对设置。结果是，该消声模块10被构造为内设有声音传播路径B的薄板件。

如图1所示出的那样，在图1中，在该前壁14A的右上方上设有供外部声音传入的一个入口16，其中在此该入口16被设计为排布在前壁14A上的多个孔161，并且在图1的在后壁14B的左下方上设有供经过内部腔体内的声音传播路径B(在下文中详细描述)的声音向外传出的出口17，在此该出口也可以被设计为排布在后壁14B上的多个孔。需要指出的是，在图1中的入口16和出口17的相对位置关系仅是示例性的，本领域技术人员容易想到可以将入口16和出口17布置位置进行调换或者更改。

为了控制自入口16传入该消声模块10中的声音传播到能对外传出声音的出口17所经过的长度，在此在该消声模块10的内部腔体内以平行间隔方式设置有至少一块引导壁15。在图1中所示的消声模块10中以等间隔的方式平行设有四块引导壁15，其中这四块引导壁15中的每一块均连接至该消声模块10的侧壁13且其长度均小于消声模块10的宽度，即这四个引导壁15均是与侧壁13相距一定距离的方式沿消声模块的宽度方向布置。由于这些引导壁15的厚度大体设计为是声波不可透的，这样平行间隔设置的多个引导壁15可以在内部腔体内界定出迂回曲折的声音传播路径(参见图1中的附图标记B)。本领域技术人员能够理解得到，通过调节设置在内部腔体内的引导壁15的数量、改变引导壁15之间彼此相隔的距离、引导壁15距侧壁13的距离等，能够调节内部腔体内的声音传播路径的长度或者是调节经入口16传入该消声模块10中的声音经消声模块10从出口17传出所需要的时间。在此，可以通过在前壁14A或后壁14B上铣制出若干个槽以供多个引导壁15插设入这些铣制槽从而将引导壁15固定在消声模块10的内部腔体内。替代地，也可以通过粘接、焊接或者熔接的方式将引导壁15紧固至消声模块10的前壁14A或后壁14B。

在此，可以将图1中示出的消声模块10置于空间内。在此作为示例，该空间例如可以是包括音乐厅、礼堂或者会议室在内的各类建筑物的室内空间等，当然也可以是火车站、候机大厅等开放式的空间。在各种不同的应用场景下，借助于消声模块10对在空间内的传播的声音加以衰减是非常期望的，在下文中将对此加以详细描述。

如图1所示，为了实现对空间内传播的声音的衰减，将图1中的消声模块10例如借助于底壁11以图1中示出的竖立姿态固定不动地设置在空间内。具体来说，可以使消声模块10的入口16面向对外发出能在空间内传播的声音的噪声源且该消声模块10的出口17则面向需要进行降噪处理或者保持安静的区域。在这里，优选使入口16和出口17是相连通的。归因于入口16和出口17是排布在前壁14A和后壁14B上的多个孔，通过合理地设计孔161的孔径可以被设计为使消声模块仅接受来自空间内的声音。作为一种示例，通过计算机辅助计算或者有限元分析可以得出适合的孔161的孔径范围，以上设计属于本领域技术人员的能力范畴内，因此在此不再赘述。

如图1所示，在使消声模块10在空间内布置就位后，期望被衰减的声音在消声模块10的入口16位置处可以按两条声学传播路径向下游传播，即可以分为继续在空间内传播的主声音分量和在消声模块10内传播的旁通声音分量(由B标示出)。在图1所示出的这种结构情况下，继续在空间内传播的主声音分量会在消声模块10的出口17位置处与在消声模块10内传播的旁通声音分量B重新相遇，在此该主声音分量所经过的声学传播路径的长度通过计算或者模拟是可获知的，而该旁通声音分量B所经过的声学传播路径的长度则可以如上文所述进行合理的选择。为了实现对期望声音的衰减，通过主声音分量和旁通声音分量B的不同的传播距离从而产生相位差，在此将通过空间传播的主噪声分量与通过消声模块10的旁通声音分量B之间的相位差调节成被衰减声音的半波周期的M倍，其中M为例如是包含1或3在内的奇数。或者也可行的是，通过合理设计消声模块10内的声学传播路径的长度(例如通过合理设计引导壁16来实现)，使自消声模块10的出口17传出的旁通声音分量B和继续在空间内传播的主声音分量的波长之和为被衰减声音的N倍，其中N为正整数。在以上两种方式的情况下，均可以由于主声音分量和旁通声音分量B两者在交汇处相遇时发生反相干涉现象而是声音减弱或者消失。结果是，在空间内传播的声音在消声模块10的后壁14B处对外传出的声音明显地被减弱甚至消失。作为听众或者用户的直观感受就是，自消声模块10的前壁14A传来的空间内传播的声音在经过该消声模块10后(即在消声模块10的后壁14B位置处)声音明显被衰减，或者说声音似乎被消声模块10吸入其内的“黑洞”效果，从而可以将消声模块视为一种消声板或者消声屏障。

作为一种非限定性的设计方式，可以首先针对实际应用场景要求的声传损失(例如需要衰减的声音的分贝数)，将消声模块10的入口16和出口17根据期望衰减的声音的频率范围估计出一个级联耦合的带两个端口的声学网格(cascade-coupled acoustic 2-ports network)。网络中的每一个节点都代表一个消声模块10的拓扑结构(n-duct-liketopology)，其声音传递函数可由低频模型估计。然后，能够用反向传递矩阵(backwardtransfer-matrix)计算出整个网络的声传损失。这个声传损失会与实际应用场景要求的声传损失做差值并在频率范围内平均，记作r。为了对网络进行优化，可以将每个节点上的上述消声模块10的长度与截面积作为参数，将r作为需要最小化的目标值，对系统进行优化。可行的是，使用差分进化算法进行全局优化从而得到消声模块10所需的结构设计参数的值。

根据本实用新型的消声模块10与现有的声超材料和传统亥姆霍兹共振腔相比，在多种不同的空间降噪的应用中均具有以下显著的优势：异于传统吸声结构(例如传统亥姆霍兹共振腔或者消声板)，本实用新型中的消声模块10内的声音传播路径是采用共面形式嵌入在消声模块10内部的，以达到理论上能将消声模块10的厚度减小至非常纤薄的量级，即能做到该消声模块10的厚度远薄于现有的消声板，这对于在室内空间大批量的敷设该消声模块10而不会影响室内空间的内部体积是非常有利的。

进一步，与现有的多层复合材料的声超结构相比，由于本实用新型的消声模块10为大尺寸的简单结构，其对于形状公差和几何设计的要求低，因此无需高成本的精密加工或者高制造紧密度，这对于降低消声模块10的制造成本无疑是极为有利的。例如，根据本实用新型的消声模块10可以由常见的塑料加工制得。当然，本实用新型所涉及的消声模块10还可以由其它的任何适用的硬材料做成。举例来说，如果用铣床来加工，材料可以是木质、金属甚至橡胶等。

根据本实用新型涉及的消声模块10特别适用于房间和交通工具等等场合、具有特定频率的噪声的消除。当安装在音乐厅或礼堂的墙上、交通工具的客舱或用作为室内屏风时，本实用新型涉及的消声模块10能显著降低噪声污染。同时，本实用新型的消声模块10的结构紧凑，对于安装空间的要求很低，这对于简化消声模块10的使用安装和扩大消声模块10的应用范围无疑是非常有利的。

进一步，本实用新型的消声模块10具有很好的通用性且满足场景化设计。具体来说，可以根据不同应用场景的要求(降低某个频率、某个狭窄频率段、或者是宽频率段的噪声)将多个消声模块10组合成为下文中详细描述的声屏障20。在将消声模块10组合成声屏障20时，首先采用上述描述的设计方法获得优化的几何结构，通过调整各种消声模块10的几何结构尺寸和排布方式，即可实现满足要求的降噪方案。

作为一种优选的实施方式，为了能降低在空间内传播的不同频率的声音，在图2中示出了组合布置方式的多个消声模块10A-D。其中多个消声模块10A-D具有大体相同的构造，其区别仅在于各自具有不同的尺寸以对不同的声音频率进行降噪处理。如图2所示，4个具有不同的尺寸的消声模块10A-D以彼此相邻的方式紧靠在一起以形成声屏障20，其中声屏障20中的4个消声模块10A-D在图2中布置在前壁14A的开口为入口，布置在后壁14B上的开口为出口，其中声屏障20中的4个消声模块10A-D的长度、宽度和其内设置的引导壁的数目和间隔距离是不同的，从而使得声屏障20中的4个消声模块10A-D能够作为一个组合对空间内的不同频率的声音进行衰减。由于消声模块10A-D衰减声音的原理与图1中的消声模块10是相同的，在此不再赘述。

需要指出的是，尽管在图2中示出的声屏障20中的多个消声模块10A-D的尺寸和长度彼此间是不同的，但对于噪声频率的范围宽度不大的工作场合，例如交通工具的客舱等，这些消声模块10A-D的尺寸和长度彼此间是也可以是相同的，此时借助于调节消声模块10A-D中的声音传播路径的长度同样允许吸收多种不同频率的空间的声音。作为本实用新型的声屏障20的应用场合，该声屏障20可以用作为建筑物内的隔断壁面、建筑物内的墙内隔断层、建筑物内的室内屏风、建筑物内的室内隔断墙或者是用作为交通工具的舱壁内隔层。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，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组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下，本领域的技术人员可作的等同变化、修改与结合，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (10)

1.一种消声模块，所述消声模块能设置在空间内以衰减在空间内传播的声音，其特征在于，所述消声模块被构造为内设有声音传播路径的薄板件，其中所述声音传播路径的至少一个入口和至少一个出口分别设置在所述薄板件的彼此平行间隔、相对设置的一对板壁上；其中

所述声音传播路径被构造成用于旁通空间内的主声音分量且所述声音传播路径的长度被设计成使经至少一个所述出口传出的旁通声音分量和在空间内传播经过所述消声模块的主声音分量的相位差为被衰减声音的半波周期的M倍或者所述传出的旁通声音分量和所述主声音分量的波长之和为被衰减声音的N倍，其中M为奇数，N为正整数。

2.如权利要求1所述的消声模块，其特征在于，所述消声模块还包括在所述薄板件内以平行间隔方式设置的至少一个引导壁，其中所述引导壁用于在所述薄板件内在至少一个所述入口和至少一个所述出口之间界定出曲折的声音传播路径，其中所述声音传播路径的长度与所述主声音分量在空间内经过至少一个所述入口和至少一个所述出口的长度彼此相差被衰减声音的波长的一半的正整数倍。

3.如权利要求2所述的消声模块，其特征在于，所述消声模块包括在一侧彼此间隔设置的多个入口和在相对的一侧设置的一个出口，其中所述多个入口各自相对于一个所述出口形成的声音传播路径的长度分别相对于频率不同的被衰减声音在所述空间内经过所述多个入口和所述一个出口的长度相差频率不同的被衰减声音的波长的一半的正整数倍，从而允许所述消声模块能衰减在空间内传播的不同频率的声音。

4.如权利要求1所述的消声模块，其特征在于，所述消声模块的所述入口和/或所述出口被设计为排布在板壁上的多个孔，其中所述多个孔的孔径被设计为使消声模块仅接受来自空间内的声音。

5.一种声屏障，其由多个消声模块排列组合而成，其中所述消声模块为如权利要求1至4中任一项所述的消声模块，其中多个消声模块的尺寸和长度彼此间可以是相同的或者是不同的，从而允许吸收多种不同频率的空间的声音。

6.如权利要求5所述的声屏障，其中所述声屏障为建筑物内的隔断壁面。

7.如权利要求5所述的声屏障，其中所述声屏障为建筑物内的墙内隔断层。

8.如权利要求5所述的声屏障，其中所述声屏障为建筑物内的室内屏风。

9.如权利要求5所述的声屏障，其中所述声屏障为建筑物内的室内隔断墙。

10.如权利要求5所述的声屏障，其中所述声屏障为交通工具的舱壁内隔层。

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