CN218996356U - 一种基于卷曲空间的多层微穿孔板吸声结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于卷曲空间的多层微穿孔板吸声结构，该结构利用卷曲空间在有限空间下增加了穿孔板层数，用于低频宽带吸声。与传统的单向微穿孔板相比，本实用新型的卷曲空间方法可以最大限度地利用有限空间来实现不同吸声层数的构建，从而满足在有限空间下尽可能实现宽频带下的隔声降噪。结果表明，这种卷曲空间的方法构建的多层数微穿孔面板结构能够保证在400～5000Hz频率范围内的高吸收率(持续超过90％)，不仅节省了大量空间，在吸声效果上毫不逊色传统微穿孔板，甚至在某些频段明显优于传统微穿孔板。这表明，本实用新型所提出的卷曲空间多层微穿孔面板结构为有限空间内吸声提供了一个很好的解决方案。

Description

一种基于卷曲空间的多层微穿孔板吸声结构

技术领域

本实用新型属于隔声降噪领域，涉及一种基于卷曲空间的多层微穿孔板吸声结构。

背景技术

传统穿孔板在日常生活中已经有了广泛的应用，因其结构特点一般用作多孔吸声材料的面板，用于增强低频吸声性能，同时还能起到装饰的作用。但是该传统穿孔板的吸声系数低，一般只有0.16左右；且由于较低的声抗，导致这种吸声结构的吸声带宽较窄，通常不到一百赫兹。相对于传统穿孔板而言，微穿孔板一般是在固体薄板上穿以大量按规律排列的孔径小于1.0mm的微孔，并在其后部设置密闭的空腔形成微穿孔板吸声结构，利用亥姆霍兹共振达到很好的吸声效果。它的特点是利用控制微孔几何参数的方法使其本身的声阻与空气特性阻抗相接近，而声抗相对较小，所以不需要搭配使用多孔吸声材料就可以达到较好的吸声效果，其吸声频带主要在中高频段。作为未来吸声材料与吸声结构设计的重要发展方向，微穿孔板吸声结构因无需填充任何多孔材料、质轻坚固、防火防潮防腐等耐候性能优良、无二次污染等特点已经被广泛地应用于建筑、船舶、飞机、工业等诸多领域，被誉为21世纪可以替代传统多孔材料的最具有吸引力的新一代吸声材料。

经典微穿孔板一般吸声带宽较窄、板厚较小，制约了其工程应用范围。微穿孔板板厚较大，吸声频带较宽，但结构复杂，生产成本较高，工程应用受限。现有的微穿孔板经过一定的改进一般用于管道与消声器消声,其吸声频率一般为2～4kHz，频段内平均吸声系数大约为0.7。例如,申请号为201820991506.7的中国专利公开了一种局部穿孔板消声单元、组合穿孔板消声单元、复合消声片、复合消声装置和管道系统,局部穿孔板消声单元包括底板、侧板与局部穿孔板。局部穿孔板与底板对称布置,侧板围绕在局部穿孔板与底板之间,共同形成消声空腔,空腔内填充吸声材料。但局部穿孔板消声单元一般用于低频(0.1～1kHz)控制,吸声频带较窄；若要实现宽频噪声控制,需要局部穿孔板消声单元阵列并且外加多孔吸声材料,传统吸声材料寿命短,环境抗性较差。申请号为202010216076.3的中国专利公开了一种多层微穿孔板吸声结构，包括依次间隔设置的框体和微穿孔板，以及由框体与微穿孔板围合而成的吸声空腔。框体为中空直角六面体，微穿孔板为直角六面体薄片。该结构的吸声效果较其他微穿孔板结构在频宽方面有很大的提升，但是依然存在较为明显的缺陷。一个是在低频段的表现较其他频段而言依然不足，另一方面该多层微穿孔板的层数影响着吸声效果，而在实际的应用中在有限空间下可能并不能具备足够的空间来实现其层数要求。

综上所述，开发一种高效宽频吸声与隔声结构,考虑其在有限空间条件的实用性，对噪声控制、噪声污染治理显得尤为重要。本实用新型针对上述问题，提出了利用卷曲空间增加微穿孔板层数的方法，使得在有限空间内达到相应的层数要求，极大地节约了空间。同时利用不同层数的微穿孔板吸声频段不同的特点，将不同层数的微穿孔板搭配一起，实现特定频段的宽范围，高吸声系数。

发明内容

本实用新型的目的在于基于现有技术存在的不足，提出一种基于卷曲空间的多层微穿孔板吸声结构，以解决现有吸声频段窄，低频吸声效果差，有限空间内难以达到理想吸声效果的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型所述的一种基于卷曲空间的多层微穿孔板吸声结构。包括外部框体及依次间隔设置的微穿孔板，通过卷曲空间利用微穿孔板及框体实现在有限空间内构建不同层数的吸声空腔。

进一步地，所述整个框体结构长度为120mm，高度为80mm，厚度为1mm。框体的主要作用为：对整体支撑作用，同时其内部自上而下分三到五层。此设计的框体主要作用为：对整体结构起固定支撑的作用；确定微穿孔板的位置；利用卷曲空间增大微穿孔板层数，同时将微穿孔板分开形成不同层数的吸声空腔；

进一步地，所述微穿孔板的数量为24～28个，微穿孔板的厚度为0.1mm-1.0mm。通孔在微穿孔板表面均匀分布。通孔的形状为圆形孔或三角形孔，圆形通孔的直径为0.1mm-1.0mm，三角形孔的边长为0.1mm-1.0mm，微穿孔板的穿孔率为0.1％到12％，单位吸声空腔的长度为10mm-30mm。利用卷曲空间向下或向上增加的吸声空腔层数为1-5层，构成的不同吸声层数单元为2-7个。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，具有如下显著特点：

1、整体尺寸小，内部空腔与微穿孔板层数多，体积小，质量轻，面密度小；

2、同时具备多种层数的微穿孔板结构，吸声效果明显增强，吸声频带宽，低频吸声性能良好；

3、在尽可能提供多种层数的微穿孔板结构的同时，利用卷曲空间吸声性质不变的原理在有限空间内增加微穿孔板层数，最大程度上节约了空间，空间利用率极高。

附图说明

图1所示为本实用新型的整体结构剖面示意图；

图2所示为本实用新型的简化结构示意图；

图3所示为本实用新型的微穿孔板结构示意图；

图4所示为本实用新型不同单元层数配合示意图；

图5所示为本实用新型的吸声特性曲线图；

图6所示为本实用新型的声阻声抗图。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案更加清楚，下面结合附图对本实用新型做进一步阐述。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制。其中说明书附图的方向为上下左右。

工作原理：当声波从外界入射到吸声结构外部微穿孔板界面时，在微穿孔板与框体的共同作用下，一部分的声波被反射，透射声波的声能因此减弱，增加了微穿孔板吸声结构的隔声性能。基于卷曲空间的多层微穿孔板吸声结构是由不同层数的微穿孔板与板后空腔构成的，微穿孔板孔径中的空气可以看成是大量的亥姆霍兹共鸣器并联组合而成的结构。透射部分的声波进入微穿孔板的通孔后，通孔孔颈中的气体在声波的压力作用下像活塞一样做往返运动，由于孔颈壁的摩擦和阻尼作用，使一部分声能转化为热能而消耗掉，从而达到吸声效果。当入射波长与该微穿孔板声阻抗相匹配时，与其发生共振，共振振幅最大，空气柱往返于孔颈中的速度也最大，摩擦损耗也最大，即吸收的声能最多。同时由于通孔的微小孔径，当声波经过微孔进入吸声空腔时，会与孔壁产生热黏性效应，从而耗散(吸收)掉一部分声能，从而提高结构整体的吸声性能。一般来说，单层的微穿孔板对应一个本征频率，会产生周期性共振峰，吸声曲线波动较大。但是当微穿孔板层数增多时，由于不同微穿孔板之间的耦合作用，会产生多个耦合共振峰，吸声频率范围明显变宽，吸声曲线也较为平坦。另外，通过增加结构的低频吸声系数也可以提高多微穿孔板层数吸声结构整体的隔声性能。

基于卷曲空间的多层微穿孔板吸声结构的吸声性能与微穿孔板的厚度、穿孔尺寸、穿孔率、腔体深度以及微穿孔板的层数有关。通过改变这些结构参数可以调整微穿孔板吸声结构的吸声系数与频率范围，而多层微穿孔板吸声结构的隔声性能(尤其是低频隔声性能)与其吸声系数有关，通过增加结构的吸声系数以提高多层微穿孔板吸声结构整体的隔声性能。但单种层数的微穿孔板的吸声性能始终是有限的，在宽频与低频方面还是不够出色，而在一种吸声结构中融合不同层数的微穿孔板将会是一个非常不错的选择，同时利用空间卷曲可以实现在有限范围内尽可能地实现所需层数的配合。综合以上方法从而实现低频吸声与宽频吸声的结合。

如图1，基于空间卷曲的多层微穿孔板吸声结构包括框体与微穿孔板，自上而下依次设置五个多层微穿孔板吸声单元，每个单元微穿孔板的层数不同。最左端为整体微穿孔板，第一层从左至右依次设置五层微穿孔板，共构成6个吸声空腔，在第6个吸声空腔下方再设置一层微穿孔板，通孔所占面积与其他微穿孔板面积相同，通过这种空间卷曲的方式使得微穿孔板的层数增加到7层，将其命名为Unit4。第二层从左至右依次设置4层微穿孔板，共形成5个吸声空腔，命名为Unit2。第三层从左至右依次设置5层微穿孔板，共形成6个吸声空腔，命名为Unit3。第四层从左至右依次设置三层微穿孔板，共形成4个吸声空腔，命名为Unit1。第五层从左至右依次设置五层微穿孔板，形成6个吸声腔，在最后一个吸声腔上方再设置一层微穿孔板，通孔所占面积与其他微穿孔板一致且集中分布在右边，然后在上面相连吸声空腔的左边再设置一层微穿孔板，利用这种空间卷曲的方法将微穿孔板的层数增加到8层，命名为Unit5。

如图2，框体结构整体尺寸为120(L)×80mm(W)，框体厚度为1mm(L1)，吸声腔深度为19mm(h)。

如图3，微穿孔板中通孔的直径为0.1mm(d)，穿孔率为δ＝3％。

如图4，基于空间卷曲的多层微穿孔板吸声单元结构简图，最左端为入射声波，右边自上而下依次为不同微穿孔板层数的吸声单元。吸声单元的吸声空腔自上而下依次设置为7、5、6、4、8个。最上面的单元与最下面的单元利用了空间卷曲，吸声效果不变的设计。

如图5，将上述基于空间卷曲的多层微穿孔板吸声结构进行吸声特性有限元仿真分析及MATLAB理论计算并绘图。根据马大猷的近似公式，单层微穿孔板的相对声阻抗可表示为：

z_MPP＝r+jωm

其中j是虚数，ω是角频率。R为相对声阻，m为相对声质量，定义为：

其中η＝1.8×10^-5Pa·s，ρ＝1.25kg/m³,c＝343m/s为空气的动态粘度系数、密度和声速。t为面板厚度，σ为穿孔比，d为穿孔孔直径。x是射孔常数，由

单层微穿孔板吸声系数可表示为：

通过分析，我们可以发现只有当r＝1,m＝0时，才能达到完美的吸声。一般来说，要实现宽频率吸收的完美声阻抗匹配是很困难的。但是，在大多数实际应用中，并不是一定要达到完美的吸声，吸收大部分的声能也可以达到目的。因此，这就给出了一个更大的声阻抗匹配范围。在上述条件下进行仿真。

从图中可以看出，该结构在400～5000Hz频率范围内具有高吸收率(持续超过90％)，具有低频宽带高吸声系数的优点。

如图6，本实例的基于空间卷曲的多层微穿孔板吸声结构可以用于酒店客房噪声控制、居民住房噪声控制以及商场，工厂等场所的噪声控制。本结构可以很好地利用于有限空间内低频宽带吸声，全频段吸声系数较高，整体的吸声性能，尤其是低频吸声性能较好。在尽量不过大增加整体厚度的情况下可以利用本结构提出的空间卷曲方法实现在最小的空间内得到所需吸声空腔层数的组合，从而在特定频段内达到很好的效果。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

Claims (5)

1.一种基于卷曲空间的多层微穿孔板吸声结构，其特征在于：整体由框体和多层微穿孔板组成，连续微穿孔板空腔的个数即该微穿孔板的有效吸声层数。

2.根据权利要求1所述的一种基于卷曲空间的多层微穿孔板吸声结构，其特征在于：所述多层微穿孔板利用卷曲空间增大有效吸声腔层数。

3.根据权利要求1所述的一种基于卷曲空间的多层微穿孔板吸声结构，其特征在于：所述外框体整体尺寸长度L为100mm-150mm，高度W为40-80mm，外壳厚度L1为0.1-1mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于卷曲空间的多层微穿孔板吸声结构，其特征在于：所述微穿孔板厚度为0.1-0.9mm，通孔尺寸为0.01-0.1mm；所述微穿孔板的穿孔率为1％-10％；所述微穿孔板吸声空腔长度为20-50mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于卷曲空间的多层微穿孔板吸声结构，其特征在于：所述空腔吸声层数为3-9层，卷曲形式为向上卷曲与向下卷曲两种形式。

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