宽频共振吸声方法及结构与流程

本发明涉及一种吸声方法及结构，具体涉及一种宽频共振吸声方法及结构，属于噪声控制技术领域，重点针对管道内部有流条件下的气动噪声控制技术领域，但同时也适用于无流条件下的噪声控制技术领域。

背景技术：

目前，管道内部气动噪声控制一般采用消声器或在管道内壁铺设声衬来实现，需大量使用穿孔板和微穿孔板等共振吸声结构。穿孔板共振吸声结构，是基于亥姆霍兹共振器原理，将钢板、铝板或非金属板等以一定的孔径和穿孔率进行穿孔，背后留有一定深度的空腔，从而形成共振吸声结构，工作时充分利用其孔内与后部空腔内的空气层形成共振作用而有效吸声，在特定频段具有良好的吸声性能。相比于多孔吸声材料，共振吸声结构可以实现更低频率下的吸声，且具有更优越的耐高温、环保阻燃、高强度和长寿命等性能。

对于微穿孔板降噪结构，现有理论技术通常为等腔深结构。单层降噪结构一般只产生一个有效的共振吸声峰值及其高阶谐波，虽然吸声系数峰值可达到0.9以上，但吸声频带较窄。为了拓宽吸声频段，可通过增加自由度的方式，采用双层微穿孔板降噪结构，可产生两个有效的共振吸声峰值及其高阶谐波，但受结构参数本身的限制，降噪频带也只能覆盖两到三个倍频程，且两个共振峰之间存在明显的低谷；而若采用三层或三层以上的微穿孔板降噪结构，相比于双层降噪结构，层数进一步增多虽可拓宽吸声频带，但会降低拓宽前吸声频带内的平均吸声系数，且厚度空间尺寸、加工难度和成本均大幅增加。因此对于宽频噪声源或多阶谐波噪声源，无论是双层降噪结构还是多层降噪结构，仍然难以达到满意的降噪效果。因此，研究一种宽频吸声降噪技术及其结构具有重要的工程应用价值。

如申请号cn201910696266.7，名称为“一种微穿孔板双层层级蜂窝夹芯吸声承载复合结构”的发明专利申请，公开了一种应用于高速列车和飞机机体降噪的微穿孔板双层层级蜂窝夹芯吸声承载复合结构，包括上面板、上层层级蜂窝、中间面板、下层层级蜂窝和下面板。上层层级蜂窝放置在上面板和中间面板之间，下层层级蜂窝放置在中间面板和下面板之间。在上面板和中间面板上开设有微穿孔，开孔方向均垂直于面板。各部件经焊接或者粘接等连接在一起，形成整体结构。使用时，上面板朝向噪声源，下面板背向噪声源。本发明结构简单实用，设计性好，制造方便，具有较好的中低频段吸声性能以及优异的力学承载能力，同时兼具重量轻的特点，具有实际工程应用价值。

上述申请仅采用蜂窝夹芯结构提高吸声结构的强度，但没有涉及到拓宽吸声频率的问题。

又如申请号cn200710025599.4，名称为“全频吸声构件及其制作方法”的发明专利申请，公开了一种全频吸声构件及其制作方法，全频吸声构件中的表面穿孔吸声板由金属板制成，微穿孔吸声膜由高分子非金属材料制成；微穿孔吸声膜分别对支撑表面穿孔吸声板和护面板的两侧支撑架沿折线方向进行交叉缠绕，并形成三角形谐振腔；且微穿孔吸声膜分别对两侧的表面穿孔吸声板和护面板沿折线方向进行交叉连接，形成三角形谐振腔。本发明采用数控设备进行加工，采用双层微穿孔吸声膜(薄板)共振吸声结构和表面穿孔吸声板共振吸声结构相结合，且背后谐振腔深度都是连续变化的，使全频吸声构件对各频段噪音的吸收性能均能达到良好的效果。适用于净化要求比较高、需要强降噪的场合。

上述申请虽然是采用变化腔深的方式来拓宽吸声频率，但变化的是同一个腔体内的腔深，也就是说所有腔体都是一样的，这种结构的吸声频率拓宽范围有限;而对于有高速气流的管道内部环境，空气柱在穿孔和腔体内部流动，上述结构的变化腔深仍只视为一种等效深度的腔体，不能实现多种腔深的腔体并达到有效拓宽吸声频率的目的，因而不适用于高速气流环境下的管道噪声控制。

又如申请号cn201911027275.3，名称为“一种多频谱声屏障单元板”的发明专利申请，提供了一种多频谱声屏障单元板，由包括支撑结构、吸声结构；所述支撑结构为一个框架；吸声结构夹在护板中间并卡在支撑结构的槽内部。为了提高吸声系数和有效吸声频带宽度，采取不同孔径，不同穿孔率，不同腔深的多层穿孔板串联复合结构。面板与微穿孔板，微穿孔板与微穿孔板，微穿孔板与背板形成多重空腔结构。中、低频噪声可在通过空腔的过程中，通过共振消耗能量，达到很好的效果，且不同深度的空腔，针对不同频率的噪声，可以扩展频带幅度。本发明整体强度高，铝型材通用，规格少，安装方便，选用吸声材料灵活，费用低，吸声频幅宽等特点。

上述申请虽然提到不同腔深来提高吸声系数和有效吸声频带宽度，但没有具体公开是如何实现不同腔深的，也不适用于管道内部气动噪声控制。因此，还是需要一种有效的实现在有限厚度的降噪结构安装空间内，有效拓宽吸声频带，提高全频段降噪效果尤其是低频段降噪效果，且强度和刚度可靠的吸声方法及结构。

技术实现要素：

本发明针对当前的吸声结构在拓宽吸声频率上效果有限的问题，提出了一种宽频共振吸声方法及结构，吸声频带得到大幅拓宽，平均吸声系数得到显著提高，且没有显著低谷，或低谷值较高。

本发明为解决上述问题所采用的技术手段为：一种宽频共振吸声方法，采用两个以上不同腔深的共振吸声单元进行并列组合形成吸声模块，来拓宽吸声的频率，且每个共振吸声单元四周及底部密闭，形成独立的腔体。

进一步地，每个共振吸声单元采用两层以上不同腔深的腔体，来拓宽吸声的频率。

进一步地，吸声模块内不同共振吸声单元间至少有一层腔体采用变腔深结构，且腔深呈梯度连续变化。

进一步地，根据耦合叠加后的吸声带宽最大和平均吸声系数最大、或者根据对实际声源实现最大降噪量所需的声阻抗来设置吸声模块的设计参数。

进一步地，每个共振吸声单元腔体形状采用正六边形孔、正四边形孔、平行四边形孔或等腰梯形孔的结构，且孔内任意两条平行对边之间的距离小于待吸声声源最高频率声波的1/4波长。

一种宽频共振吸声结构，包括吸声模块，吸声模块包括两个以上并列组合的腔深不同的共振吸声单元，每个共振吸声单元包括穿孔板、背板和隔板，或者包括穿孔板、背板、隔板和挡板；且共振吸声单元由穿孔板、背板和隔板，或者由穿孔板、背板、隔板和挡板围成四周及底部密闭的独立腔体。

进一步地，每个共振吸声单元包括两层以上不同腔深的腔体，且相邻两层腔体之间设有穿孔板；吸声模块内不同共振吸声单元间至少有一层腔体的腔深呈梯度连续变化。

进一步地，穿孔板为微穿孔板。

进一步地，所述吸声结构包括两个以上的吸声模块，每个吸声模块通过四周的挡板和底部的背板包围成整体。

进一步地，每个共振吸声单元腔体形状为正六边形孔、正四边形孔、平行四边形孔或等腰梯形孔的结构，且孔内任意两条平行对边之间的距离小于待吸声声源最高频率声波的1/4波长。

进一步地，当吸声结构的安装表面为平面时，吸声结构的穿孔板表面和背板表面也为平面；当安装表面为圆柱面或曲面时，吸声结构的穿孔板表面和背板表面也为圆柱面或曲面，或者为小块平面通过拼接过渡构成的近似圆柱面或曲面。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过采用两个以上独立的不同腔深的共振吸声单元进行并列组合形成吸声模块，对于每种腔深的共振吸声单元，均能产生特定共振频率的声阻抗和吸声系数曲线。当多种不同腔深的共振吸声单元组合成吸声模块后，多种不同共振频率的吸声系数曲线进行耦合叠加，从而实现宽频吸声系数曲线，以及获得对实际声源实现最佳降噪量所需的最优阻抗。

2.本发明吸声模块至少有一层腔体采用变腔深结构，其腔深呈一定梯度的连续变化，参数优化设计时，并非以每种共振频率的吸声系数最大为优化目标，而是以耦合叠加后的吸声带宽最大和平均吸声系数最大为优化目标，或者是对实际声源实现最佳降噪量所需的声阻抗为优化目标，使不同共振频率的吸声系数耦合叠加后，在单位面积内实现最优的声阻抗和吸声系数，吸声频带得到大幅拓宽，平均吸声系数得到显著提高，且没有显著低谷，或低谷值较高。

3.本发明的共振吸声单元其腔体的孔内任意两条平行对边之间的距离小于待吸声声源最高频率声波的1/4波长，使其在设计频率段内通过亥姆霍兹共振器原理实现共振吸声，达到理想的降噪效果。

4.本发明能够在有限厚度的降噪结构安装空间内，有效拓宽吸声频带，提高全频段降噪效果尤其是低频段降噪效果，实现宽频降噪，且降噪结构的强度和刚度高，确保使用过程中的可靠性。

附图说明

图1为实施例一单个吸声模块立体结构示意图；

图2为实施例一共振吸声结构立体结构示意图；

图3为实施例一单个吸声模块侧视示意图；

图4为实施例一共振吸声结构侧视示意图；

图5为实施例五单个吸声模块侧视示意图；

图6为实施例五共振吸声结构侧视示意图；

图7为实施例七单个吸声模块侧视示意图；

图8为实施例七共振吸声结构侧视示意图；

图9为实施例八单个吸声模块侧视示意图；

图10为实施例八共振吸声结构侧视示意图；

图11为吸声系数耦合叠加效果示意图；

图中：1.穿孔板，11.穿孔板一，12.穿孔板二，13.穿孔板三，2.背板，3.隔板，4.挡板，5.腔体，51.腔室一，52.腔室二，53.腔室三。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例一

一种宽频共振吸声结构，如图2和图4所示，包括多个并列组合的独立的吸声模块，如图1和图3所示，每个吸声模块又包括多个并列组合的独立的共振吸声单元，吸声模块包括位于噪声入射面的穿孔板1、与穿孔板1相对的实心的背板2、位于穿孔板1和背板2之间的将整个吸声模块围成整体的实心的挡板4。在吸声模块挡板4围住的内部、穿孔板1与背板2之间设有隔板3，由穿孔板1、背板2与隔板3，或者穿孔板1、背板2、隔板3和挡板4围成一个个四周及底部密闭的独立的共振吸声单元，而共振吸声单元的内部空间即成为共振吸声的腔体5，隔板3既对腔体5起封闭作用，还对穿孔板1提供支撑，提高整个吸声模块的强度，延长了本共振吸声结构的使用寿命，使其能够适用于高速气流管道内部环境。每个吸声模块内部结构的穿孔板1和隔板3通过钎焊、点焊或者胶粘等方式形成整体，吸声模块四周挡板或挡板上自带的耳板通过铆接、焊接、胶粘或者卡扣等方式安装在安装对象上。本实施例中，穿孔板1有两块，分别为穿孔板一11和穿孔板二12，穿孔板一1位于共振吸声单元腔体5的顶部，穿孔板二12位于穿孔板一11和背板2之间，穿孔板二12将腔体5分隔成相连通的腔室一51和腔室二52。穿孔板一11、穿孔板二12、背板2、隔板3和挡板4之间可采用钎焊、点焊或胶粘等方式形成整体，使接触面之间不留缝隙。本实施例中，穿孔板一11为普通穿孔板1，厚度通常在0.4-3mm范围内，穿孔直径1-5mm，穿孔率5-40%；穿孔板二12为微穿孔板，厚度不超过1mm，穿孔直径不超过1mm，穿孔率在1-5%范围内，或者为穿孔率在1-5%范围内、穿孔直径在2mm范围内的穿孔板。本实施例的穿孔板一11采用大穿孔率，通常适用于高速、中速或低速气流环境。穿孔板一11与穿孔板二12平行设置，而背板2为与之呈一定角度倾斜设置，其中腔室一51和腔室二52的深度及变化范围根据噪声源的主频大小和频率带宽确定，通常在10-300mm的范围内，此时，同一吸声模块内不同共振吸声单元之间的腔室一51深度都是一样的，而腔室二52的深度都不同，所有腔室二52沿水平其中一条边方向的腔深呈梯度连续变化，此时，每种腔深的共振吸声单元均能产生特定共振频率的声阻抗和吸声系数曲线，当多种不同腔深的共振吸声单元组合成吸声模块后，多种不同共振频率的吸声系数曲线进行耦合叠加，从而实现宽频吸声系数曲线以及获得对实际声源实现最佳降噪量所需的最优阻抗。

本实施例中，腔体5形状为由大量的正六边形蜂窝孔格紧密排布而成的蜂窝芯结构，且孔内任意两条平行对边之间的距离小于待吸声声源最高频率声波的1/4波长，使其在设计频率段内通过亥姆霍兹共振器原理实现共振吸声，达到理想的降噪效果，若蜂窝孔格对边间距尺寸过大，会缩小降噪频率带宽，降低高频段的降噪效果。

实施例二

本实施例基本同实施例一，区别在于：本实施例中的穿孔板一11和穿孔板二12均为微穿孔板，厚度小于1mm，穿孔直径小于1mm，穿孔率在1-5%之间。本实施例通常适用于低速气流环境或静态无流环境。

实施例三

本实施例基本同上述实施例，区别在于：本实施例中的吸声表面为圆柱面或其他曲面，此时，穿孔板一11、穿孔板二12、背板2也设计圆柱面或其他曲面结构，挡板4和隔板3的形状做相应设计，当然所有形状仍需保证所有腔室二52的深度沿水平其中一条边方向呈梯度连续变化。

实施例四

本实施例基本同上述实施例，区别在于：腔体形状为由大量的正四边形或平行四边形或等腰梯形栅格孔格紧密排布而成的栅格结构。

实施例五

本实施例基本同上述实施例，区别在于：如图5所示，穿孔板一11与背板2平行设置，而穿孔板二与之呈一定角度倾斜设置，此时，吸声模块内不同共振吸声单元之间的腔室一51和腔室二52均为非等腔深设置，均呈梯度连续变化，此种结构进一步拓宽了吸声的频率范围。由多个吸声模块组合成的共振吸声结构如图6所示。

实施例六

此实施例对实施例五进行一定改变，可以将穿孔板一11、穿孔板二11和背板2三者之间均呈一定角度倾斜设置，以适应不同的环境的使用要求。

实施例七

本实施例与上述实施例的区别在于：如图7所示，在穿孔板二12和背板2之间还设有穿孔板三13，穿孔板一11与穿孔板二12之间为腔室一51，穿孔板二12与穿孔板三13之间为腔室二52，穿孔板三13与背板2之间为腔室三53，进一步增加吸声模块中不同深度的腔室5的数量，拓宽吸声频率的范围。由多个吸声模块组合成的共振吸声结构如图8所示。本实施例中，穿孔板三13呈倾斜设置，也可以采用穿孔板二12或背板2倾斜设置的方式，或者采用穿孔板二12、穿孔板三13和背板2中的两块或三块同时倾斜设置的方式。

实施例八

本实施例对实施例七进行一定程度的改变，如图9和图10所示，为了降低实施例七中所述结构的加工难度，可以将隔板3的下端固定在穿孔板三13，而不延伸至背板2处。与实施例七相比，此结构只能在一定程度上拓宽吸声的频率范围，但能降低加工难度。

上述实施例中，当吸声结构的安装表面为平面时，吸声结构表面也采用平面；当安装表面为圆柱面或曲面时，共振吸声结构表面通常采用圆柱面或曲面，如果允许也可采用小块平面，并通过拼接过渡方式近似构成圆柱面或曲面。其中安装平面是指吸声结构安装的对象表面，比如说管道内壁，或者舱室内壁等；而共振吸声结构表面是指穿孔板表面和背板表面。

当然，本共振吸声结构的具体结构还可以在上述基础上进行改进，如通过增加或减少吸声模块内穿孔板1的数量，增加或减少共振吸声单元中腔室5的数量，使其更好地满足使用环境的要求。如当采用仅一块穿孔板1的结构时，就只有一层腔深变化的腔体5。

同上述实施例可以看出，本发明还涉及一种宽频共振吸声方法，采用两个以上不同腔深的共振吸声单元进行并列组合形成吸声模块，来拓宽吸声的频率，且每个共振吸声单元四周及底部密闭，形成独立的腔体。而每个共振吸声单元采用两层以上不同腔深的腔体，吸声模块内不同共振吸声单元间至少有一层腔体采用变腔深结构，且腔深呈梯度连续变化。这样，如图11中a线所示，每种腔深的共振吸声单元均能产生特定共振频率的声阻抗和吸声系数曲线；当多种不同腔深的共振吸声单元组合成吸声模块后，多种不同共振频率的吸声系数曲线进行耦合叠加，如图11中a线所示，从而实现宽频吸声系数曲线，以及获得对实际声源实现最佳降噪量所需的最优阻抗。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。

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