CN104700827B - 宽频穿孔板吸声结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽频穿孔板吸声结构，包括具有多个穿孔的穿孔板和具有开放端的空腔结构。穿孔板设于空腔结构的开放端，空腔结构包括与开放端相对的底板以及固定于底板的围板，底板和围板围成一腔室。其中，腔室具有由腔室的开放端向底板方向延伸的至少两个子腔室，至少两个子腔室中的至少一个子腔室底部与底板之间形成有底部空间，该底部空间与其它子腔室中的至少一个子腔室连通。本发明能在不增加腔室整体深度情况下有效拓宽吸声频带；并且提高穿孔板的吸声能力，避免使用丝米级穿孔，降低制造成本。

Description

宽频穿孔板吸声结构

技术领域

本发明总体来说涉及噪声控制技术领域，具体地说涉及一种基于穿孔板和空腔的吸声结构。

背景技术

吸声结构主要包括纤维吸声材料和穿孔板吸声结构两种类型。

纤维吸声材料如玻璃纤维、矿物棉等，虽然吸声频带较宽，但通常对于低频噪音处理不理想；而且，由于容易产生细菌、污染环境等因素而在许多场合不宜使用。

穿孔板吸声结构包括穿孔板和具有一定深度的空腔，其中穿孔板上穿有直径小于0.5mm的孔洞。穿孔板吸声结构具有清洁、耐高温、耐腐蚀及能承受高速气流冲击等优点，因此目前广泛应用于噪声控制的各个领域。

传统的穿孔板吸声结构主要有两个不足或者缺陷。首先，穿孔板吸声结构通常只在共振频率附近具有较好的吸声性能，而偏离共振频率时其吸声性能较差。该缺陷导致穿孔板吸声结构的吸声频带与传统的纤维吸声材料相比明显较窄；同时，由于系统的共振频率主要取决于空腔的深度，如果需要吸收低频噪声，则需要大幅增加空腔的深度，在实际应用中存在一定程度的空间限制。在实际应用中，为了拓宽吸声频带通常需要采用双层或者多层穿孔板吸声结构，但是其安装施工比较复杂，成本较高。

为了改善微穿孔吸声结构在低频的吸声性能，中国发明专利201210146634.9公开了一种基于穿孔板和腔内共振系统的吸声结构的制作方法，其利用空腔内有阻尼的质量-弹簧系统的共振特性改善吸声结构在低频段的吸声性能。然而，由于质量-弹簧系统的参数(弹簧刚度和质量)和空腔内的空气耦合在一起，该系统在实际应用中难以实现。

中国发明专利00100641.X公开了一种管束式穿孔板共振吸声装置，其将数量等于或小于穿孔板上孔洞数量的管子排列成的管束的一开放端插入穿孔板上的空洞内，对于拓宽吸声频带，尤其是低频的吸声性能具有一定的效果，但是该吸声装置制作过程复杂，成本较高。

传统的穿孔板吸声结构的另一个缺点是：当穿孔板采用较容易加工的孔径尺寸例如直径0.5mm～1mm时其吸声能力和传统的纤维吸声材料相比远远不够，为了获得更好的吸声效果，需要采用穿孔直径0.1mm～0.2mm甚至更小的孔径，这大大提高了加工的难度和成本。为了加工穿孔板的丝米级微孔，中国发明专利申请号00103311.5公开了一种特宽频带微穿孔吸声体的加工设备，包括安装打孔器的夹头、打孔器、下孔板以及引导板，用来加工直径为0.1mm～0.4mm的微穿孔。中国发明专利申请号200610023242.8公开了一种微孔吸声结构，采用两层网和中间一层颗粒物组成吸声层，网孔和颗粒物之间的微小空隙具备和丝米级的微穿孔类似的声学特性。与目前业界普遍采用的普通穿孔板(穿孔直径0.5mm～2mm)的机械加工工艺相比，上述加工丝米级微孔的加工过程复杂，制作成本高。

上述传统穿孔板吸声结构的不足或者缺陷可以简单归结为：(1)吸声频带不够宽，低频吸声需要很大的空腔深度，受到实际应用中安装空间的限制，可行性差；(2)良好的吸声效果需要丝米级的穿孔直径，增加了制作穿孔板的成本。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明公开一种吸声频带宽、成本低、且能有效降低空腔深度的宽频穿孔板吸声结构。

本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种宽频穿孔板吸声结构，包括具有多个穿孔的穿孔板和具有开放端的空腔结构。所述穿孔板设于所述空腔结构的所述开放端，所述空腔结构包括与所述开放端相对的底板以及固定于所述底板的围板，所述底板和围板围成一腔室。其中，所述腔室具有由所述腔室的开放端向所述底板方向延伸的至少两个子腔室，所述至少两个子腔室中的至少一个子腔室底部与所述底板之间形成有底部空间，该底部空间与其它子腔室中的至少一个子腔室连通。

根据本发明的一实施方式，其中，所述至少两个子腔室中的至少一个子腔室延伸至所述底板。

根据本发明的一实施方式，其中，所述至少两个子腔室中的至少一个子腔室未延伸至所述底板，且未延伸至所述底板的子腔室底部相对于所述底板平行设置或倾斜设置。

根据本发明的一实施方式，其中，所述子腔室底部为平面形状或曲面形状。

根据本发明的一实施方式，其中，所述空腔包括第一子腔室、第二子腔室、第三子腔室和第四子腔室，其中，所述第一子腔室底部与所述底板之间形成有第一底部空间，该第一底部空间与所述第二子腔室连通。

根据本发明的一实施方式，其中，所述第三子腔室底部与所述底板之间形成有第二底部空间，该第二底部空间与所述第二子腔室连通。

根据本发明的一实施方式，其中，所述第一子腔室的平均深度与所述第三子腔室的平均深度不相等。

根据本发明的一实施方式，其中，还包括若干竖隔板，所述若干竖隔板将所述腔室分隔成分别对应于第一子腔室、第二子腔室、第三子腔室和第四子腔室的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分。

根据本发明的一实施方式，其中，还包括第一底壁，第一底壁设置于所述第一子腔室的部分侧壁与所述围板；所述第一子腔室由所述第一底壁、所述竖隔板和所述围板围成。

根据本发明的一实施方式，其中，还包括第二底壁，第二底壁设置于所述第三部分内；所述第三子腔室由所述第二底壁、所述竖隔板和所述围板围成。

根据本发明的一实施方式，其中，所述第二子腔室延伸至所述底板，由所述底板和竖隔板及围板包围构成。

根据本发明的一实施方式，其中，所述第四子腔室延伸至所述底板，由所述底板和竖隔板及围板包围构成。

根据本发明的一实施方式，其中，所述腔室呈长方体状，且所述腔室的长度在30mm～200mm范围内，所述腔室的宽度在30mm～200mm范围内。

根据本发明的一实施方式，其中，所述穿孔板的穿孔为直径为0.5mm～2mm的圆形孔，穿孔也可以为其它形状的孔或微缝。

根据本发明的一实施方式，其中，所述穿孔板的穿孔率为0.5%～3%。

由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：

本发明中，空腔包括至少两个由腔室的开放端向底板方向延伸的子腔室，一些子腔室底部与底板之间具有底部空间，并且该底部空间与其它子腔室连通。也就是说，子腔室与子腔室之间呈部分重叠布置，这样能有效增加部分腔室的与吸声频率相关的等效深度，因此本发明能在不增加腔室整体深度情况下有效拓宽吸声频带。反言之，对于给定的吸声频宽，本发明可大幅度降低所需要的空腔深度。

而且，基于本发明中的空腔结构，在配合普通穿孔板例如穿孔直径为0.5mm～2mm的穿孔板情况下，吸声性能即可大幅度提高，其吸声系数可以与丝米级穿孔直径的穿孔板媲美。因此，本发明相比于丝米级穿孔板，大幅度降低了制造成本。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是本发明宽频穿孔板吸声结构的立体分解结构示意图；

图2是本发明宽频穿孔板吸声结构的立体图；

图3是本发明宽频穿孔板吸声结构中的空腔结构的立体图；

图4是传统的穿孔板相对于空气的特性阻抗的声阻抗曲线图；

图5是实验测量得到的本发明实施例的穿孔板吸声结构的正入射吸声系数以及相同空腔深度的传统穿孔板吸声结构的正入射吸声系数曲线图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。

参见图1、图2和图3。本发明宽频穿孔板吸声结构，包括穿孔板1和空腔结构。

穿孔板1可以是一平板，可由金属、木材或者其它材质制成。穿孔板1的厚度可以在0.5mm～2mm范围内，穿孔率可以在0.5%～3%范围内。穿孔板1设有多个穿孔10，多个穿孔10可以在穿孔板1上均匀布置。穿孔10可以为直径介于0.1mm～2mm的圆孔，也可以为声阻抗和其相近的其它形状的孔或者缝。

空腔结构包括底板3、围板2和腔室。底板3可以是一平板，但不以此为限，通常底板3厚度可以在2mm～10mm范围之间。围板2的一端固定于底板3，围板2的另一端为开放端。围板2可以是围成一圈的框架，例如为圆形框、矩形框、椭圆形框，等等。

腔室由底板3和围板2围成，穿孔板1可以以任何方式固定到腔室的开放端部，覆盖该开放端部。

腔室包括至少两个子腔室，至少两个子腔室均由腔室的开放端部向底板3方向延伸，可以延伸至底板，也可以不延伸至底板3。至少两个子腔室中的至少一个子腔室底部与底板3之间形成有底部空间，该底部空间与其它子腔室中的至少一个子腔室连通。这样，至少两个腔室中，至少存在两个子腔室有部分重叠布置，从而使其中的某些子腔室的等效深度会大于其实际测量深度，继而降低了该子腔室的吸声频率。下面以腔室包括4个子腔室为例进行详细说明。

参见图3。本发明宽频穿孔板吸声结构一实施方式中，腔室内设置有第一竖隔板7、第二竖隔板8、第一底壁5和第二底壁6。

围板2包括首尾依次连接第一侧板21、第二侧板22、第三侧板23、第四侧板24，形成一个矩形框。

第一竖隔板7和第二竖隔板8呈“十”字交叉布置。第一竖隔板7的两端部分别固定于第二侧板22和第四侧板24，第二竖隔板8的两端部分别固定于第一侧板21和第三侧板23。从而第一竖隔板7和第二竖隔板8将空腔分隔成4个部分，按顺时针方向分别为第一部分、第二部分、第三部分和第四部分。

第三侧板23、第四侧板24、第一竖隔板7、第二竖隔板8以及底板3围成第四部分，该第四部分即形成第四子腔室50。第四子腔室50的深度，即腔室的开放端部与底板3之间的垂直距离为D4。

第一侧板21、第二侧板22、第一竖隔板7、第二竖隔板8以及底板3围成第二部分，该第二部分即形成第二子腔室30。第二子腔室30的深度，即腔室的开放端部与底板3之间的垂直距离为D2。

第一侧板21、第四侧板24、第一竖隔板7、第二竖隔板8以及底板3围成第一部分。第一底壁5固定于第一部分内并平行于底板3。第一底壁5与其前面(靠近穿孔板1)的第一侧板21、第四侧板24、第一竖隔板7和第二竖隔板8围成第一子腔室20，第一底壁5即为第一子腔室20的底部。第一底壁5与其后面(远离穿孔板1)的第一侧板21、第四侧板24、第一竖隔板7、第二竖隔板8以及底板3围成第一底部空间60。第一底部空间60与第二子腔室30相互连通。第一子腔室20的深度，即腔室的开放端部与第一底壁5之间的垂直距离为D1。当第一底壁5相对于底板3倾斜布置或者第一底壁5为波纹形等不规则形状时，D1表示第一底部空间60的平均深度。

第二侧板22、第三侧板23、第一竖隔板7、第二竖隔板8以及底板3围成第三部分。第二底壁6固定于第三部分内并平行于底板3。第二底壁6与其前面(靠近穿孔板1)的第二侧板22、第三侧板23、第一竖隔板7、第二竖隔板8围成第三子腔室40，第二底壁6即为第三子腔室40的底部。第二底壁6与其后面(远离穿孔板1)的第二侧板22、第三侧板23、第一竖隔板7、第二竖隔板8以及底板3围成第二底部空间70。第二底部空间70与第二子腔室30相互连通。第三子腔室40的深度，即腔室的开放端部与第二底壁6之间的垂直距离为D3。当第二底壁6相对于底板3倾斜布置或者第二底壁6为波纹形等不规则形状时，D3表示第三子腔室40的平均深度。

以上各个子腔室的深度之间的关系为：D3<D1<D2=D4。各侧板、底板3、各竖隔板以及各底壁可以通过焊接、粘接或者其它任何安装方式装配在一起，也可以通过铸造或其它方式整体制造。4个子空腔的相对位置可以与图3所示的位置不同。各子空腔的横截面既可以为正方形，也可以为长方形，甚至还可以是圆形等其它形状。4个子空腔的横截面积可以相同也可以不同。空腔的长度L和宽度W可以相同也可以不同。

本发明穿孔板吸声结构的工作原理包括各子空腔与穿孔板1的局部共振吸声以及它们之间的强烈相互耦合作用，详述如下。

根据目前已知的穿孔板吸声结构的理论，穿孔板1与其后的空腔构成一个共振系统，当入射声波的频率和共振系统的共振频率一致时即产生共振，入射声能因穿孔板1穿孔处的剧烈的空气往复运动产生的磨擦损耗而被吸收。对于给定的穿孔板1，共振系统的共振频率取决于空腔的深度，空腔的深度越大，共振系统共振的频率就越低，产生共振吸收的频带也就越低。

本发明中的各子空腔20、30、40、50的空腔深度分别为D1、D2、D3和D4，且D3<D1<D2=D4。因为第二子空腔30包括了第一底壁5与底板2之间的第一底部空间60以及第二底壁6与底板2之间的第二底部空间70，所以其等效的空腔深度远远大于实际测量的空腔深度D2。如图1所示，若取D3=0.25D4，D1=0.5D4，则第二子空腔30的等效空腔深度D2’约等于两倍第四子空腔50的空腔深度D2，即D2’≈2D2。标记各子空腔20、30、40、50的一阶共振频率为f1、f2、f3和f4，则f2<f4<f1<f3。因为4个子空腔的共振吸收频带各不相同，所以最终得到的穿孔板吸声结构的吸声频带和一个空腔单独作用时的吸声频带相比，得到很大拓宽。因为第二子空腔30有效利用了第一子空腔20和第三子空腔40与底板3之间的底部空间，其等效的空腔深度加大了，所以共振系统实际所需要的空腔深度得到了有效降低。

本发明的穿孔板吸声结构产生共振时，因为子空腔20、30、40、50的有效空腔深度各不相同，所以在每个共振频率，仅有一个子空腔产生共振，因此也主要由覆盖该共振子空腔的穿孔板1部分产生共振吸声，这一过程称为局部共振吸声。上述子空腔20、30、40、50与穿孔板1组成4个不同的子共振系统。在4个子共振系统分别产生共振时，它们之间产生强烈的相互耦合作用，入射到其它非子共振系统前面的声波将会被吸引到产生局部共振吸声的子共振系统，然后被吸收。研究显示，当空腔的长度L和宽度W小于一个声波波长时，各子共振系统之间的耦合作用强烈；随着空腔的长度L和宽度W逐渐加大，子共振系统之间的耦合作用逐渐减弱。为了充分利用这种耦合作用，达到强化吸声的效果，本发明中的空腔的长度L和宽度W介于下列范围：30mm≤L≤200mm;30mm≤W≤200mm。

已有的声学理论表明，当穿孔板1的声阻抗接近周围空气的特性声阻抗时，穿孔板吸声结构才可以产生良好的共振吸声效果；当穿孔板1的声阻抗等于周围空气的特性声阻抗时，穿孔板吸声结构在共振频率可以实现完全吸收(吸声系数=1)。上述产生良好吸声的条件通常称为阻抗匹配条件。传统的穿孔板吸声结构中当穿孔板的穿孔直径为0.5mm～2mm时，声阻抗一般都小于空气的特性声阻抗，所以吸声效果不佳。本发明的穿孔板吸声结构，在子共振系统产生强烈局部共振时，原本入射到其它子共振系统的声波也被吸引到共振的子共振系统而被消耗，换句话说，在局部共振吸收时，只有部分穿孔板参与了声能量的吸收。因此，穿孔板的等效的声阻抗被放大了。本发明中，使用如图3所示的空腔结构，穿孔板1的等效声阻抗在共振频率被放大了约3～4倍。被放大的等效声阻抗更好地满足了阻抗匹配条件，所以产生了更好的共振吸声效果。

下面通过一个例子对本发明效果进行详细说明。

本发明采用如图3所示的空腔结构，其中空腔的长度和宽度分别为L=100mm、W=100mm。第一、二、三、四子空腔20、30、40、50、的空腔深度分别为D1=25mm，D2=50mm，D3=12mm，D4=50mm。根据第二子空腔30的总体积和其截面积，计算过程如下：假设四个子空腔开放端的截面积相同，第一子空腔20和第三子空腔40的壁厚均为t=2mm，则第二子空腔30的等效空腔深度D2’可以近似估算为D2’=3D2-D1-D3-2t=109mm。按图2所示，把穿孔板1用螺钉固定到空腔结构的前端，形成空腔。穿孔板1的厚度为0.8mm，穿孔为直径为0.8mm的圆孔，穿孔率为1.6%。

如图4所示，从图4中可以看到对于上述的穿孔直径为0.8mm的穿孔板，其声阻抗远小于空气的声阻抗，尤其是在低频范围(比如在100赫兹至1000赫兹的频率范围)。因此即使在共振频率，其吸声能力也不足够。本发明采用局部共振吸收原理，将穿孔板的等效声阻有效放大至和空气的声阻抗接近的范围(如图4所示)，从而实现良好的吸声性能。

图5对比了本发明的穿孔板吸声结构与传统吸声结构在声波正入射时的吸声系数。传统穿孔板吸声结构由上述参数的穿孔板(厚度0.8mm、穿孔直径0.8mm，穿孔率1.6%)和一个深度为50mm的空腔结构所组成。因此，本发明的穿孔板吸声结构和用于对比的传统穿孔板吸声结构具有相同的穿孔特性与空腔深度。图5中实线所显示的是用驻波管方法测量得到的本发明的穿孔板吸声结构的吸声系数。“*”星号线显示的是传统穿孔板吸声结构的吸声系数。可以观察到本发明所提出的穿孔板吸声结构的吸声效果明显优于传统的穿孔板吸声结构。在400赫兹至1600赫兹的频率范围内，本发明所提出的吸声结构的吸声系数保持在大于0.8的水平，在很多频率均接近于1。同时，吸声频带显著拓宽。

需要指出的是，穿孔板吸声结构在低频的吸声性能受空腔的深度影响，本实施例仅为对比本发明与已有技术在吸声系数和吸声频带方面的不同。本实施例中的空腔深度为50mm，如果进一步加大空腔深度，那么可以把吸声频带推至更低的频率。

本发明中的空腔结构与穿孔直径为0.5mm～2mm的普通穿孔板配合即可构成本发明宽频穿孔板吸声结构，通过利用空腔结构的多个局部共振吸收，大幅拓宽了穿孔板吸声结构的吸声频带；合理有效利用了子腔室与底板之间的底部空间，将吸声结构低频吸声所需要的空腔深度降低了约50%。另一方面，本发明利用不同局部共振系统之间的相互作用，提高了穿孔板的实际等效声阻抗。同时本发明中的穿孔板1的圆形穿孔直径可以在0.5mm～2mm内，避免了加工丝米级穿孔板，这大幅度降低的制造难成，降低了成本，具有明显的经济效益和社会效益。

以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (15)

1.一种宽频穿孔板吸声结构，包括具有多个穿孔(10)的穿孔板(1)和具有开放端的空腔结构，所述穿孔板设于所述空腔结构的所述开放端，所述空腔结构包括与所述开放端相对的底板(3)以及固定于所述底板(3)的围板(2)，所述底板(3)和围板(2)围成一腔室，其特征在于，所述腔室具有由所述腔室的开放端向所述底板(3)方向延伸的至少两个子腔室，所述至少两个子腔室中的至少一个子腔室底部与所述底板(3)之间形成有底部空间，该底部空间与其它子腔室中的至少一个子腔室连通。

2.如权利要求1所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，所述至少两个子腔室中的至少一个子腔室延伸至所述底板(3)。

3.如权利要求1所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，所述至少两个子腔室中的至少一个子腔室未延伸至所述底板(3)，且未延伸至所述底板(3)的子腔室底部相对于所述底板(3)平行设置或倾斜设置。

4.如权利要求1所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，所述子腔室底部为平面形状。

5.如权利要求1所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，所述空腔包括第一子腔室(20)、第二子腔室(30)、第三子腔室(40)和第四子腔室(50)，其中，所述第一子腔室(20)底部与所述底板(3)之间形成有第一底部空间(60)，该第一底部空间(60)与所述第二子腔室(30)连通。

6.如权利要求5所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，所述第三子腔室(40)底部与所述底板(3)之间形成有第二底部空间(70)，该第二底部空间(70)与所述第二子腔室(30)连通。

7.如权利要求5所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，所述第一子腔室的平均深度(D1)与所述第三子腔室(40)的平均深度(D3)不相等。

8.如权利要求5所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，还包括若干竖隔板，所述若干竖隔板将所述腔室分隔成分别对应于第一子腔室(20)、第二子腔室(30)、第三子腔室(40)和第四子腔室(50)的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分。

9.如权利要求8所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，还包括：

第一底壁(5)，设置于所述第一子腔室(20)的部分侧壁与所述围板；

所述第一子腔室(20)由所述第一底壁(5)、所述竖隔板和所述围板(2)围成。

10.如权利要求8所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，还包括：

第二底壁(6)，设置于所述第三部分内；

所述第三子腔室(40)由所述第二底壁(6)、所述竖隔板和所述围板(2)围成。

11.如权利要求8所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，所述第二子腔室(30)延伸至所述底板(3)，由所述底板(3)和竖隔板及围板(2)包围构成。

12.如权利要求8所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，所述第四子腔室(50)延伸至所述底板(3)，由所述底板(3)和竖隔板及围板(2)包围构成。

13.如权利要求1～12中任一项所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，所述腔室呈长方体状，且所述腔室的长度(L)在30mm～200mm范围内，所述腔室的宽度(W)在30mm～200mm范围内。

14.如权利要求1所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，所述穿孔板(1)的穿孔(10)为直径为0.5mm～2mm的圆形孔。

15.如权利要求1所述的宽频穿孔板吸声结构，其中，所述穿孔板(1)的穿孔率为0.5%～3%。