專利名稱：具有共振吸聲結構的多層吸聲尖劈的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種吸聲尖劈，具體地說是一種具有共振吸聲結構且由多層吸聲材料按照特性阻抗由小到大梯度漸變的原則組合而成的吸聲尖劈。
背景技術：
消聲室是聲學實驗所使用的專業(yè)實驗室，可以對產(chǎn)品進行噪聲測量和聲學特性測量，其在汽車、航空航天、家用電器、計算機和通信、工業(yè)產(chǎn)品等領域具有廣闊的應用。在對聲波特性進行測量時，消聲室需要建立一個自由聲場空間，即在這個空間內，傳播聲波的介質均勻地向各個方向無限延伸，使聲源輻射的聲能“自由”傳播，即無障礙的反射，也無環(huán)境噪聲的干擾。為了達到所述要求，消聲室需要在室內各界面上配置強吸聲材料，使入射于界面的聲波在一定的頻率范圍內幾乎被完全吸收；目前，消聲室中最為常用的吸聲材料配置方式為吸聲尖劈。
傳統(tǒng)的吸聲尖劈一般由尖劈(尖部)和連接尖劈的基座(基部)兩部分組成，一般3個尖劈與基座組成一個單元，根據(jù)現(xiàn)場設計要求，可采用多個單元。吸聲尖劈一般吊掛在屋頂或四壁，其背后與墻壁應留有一定空腔(約為O. 05 O. Im),以提高低頻的吸聲性能。目前普遍使用的吸聲尖劈為玻璃棉尖劈，即用直徑3. 2-3. 5mm的鋼絲制成一定形狀和尺寸的骨架，外層套上玻纖布、塑料窗紗等罩面材料，內部填充玻璃棉或者其他吸聲材料等，這是傳統(tǒng)吸聲尖劈的做法，特點是手工制作容易、材料成本和加工成本低，缺點是大型尖劈容易變形、內部玻璃纖維容易外溢，不適于工業(yè)化批量生產(chǎn)且不容易安裝。為了更加適合工業(yè)化批量生產(chǎn)和外表美觀,北京科奧聲學技術有限公司公開了一種金屬孔板吸聲尖劈專利申請?zhí)?201010266269. 6，這種吸聲尖劈無須骨架，不易變形，外表美觀，適合工業(yè)化生產(chǎn)。但是這種吸聲尖劈的強吸聲原理和傳統(tǒng)吸聲尖劈類似，即根據(jù)截面積由小變大的阻抗?jié)u變的原則，從吸聲尖劈的尖部到基部，聲阻抗從空氣的特性阻抗逐步過渡到吸聲材料的特性阻抗，由于填充的是單一吸聲材料，為了實現(xiàn)完全的阻抗匹配達到很好的吸聲性能，要求吸聲尖劈的總長度(等于吸聲尖劈的高度和基部空腔深度之和)須為截止頻率波長的四分之一。因此不可避免的存在下列缺陷第一，為了保證較低的截止頻率，這類吸聲尖劈的長度依然很長，例如，其與傳統(tǒng)吸聲尖劈類似，當吸聲截止頻率為120Hz時，該吸聲尖劈的總長度約為700mm ;當吸聲截止頻率為50Hz時，該吸聲尖劈的總長度高達1700mm，因此在安裝消聲室時占用了大量的空間，使有效的測試空間大大減??；第二，由于吸聲材料要填滿整個填充空間，這類吸聲尖劈的質量一般比較重，一方面給運輸和安裝的帶來不便；另一方面，增加了建筑壁面的負荷，需要結構強度很強的壁面才能支撐這類吸聲尖劈，提高了建造消聲室的成本；第三，這類吸聲尖劈單純依靠增加吸聲尖劈的長度和空腔深度來提高低頻特性，結構設計較為單一，不夠靈活。

發(fā)明內容
為解決上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種具有共振吸聲結構的多層吸聲尖劈。通過把截面積由小變大(尖劈結構)和多層吸聲材料的特性阻抗由小到大梯度漸變這兩種阻抗?jié)u變的原理相結合，突破了吸聲尖劈的總長度須為截止頻率波長的四分之一的限制，在保證較低的截止頻率的同時，能夠顯著減少吸聲尖劈的長度、空間體積和質量，節(jié)約建造消聲室的成本；同時，該吸聲尖劈具有共振吸聲結構，可明顯改善吸聲尖劈的低頻特性，其板厚、孔徑和穿孔率以及空腔的深度、個數(shù)可以根據(jù)不同的聲源特性來設計，從而提高了設計的靈活性。本發(fā)明為實現(xiàn)其目的所采取的技術方案具有共振吸聲結構的多層吸聲尖劈，包括尖劈本體和剛性基座，所述尖劈本體由若干層特性阻抗由小到大梯度漸變的吸聲材料組合而成，從頂端向下依次為阻抗匹配層，聲耗散層和穿孔板；在所述穿孔板和剛性基座之間有一個空腔，所述穿孔板、空腔和剛性基座構成了共振吸聲結構。所述阻抗匹配層其吸聲材料的特性阻抗在室溫20°C下為418. 6kg/m2. s—458. 6kg/m2. s0
所述吸聲材料由層狀膠體材料或層狀高分子微粒吸聲材料構成。所述層狀膠體材料為層狀氣凝膠，所述層狀高分子微粒吸聲材料為PS微?；騊P微粒經(jīng)高溫壓制而成。所述聲耗散層采用單層結構或若干層密度逐漸增大的結構，前者吸聲材料采用玻璃纖維或吸音海綿；后者吸聲材料采用層狀多孔吸聲材料或層狀高分子微粒吸聲材料。所述層狀多孔吸聲材料為三聚氰胺泡沫、玻璃棉或礦物棉；所述層狀高分子微粒吸聲材料為橡膠微?；騊P微粒經(jīng)高溫壓制而成。所述穿孔板厚度為O. Olmm 5mm,穿孔率為O. 5% 20%,孔徑為O. Imm 50mm。所述空腔內用隔板分隔成子空腔或填充蜂窩夾層。所述剛性基座至少設一個尖劈本體，所述尖劈本體呈平頂形、鍥形或階梯形。本發(fā)明所述尖劈本體的各層吸聲材料先用二倍厚度法測定其特性阻抗再結合最小二乘法進行各層吸聲材料的厚度優(yōu)化設計，也可直接利用聲學軟件VA one中Foam模塊的Noise Control Treatment進行吸聲系數(shù)的預測,通過調整各層厚度進行吸聲性能的對比來進行厚度優(yōu)化設計。所述穿孔板、空腔或蜂窩夾層和剛性基座形成的共振吸聲結構可以根據(jù)聲源特性，按照馬氏理論靈活設計共振吸收峰的參數(shù)來提高吸聲尖劈的吸聲性能。本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在
1、本發(fā)明將兩種阻抗?jié)u變的原理有機結合，突破了吸聲尖劈的總長度須為截止頻率波長的四分之一的限制，因而可以在保證較低的截止頻率的同時，顯著減少吸聲尖劈的長度，使得整個吸聲體的空間體積也大大減少，從而增加了消聲室的有效測試空間；
2、本發(fā)明中，吸聲尖劈用多層吸聲材料按照特性阻抗?jié)u變的原則組合而來，質量大大減輕，減輕了建筑墻面的負荷，從而降低了對建筑墻面的強度要求，節(jié)約了建造消聲室的成本；
3、本發(fā)明中，構成吸聲尖劈的多層吸聲材料特性阻抗梯度變化等效于從尖端到基部密度由小到大變化，因為整個吸聲尖劈不需要龍骨，結構穩(wěn)定、不易變形；
4、本發(fā)明中的吸聲尖劈由于空間體積和質量都大大減小，因而給運輸和安裝帶來了方
便；
5、本發(fā)明中，尖劈基部是穿孔板共振吸聲結構，可以根據(jù)實際聲源特性合理設計孔徑與穿孔率、板厚等參數(shù)，提聞吸聲尖劈的吸聲性能；
6、本發(fā)明中，吸聲尖劈的共振結構空腔可以為一個或多個，或者填充蜂窩層夾層結構，可以根據(jù)聲源特性按需設計，提高了設計的靈活性；
7、本發(fā)明在保證高的吸聲性能的同時，可以是鍥型、平頂型、階梯型等，可作為空間吸聲體，應用范圍更加廣泛。


圖I為本發(fā)明實施例一單尖吸聲尖劈的立體示意 圖2為本發(fā)明實施例一單尖吸聲尖劈的A方向的剖面 圖3a為本發(fā)明平頂形單尖吸聲尖劈的剖面 圖3b為本發(fā)明階梯形單尖吸聲尖劈的剖面 圖3c為本發(fā)明鍥形單尖吸聲尖劈的剖面 圖4為本發(fā)明實施例二雙尖吸聲尖劈的結構示意 圖5為本發(fā)明實施例三雙尖吸聲尖劈的結構示意 圖6為本發(fā)明實施例一中用VA one軟件預測吸聲尖劈中各層吸聲材料取最佳厚度組合后的吸聲性能。圖中標號1、阻抗匹配層；2、聲耗散層；3、穿孔板；4、空腔；5、剛性基座；6、尖劈本體；7、隔板；8、子空腔；9、蜂窩夾層；
具體實施例方式下面結合附圖，對本發(fā)明進行詳細描述。實施例一
如圖f 2為本發(fā)明實施例一所提供的結構示意圖，圖I為立體圖，圖2為圖I中A方向的剖面圖。如圖I、圖2所示，本發(fā)明包括尖劈本體6和剛性基座5，尖劈本體6由若干層特性阻抗由小到大梯度漸變的吸聲材料組合而成，從頂端向下依次為阻抗匹配層1，聲耗散層2和穿孔板3，三者可以通過壓制或高溫融合或者環(huán)保膠粘合起來，共同構成了具有多層結構的尖部。在穿孔板3和剛性基座5之間有一個空腔4。穿孔板3、空腔4和剛性基5構成了共振吸聲結構。剛性基座5和穿孔板3之間用鉚釘鏈接。各層吸聲結構的具體實施方案如下
(I)第一層——阻抗匹配層，由空氣特性阻抗在室溫20°C下為418. 6kg/m2. s—458. 6kg/m2, s的膠體或高分子微粒吸聲材料構成，如本例中第一層阻抗匹配層選用氣凝膠(室溫下特性阻抗為450 kg/m2, s)或高分子PS微粒、PP微粒等吸聲材料經(jīng)高溫壓制成的層狀材料。(2)第二層一聲耗散層，可采用單層或多層結構，單層結構其吸聲材料采用強吸聲材料，比如玻璃纖維、吸音海綿等；多層結構采用密度逐漸增大的多孔吸聲材料或高分子微粒吸聲材料，如本例中第一分層采用三聚氰胺泡沫(密度為8. 8kg/m3)，第二分層采用輕玻璃棉(密度為16kg/m3)，第三分層選用密度更大礦物棉(密度為50 kg/m3)。
(3)各層吸聲材料先用二倍厚度法測定其特性阻抗再結合最小二乘法進行各層吸聲材料的厚度優(yōu)化設計，也可直接利用聲學軟件VA one中的Foam模塊的Noise ControlTreatment進行吸聲系數(shù)的預測，通過調整各層厚度進行吸聲性能的對比來進行厚度優(yōu)化設計；如本例中，運用VA one仿真軟件中的Foam模塊的Noise Control Treatment預測頻率為20Hf IOkHz時不同厚度組合的吸聲性能，所得各層的最佳厚度為第一層——阻抗匹
配層氣凝膠 Icm,第二層-聲耗散層①三聚氰胺泡沫(密度8. 8kg/m3) . 5cm ;②輕
玻璃棉(密度16 kg/m3) 15cm 礦物棉(密度50 kg/m3) ^lcm ;總厚度僅為17. 5cm,預測所得的仿真結果如圖6所示，在頻率為20Hf IOkHz范圍內吸聲系數(shù)均在O. 9以上；
(4)第三層一穿孔板，可以采用不銹鋼板、鋁板、合金板、塑料板、木板、膠合板、石膏板、玻璃板或紙板等。其板厚、孔徑、穿孔率設計，可根據(jù)馬氏理論設計按照聲源特性設計低頻吸聲性能較好的穿孔板結構；假設穿孔板的結構參數(shù)用下列字母表示孔直徑6穿孔板厚度 、穿孔率P，本實施例一為單空腔的吸聲尖劈，可參照下列步驟設計 ①對聲源進行頻譜分析，確定穿孔板吸聲結構的共振頻率A以及共振頻率處的吸聲系數(shù)O· Cl，由O· Cl通過式(I)求的相對聲阻rQ:
% = = 4r° J(I)
②根據(jù)工程中空間限制條件，確定最大的穿孔板共振吸聲結構的空腔深度D值，由空腔深度D值根據(jù)式(2) (3)算出吸聲系數(shù)為〃 c/2時的低限頻率Λ和高頻極限頻率/2，再根據(jù)式(4)或者式(5)求出相對聲質量而；
Jo = J\' Λ(2)
U; _ 2πΡ/^( + Γ0)( 3 )
ΔC
-d + r0) + J(l + r0)2+ 4c(^- +—)
Z1= _I_^_(4)
… 0·356Ζλ
Hfrim0 +-)
·'c
Q + r^ + h + ^f +4c(^- + ^)
^ _VDcm
2 —Γ 0356D[
-)
'c
③由相對聲阻A及相對聲質量叫，根據(jù)式(6) (8)計算穿孔板常數(shù)z和孔徑 /，根據(jù)馬氏理論，當板厚t和孔徑V近似相等時，吸聲性能最優(yōu)，所以我們可以設定板厚t與孔徑V相等(即 /= )，根據(jù)式(9)及式(10)求出穿孔率/7 ；
—=0.5 + 0. Ix+0.005α·2(6)
Kt
rO , 500 K
—~7^T~C7)
mO d ^
權利要求
1.具有共振吸聲結構的多層吸聲尖劈，包括尖劈本體(6)和剛性基座(5)，其特征在于所述尖劈本體(6)由若干層特性阻抗由小到大梯度漸變的吸聲結構組合而成，從頂端向下依次為阻抗匹配層(1)，聲耗散層(2)和穿孔板(3);在所述穿孔板(3)和剛性基座(5)之間有一個空腔(4)，所述穿孔板(3)、空腔(4)和剛性基座(5)構成了共振吸聲結構。
2.根據(jù)權利要求I所述的具有共振吸聲結構的多層吸聲尖劈，其特征在于所述阻抗匹配層(I)其吸聲材料的特性阻抗在室溫20°C下為418. 6kg/m2. s—458. 6 kg/m2. S。
3.根據(jù)權利要求2所述的具有共振吸聲結構的多層吸聲尖劈，其特征在于所述吸聲材料由層狀膠體材料或層狀高分子微粒吸聲材料構成。
4.根據(jù)權利要求3所述的具有共振吸聲結構的多層吸聲尖劈，其特征在于所述層狀膠體材料為層狀氣凝膠，所述層狀高分子微粒吸聲材料為PS微?；騊P微粒經(jīng)壓制而成。
5.根據(jù)權利要求I所述的具有共振吸聲結構的多層吸聲尖劈，其特征在于所述聲耗散層(2)采用單層結構或若干層密度逐漸增大的結構，前者吸聲材料采用玻璃纖維或吸音海綿；后者吸聲材料采用層狀多孔吸聲材料或層狀高分子微粒吸聲材料。
6.根據(jù)權利要求5所述的具有共振吸聲結構的多層吸聲尖劈，其特征在于所述層狀多孔吸聲材料為三聚氰胺泡沫、玻璃棉或礦物棉；所述層狀高分子微粒吸聲材料為橡膠微粒或PP微粒經(jīng)高溫壓制而成。
7.根據(jù)權利要求I所述的具有共振吸聲結構的多層吸聲尖劈，其特征在于所述穿孔板(3)厚度為O. Olmm 5mm,穿孔率為O. 5% 20%,孔徑為O. Imm 50mm。
8.根據(jù)權利要求I所述的具有共振吸聲結構的多層吸聲尖劈，其特征在于所述空腔(4)內用隔板(7)分隔成子空腔(8)或填充蜂窩夾層(9)。
9.根據(jù)權利要求I所述的具有共振吸聲結構的多層吸聲尖劈，其特征在于所述剛性基座(5 )至少設一個尖劈本體(6 )，所述尖劈本體(6 )呈平頂形、鍥形或階梯形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有共振吸聲結構的多層吸聲尖劈，包括尖劈本體和剛性基座，所述尖劈本體為三層式吸聲結構，從頂端向下依次為阻抗匹配層，聲耗散層和穿孔板；在所述穿孔板和剛性基座之間有一個空腔，所述穿孔板、空腔和剛性基座構成了共振吸聲結構。本發(fā)明通過把尖劈截面積由小變大和多層吸聲材料的特性阻抗由小到大梯度漸變這兩種阻抗?jié)u變的原理相結合，突破了吸聲尖劈的總長度須為截止頻率波長的四分之一的限制，在保證較低的截止頻率的同時，可以顯著地減少吸聲尖劈的長度、空間體積和質量，節(jié)約建造消聲室的成本；同時，該吸聲尖劈具有共振吸聲結構，可以顯著地改善吸聲尖劈的低頻特性，且可根據(jù)不同的聲源特性來設計，從而提高了設計的靈活性。
文檔編號G10K11/168GK102682759SQ201210130528
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權日2012年4月28日
發(fā)明者孔德義, 孫文娟, 尤暉, 段秀華, 王煥欽, 錢玉潔, 高理升 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院