一种低频宽带吸声器的制作方法

1.本发明属于声学领域，涉及一种吸声结构，具体涉及一种低频宽带吸声器。


背景技术：

2.传统的吸声材料包括多孔材料层、微穿孔板等，它们在中高频段通常有不俗的吸声表现，但面对低频声波时，往往需要巨大的结构厚度才能有较好的吸收效果，影响了吸声材料在低频消声降噪领域的应用。
3.声学超材料的出现为低频吸声开阔了新的道路，声学超材料能够以远小于波长的厚度实现高效的声吸收，这样的特性使得该类型材料在处理低频声吸收问题上具有广阔的应用前景。然而由于共振器的吸声原理，绝大多数现有的低频吸声器的吸声频带都比较窄。目前扩展吸声频带的主要方法是将多个不同工作频率的吸声器进行组合。但是，这种组合方式会使得吸声结构过于复杂和庞大，在实际应用中增加了制造成本。
4.为解决上述问题，近来的研究提出了多孔材料层以下改进措施：在多孔材料层中加入硬质包含物，由于多孔材料层与包含物外壁之间的作用导致束缚模态的出现，这大幅度增强了多孔材料层在中低频段的声吸收效果，但其高吸收峰在中低频范围内往往是离散分布的，不利于实现宽频带的声的吸收。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种低频宽带吸声器，能够通过体积较小的单一结构单元，在低频波段的宽带范围内对声波进行高效吸收，且高效吸收效果几乎不受声波入射角度影响。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
7.一种低频宽带吸声器，包括共振器，所述共振器的外部包覆有多孔材料层，所述多孔材料层的一侧连接有刚性背衬，与刚性背衬相对的一侧为入射面。
8.根据本发明，所述共振器包括内部壳体和外部壳体，所述内部壳体位于外部壳体的内部，优选地，所述内部壳体和外部壳体的横截面为矩形，例如为正方形，优选地，所述内部壳体和外部壳体同心设置。
9.根据本发明，所述多孔材料层的横截面为中空矩形，该中空部分容纳共振器，优选地，所述多孔材料层与共振器同心设置；
10.优选地，所述内部壳体的内部为中空共振腔，所述内部壳体外壁和外部壳体的内壁构成另一中空共振腔。
11.根据本发明，所述外部壳体靠近声波入射面的一侧中心设置有第一开口，所述内部壳体靠近刚性背衬的一侧中心设置有第二开口，所述第一开口与第二开口相对设置，优选地，所述第一开口与第二开口的宽度相同，均为w。
12.根据本发明，所述第二开口上连接有长管道，优选地，所述长管道设置在内部壳体的内部，优选地，所述长管道的宽度与第二开口的宽度相同，为w，所述长管道的长度为l；
13.根据本发明，所述内部壳体和外部壳体的横截面优选为同心正方形且壁厚相同，均为t；
14.优选地，所述外部壳体的边长为a1，内部壳体的边长为a2，内部壳体内壁与外部壳体外壁之间的通道宽度(即垂直距离)为c，c＝(a
1-a
2-t*2)/2；优选地，所述多孔材料层的宽度为l，厚度为d。
15.优选地，所述外部壳体的边长a1为50-70mm，内部壳体的边长a2为25-50mm；优选地，所述通道宽度c≥4mm)，所述多孔材料层的宽度l为80-150mm，厚度d为80-150mm；优选地，所述内部壳体、外部壳体的壁厚t为1-3mm；
16.优选地，所述第一开口、第二开口和长管道的宽度w为2-10mm，所述长管道的长度l为0-25mm。
17.根据本发明，所述外部壳体的边长a1为60mm，所述内部壳体的边长a2为43mm，所述内部壳体和外部壳体的壁厚t均为2mm，所述内部壳体内壁与外部壳体外壁之间的通道宽度c为6.5mm。
18.优选地，所述第一开口、第二开口和长管道的宽度w为3mm，所述长管道的长度l为14mm。
19.优选地，所述多孔材料层的宽度为l为120mm，厚度d为90mm。
20.优选地，所述共振器的声阻抗大于背景介质声阻抗的300倍及以上。
21.优选地，共振器选用塑料或金属制成，所述多孔材料层选用吸声海绵制成。
22.优选地，所述吸声海绵的等效孔隙率为0.95，曲折因子为1.42，流阻率为8900nsm-4
，粘滞特征长度为180μm，热特征长度为360μm。
23.根据本发明，所述共振器(1)的吸声系数a可以表示为公式一：
[0024][0025]
其中，r为声压反射系数，fr为共振频率，为结构的损耗因子，为泄漏因子。
[0026]
根据本发明，所述吸声器对在289-1112hz的宽频段声音的吸收系数均高于0.8，在此对应波长为1.19-0.31m，低频噪声波长达吸声器结构厚度的13倍。
[0027]
本发明还提供上述吸声器的用途，其用于吸收低频声波。
[0028]
根据本发明，所述吸声器设置在住宅、隔音设备或列车中，用于吸收环境中的低频声波。
[0029]
有益效果
[0030]
本发明的一种低频宽带吸声器，仅使用单一结构单元，即能够实现在低频波段的宽带范围内对声波进行高效吸收，且高效吸收效果几乎不受声波入射角度影响，设计的吸收器厚度仅为声波波长的约1/13，占用的空间体积较小，在低频降噪领域有广阔的应用前景。
附图说明
[0031]
图1为本发明中低频宽带吸声器结构示意图；
[0032]
图2为本发明实施例1中随共振器内部壳体的边长a2变化的声吸收频谱仿真结果；
[0033]
图3为本发明实施例1中随共振器长管道的长l变化的声吸收频谱仿真结果；
[0034]
图4为本发明实施例1中随共振器外部壳体的边长a1变化的声吸收频谱仿真结果；
[0035]
图5为本发明实施例1中随共振器第一开口、第二开口及长管道的宽度w变化的声吸收频谱仿真结果；
[0036]
图6为本发明实施例1中选用3d打印塑料样品与吸声海绵的实验结果与仿真结果的对比图；
[0037]
图7为本发明实施例1中在不同声波入射角度的仿真结果图；
[0038]
图8为本发明实施例1中在随机声波入射角度的仿真结果图。
[0039]
图中，1-共振器，2-多孔材料层，3-刚性背衬，4-内部壳体，5-外部壳体，6-第一开口，7-第二开口，8-长管道。
具体实施方式
[0040]
下文将结合具体附图和实施例对本发明的通式化合物及其制备方法和应用做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
[0041]
实施例1
[0042]
如图1所示，为低频宽带吸声器的剖视图，包括共振器1，共振器1的外部包覆有多孔材料层2，多孔材料层2的一侧为声波入射面，多孔材料层2与声波入射面相对的外侧连接一刚性背衬3。
[0043]
共振器1包括双层中空矩形壳体：内部壳体4和外部壳体5，内部壳体4和外部壳体5同心设置，内部壳体4的中空内腔可以作为一共振腔以下称为内共振腔，内部壳体4内壁和外部壳体5的外壁所构成的腔体作为另一共振腔以下称为外共振腔。
[0044]
本实施例中，内部壳体4和外部壳体5均为正方形，且厚度均为t，其中，外部壳体5的边长为a1，内部壳体4的边长为a2，内部壳体4内壁与外部壳体5外壁之间的通道宽度(即垂直距离)为c＝(a
1-a
2-t*2)/2，外部壳体5与声波入射面相对的一侧中心设置有第一开口6，内部壳体4在靠近刚性背衬3的中心设置有第二开口7，第一开口6、第二开口7相对设置，宽度均为w，第二开口7上连接有长管道8，长管道8的宽度也为w，长度为l。
[0045]
多孔材料层2将共振器1紧密包裹，多孔材料层2的宽度为l，厚度为d，多孔材料层2呈与共振器1同心的矩形。
[0046]
当频率为f的声波沿y轴方向(即从声波入射面)以θ角入射到吸收器(初始θ角为0
°
，即垂直入射)，一部分声波进入吸收器被损耗吸收，一部分声波被发射，由于后部刚性背衬3作用，声波无法透射，因此吸收器的声吸收系数可以定义为a＝1
–
|r|2，其中r为反射声波的振幅。
[0047]
声波经过外部多孔材料层2时，多孔材料层2与共振器1的外壁和刚性背衬3之间的作用导致束缚模态的出现，增强了多孔材料层2在中低频波段的声吸收。
[0048]
此外，内部壳体4和外部壳体5上对开口的设计，使得共振器1出现以下两种共振模式，共振分别发生在内部壳体4的内共振腔，内部壳体4和外部壳体5间的外共振腔。
[0049]
在本实施例的共振系统中，共振器1的内壁热粘滞作用及多孔材料层2包裹的损耗作用提供了结构的损耗因子损耗因子与多孔材料层2的材质，厚度相关；而无损耗的开放共振系统(内共振腔、外共振腔)提供了泄漏因子损耗因子和泄漏因子与其对应的共振器1的结构和材料相关，通过数值仿真的方式获得对应关系。
[0050]
根据耦合模式理论，共振系统的品质因子可通过共振频率fr和共振半高带宽δfr计算得出，即q-1
＝δfr/fr。当不考虑系统损耗时(即)，共振系统的泄漏因子即为系统的品质因子，即从而系统的损耗因子可由考虑损耗时的品质因子得出，即
[0051]
共振器1的吸声系数a可以表示为公式一：
[0052][0053]
由公式一可知，在共振频率附近，当损耗因子与泄漏因子的耦合越强，共振器1的吸声系数越大。
[0054]
本实施例发现，在保持共振器1的外壁大小不变，即不改变束缚模态吸收(多孔材料层2、共振器1的外壁和刚性背衬3三者的结构及相对位置)及泄漏因子的情况下，可通过调节第一开口6、第二开口7的宽度，长管道8的宽度和长度，内部壳体4的边长(即内部壳体4外壁与外部壳体5内壁之间的通道宽度)，从而调整结构的损耗因子及两共振峰的频率位置，使两共振峰分布在束缚模态吸收峰的两侧，在较宽频带内实现损耗因子与泄漏因子的强耦合，从而实现了宽频带的声吸收。
[0055]
共振器1、刚性背衬3均选用声学阻抗远大于空气声学阻抗的材料制成，例如塑料或金属，多孔材料层2选用多孔材料如吸声海绵制成。
[0056]
外部多孔材料层2根据johnson-champoux-allard(jca)模型等效为均匀等效流体，其等效密度ρe和等效体积模量ke分别通过公式二和三计算：
[0057][0058][0059]
公式二和公式三中，ω为角频率，ρ0为空气密度，η为空气动力粘度，p0为空气压力，γ为绝热常数，pr为普朗特数，φ为等效孔隙率，α
∞
为曲折因子，σ为流阻率，λ为粘滞特征长度，λ
′
为热特征长度。
[0060]
本实施例中，φ设置为0.95，曲折因子α
∞
为1.42，流阻率σ为8900nsm-4
，粘滞特征长度λ为180μm，热特征长度λ
′
为360μm，其中ωv＝σφ/ρ0α
∞
，ω
′c＝σ
′
φ/ρ0α
∞
，σ
′
＝8α
∞
η/φ
λ
′
。
[0061]
本发明中，内部壳体4的边长a2、长管道8的长度l、外部壳体5的边长a1、第一开口6、第二开口7及长管道8的宽度w均可以灵活调整以适应实际中的具体要求，本实施例所开展的仿真实验中，设定a2＝43mm，l＝14mm，a1＝60mm，w＝3mm，壳体厚度均为t＝2mm，因而两壳层间通道宽度为6.5mm，多孔材料层2的宽度l为120mm，厚度d为90mm，当测定其中一因子如a2对损耗因子及两共振峰的频率位置的影响时，其他因子保持上述数值不变。
[0062]
图2为本实施例根据上述条件制备的吸声器1的声吸收频谱，横轴是入射声波的频率，纵轴是内部壳体4的边长a2，其颜色深度代表其吸声系数的大小，由图2可知吸声系数在615hz频率附近存在稳定的深灰色区域此时a≈0.85，此即多孔材料层2与共振器1的外壁和刚性背衬3之间的作用导致的束缚模态吸收，此吸收峰记为p2，在图中用白色虚线标注。在p2的两侧存在两块深黑色区域，此即两共振吸收峰，分别记为p1(左)和p3(右)，用白色双点划线和点划线标注。
[0063]
随着a2从25mm增大至50mm，共振峰p1的共振频率逐渐从550hz减小至220hz左右，且其吸声系数有略微减小，而p3随a2的增大，共振频率先减小至900hz后逐渐增大，其吸收系数在900hz附近达到最大值，且其高吸收带宽相对较宽，当a2＝43mm时，p1，p3对称分布在p2的两侧，此时，能够达到最佳的吸声效果。
[0064]
图3-5分别为吸声器声吸收系数随长管道8长l、外部壳体5的边长a1、第一开口6、第二开口7及长管道8的宽度w大小改变的声吸收频谱(在其他条件不变的情况下，分别仅改变l、a1、w大小)，3个峰的标记与图2一致。
[0065]
由图3可知，共振峰p1和p3的频率都随l的增大而减小，但两个峰频率减小的速度有明显差别。随着l从0增加至25mm，共振峰p1的共振频率从360hz减小至300hz，而p3的频率从1210hz减小至860hz，两峰的吸收系数基本不随l改变，当l＝14mm时，p1，p3对称分布在p2的两侧，此时，能够达到最佳的吸声效果。
[0066]
如图4所示，随着a1从50mm增大至70mm，共振峰p1的共振频率逐渐从200hz增大至300hz，而p3的共振频率以较快速率从1500hz减小至770hz，两共振峰吸声系数都随a1增大而略微提高，当a1为60mm时，p1，p3对称分布在p2的两侧，此时，能够达到最佳的吸声效果。此外，由于共振器1外壁大小的改变，影响了束缚模态吸收，从而使p2的频率从650hz减小至550hz，且其吸收系数有略微减小。
[0067]
图5中显示，共振峰p1和p3的频率都随w的增大而增大，但两个峰频率增大的速度有明显差别。随着w从2mm增大至10mm，共振峰p1的共振频率从300hz增大至400hz，而p3的频率从840hz增大至1360hz，两峰的吸收系数随w的增大而略微增大，当w为3mm时，p1，p3对称分布在p2的两侧，此时，能够达到最佳的吸声效果。
[0068]
从图2-5中可以看出，本实施例中的低频宽带吸声器的吸声频率灵活可调，通过调节内部双层矩形对开口声学共振器的几何参数(a2，l，a1，w)，可以调整两共振峰的频率，使其对称分布在束缚模态吸收峰的两侧，实现宽频带的声吸收。
[0069]
对图1的低频宽带吸声器进行仿真计算及实验测量，最优参数为：设定内部壳体4边长a2＝43mm，长管道8长l＝14mm，外部壳体5的边长a1＝60mm，第一开口6、第二开口7及长管道8的宽度w＝3mm，两壳层间通道宽度c＝6.5mm。
[0070]
实验测量时，利用3d打印技术打印内部共振器样品，使用高密度聚氨酯海绵作为
外部包裹层2，在管道横截面为120mm
×
120mm的波导管中进行实验测量。
[0071]
参见图6，为对应的低频宽带吸声器的声吸收频谱，横轴是入射声波的频率，纵轴是声吸收系数。本实施例中，仿真结果显示，在289-1112hz的宽频段，吸收系数均高于0.8，实验结果与仿真结果大致相似，这进一步证明了本实施例的结构可以在低频宽带范围内实现对声音的高效吸收。
[0072]
对本发明进行仿真计算，将声波入射角度分别设置为θ＝0
°
，30
°
，60
°
，参见图7所示，由在不同声波入射角度下的声吸收频谱结果中可以看出，本实施例的吸声器对不同入射角度的声波都有良好的声吸收效果。随后根据现实中声波入射的随机性对该结构进行仿真计算，定义吸声系数为a
rand
，其计算方法参见公式四：
[0073][0074]
其中，a(θ)为该结构在不同声波入射角度θ对应的声吸收系数，其结果如图8所示，仿真结果显示，本实施例的吸声器对随机入射角度的声波也都有良好的声吸收效果。上述结果也说明，本实施例的低频宽带吸声器在宽频工作范围内的高效吸声效果不受声波入射角度的影响，这在低频降噪领域有广阔的应用前景。
[0075]
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。