一种全频带超构隔声板

1.本实用新型涉及隔声体，具体为一种全频带超构隔声板。


背景技术：

2.隔声降噪是现代工程技术发展的重要课题之一，它与军事、国防、航空航天、民生等领域密切相关。传统的隔声降噪技术受制于质量定律，仅能在高频段对噪声起良好隔离作用，要改善低频隔声效果则需要增大隔声层质量，限制了其工程应用。近年来，声学超材料的研究为解决低频隔声问题提供了新的思路。声学超材料是电磁超材料在声学领域的对应物，通过对材料关键物理尺度上进行序构设计，获得自然界材料所不具备的不同寻常的声学特性、现象的特种复合材料或结构。使其在隔声、降噪等领域具有广阔的研究和应用前景。
3.传统隔声设计多基于隔声材料或共振结构。前者通过提高隔声层的声阻抗或优化吸、隔声材料组合方式达到改善结构隔声性能的效果。例如汽车前围隔音垫、公路声屏障、大型设备的隔声箱多是基于此类隔声机理。这要求隔声层具有更高的质量密度、厚度、良好的密封性、以及材料覆盖效果，显然不利于实现隔声结构轻量化和轻薄化。在管道声学领域，各类共鸣器或腔体被植入传声路径上以实现对某几个固定频率范围声波的有效隔离，这类方法对应的消声频率与管、腔结构参数关系密切，在消除低频噪声时往往难以同时实现结构小型化。随着科学技术的发展与环保要求的提升，生活中的噪声人们对于生活中的噪声控制有更高要求，其应用场景也更加多元化，隔声材料开始向着高性能、宽频带、轻量化、结构多样的方向发展由于低频噪声声波较长，其穿透能力较强，传统材料的微弱粘热损耗无法实现有效的低频声衰减。传统材料、结构在隔声性能与工程实用性领域难以兼顾的背景下，声学超材料的出现与发展为解决这一问题打开了新的视角。


技术实现要素：

4.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型目的是提供一种结构紧凑、厚度薄、全频带吸声性能好的全频带超构隔声板。
5.技术方案：本实用新型所述的一种全频带超构隔声板，包括框体，框体内沿声源传播方向依次设有低频隔声体一、中高频吸声棉和低频隔声体二，低频隔声体一包括结构体一和共鸣腔一，结构体一为阵列结构，共鸣腔一嵌入每个结构体一中，低频隔声体二包括结构体二和共鸣腔二，结构体二为阵列结构，共鸣腔二嵌入每个结构体二中，共鸣腔一、共鸣腔二的开口均朝向中高频吸声棉，为了阻挡低频噪声。
6.进一步地，结构体一与结构体二的结构完全相同。
7.进一步地，低频隔声体一的厚度为50～150mm，中高频吸声棉的厚度为10～40mm，低频隔声体二的厚度为50～150mm。
8.进一步地，为了实现低频噪声的隔离，框体与低频隔声体一、中高频吸声棉、低频隔声体二通过阻尼胶相连。阻尼胶为气凝胶或ab胶等常用阻尼材料，其厚度为0.5～2mm，可
以用于入射声波的波长、相位与低频隔声体表面声阻抗的匹配。
9.进一步地，共鸣腔一在结构体一内按正方晶格、长方晶格、三角晶格或六角晶格的形式分布。共鸣腔二在结构体二内按正方晶格、长方晶格、三角晶格或六角晶格的形式分布。
10.进一步地，共鸣腔一、共鸣腔二均为hr型、fp型或mie型共鸣腔中的一种或多种，其形状为圆柱体、正方体或长方体。共鸣腔一横截面上的通孔一为圆形或四边形，通孔一的尺寸为0.05～1.0mm。共鸣腔二横截面上的通孔二为圆形或四边形，通孔二的尺寸为0.05～1.0mm。当声波垂直入射时，由于阻抗匹配层的作用，入射波长、相位与hr型共振腔表面声阻抗相匹配，产生垂直共振，声波在共振腔内振荡，克服摩擦阻力而消耗声能，实现隔声的目的；通常，单个hr型共振腔对应一个共振频率，吸收共振频率下的声波。但由于各共振腔间的近场耦合作用，产生多个耦合谐振频率，从而拓宽了隔声频率范围，提高结构整体的隔声性能。低频隔声体可以隔离噪声的频段为100～1000hz。
11.进一步地，中高频吸声棉上设置微小的间隙和连续气泡，具有一定的通气性，能够实现中高频噪声的隔离。当声波入射到多孔材料表面时，首先是由于声波产生的振动引起小孔或间隙内的空气运动,造成和孔壁的摩擦，紧靠孔壁和纤维表面的空气受孔壁的影响不易动起来,由于摩擦和粘滞力的作用,使相当一部分声能转化为热能,从而使声波衰减,反射声减弱达到吸声的目的；其次,小孔中的空气和孔壁与纤维之间的热交换引起的热损失,也使声能衰减。另外,高频声波可使空隙间空气质点的振动速度加快,空气与孔壁的热交换也加快。这就使多孔材料具有良好的高频吸声性能。中高频吸声体与低频共振腔耦合结构可以隔离噪声的频段为1000～5000hz。
12.工作原理：声源发出的声波在传播途径中，遇到阻挡声波传播的匀质屏障物(如木板、墙体、金属板等)，一部分被屏障物反射回去，一部分被屏障物吸收，只有声源中的一部分声能顺利穿透屏障物辐射到其他区域去。利用材料(构件、结构或系统)阻碍噪声的传播，通过屏障后声能降低或消除的方法，称为隔声。声波在不同特性阻抗的空气介质与屏障物之间传播，声波不断反射导致声能量衰减，振动能量也随空气介质的弹性与附加作用大大降低，从而达到隔声减振效果。隔声材料隔声性能与材料、结构和声波的频率有关。隔声材料透声能力的大小，用透射系数表示，它等于噪声通过材料前后的声能量比。在高频吸声体与中频共振腔耦合共振作用下，拓宽了高频吸声体的吸声频带，隔离了中频噪声，声波(统称弹性波)与人工周期弹性复合材料相互作用，在特定频率没有对应振动模式存在声禁带，即声波传播被抑制实现良好隔声性能。
13.有益效果：本实用新型和现有技术相比，具有如下特点：结构紧凑，厚度薄，全频带吸声性能良好；超构材料与多孔材料的结合，极大地减小超构材料的设计限制，使其尺寸与形状更加多元化，隔声频带变化灵活；在隔声性能相同的情况下，超构吸声体的厚度更薄；简单轻便，安装容易，可不同安装方式及排列不影响其隔声性能。
附图说明
14.图1是本实用新型的结构示意图；
15.图2是本实用新型的爆炸图；
16.图3是本实用新型低频隔声体一2的结构示意图；
17.图4是本实用新型结构体一21的半剖图；
18.图5本实用新型的隔声性能曲线。
具体实施方式
19.实施例1
20.如图1，全频带超构隔声板沿声源传播方向依次布置有框体1、第一低频隔声体、中高频吸声体以及第二低频隔声体，第一低频隔声体、第二低频隔声体通过卡槽或扣固定在框体1上，以阻尼胶增加气密性及调节阻抗匹配性。低频隔声体一2的厚度为50～150mm，中高频吸声棉3的厚度为10～40mm，低频隔声体二4的厚度为50～150mm。中高频吸声体是常用的多孔吸声棉，其厚度可依据使用场景及要求设置厚度范围为10-40mm，相邻吸/隔声体之间可以留有一定空腔，也可进行紧凑压实，界面处可涂覆适量阻尼胶。同时在考虑加工精度的情况下，减小隔声体与框体1间的缝隙。阻尼胶为气凝胶或ab胶等常用阻尼材料，其厚度为0.5～2mm，可以用于入射声波的波长、相位与低频隔声体表面声阻抗的匹配。第一低频隔声体、第二低频隔声体均为超构隔声体，其外形尺寸优选为：300mm(w)
×
200mm(d)
×
120mm(h)。第一隔声体、第二隔声体按照开孔相对方向安装，第一隔声体、第二隔声体的结构尺寸均相同。
21.如图2～4，低频隔声体一2包括结构体一21和共鸣腔一22，结构体一21为阵列结构，共鸣腔一22嵌入每个结构体一21中，低频隔声体二4包括结构体二41和共鸣腔二42，结构体二41为阵列结构，共鸣腔二42嵌入每个结构体二41中，共鸣腔一22、共鸣腔二42的开口均朝向中高频吸声棉3，为了阻挡低频噪声。结构体一21与结构体二41的结构完全相同。第一低频隔声体、第二低频隔声体的背板厚度为0.5-3mm，第一低频隔声体、第二低频隔声体为96腔并联排列的hr型吸声结构，包括结构体以及96个嵌入其中呈正方晶格排布的hr型共鸣腔，其单个平板的厚度为40mm。共鸣腔一22横截面上的通孔一、共鸣腔二42横截面上的通孔二均为若干大小不同的正方形，尺寸为0.05～1.0mm。
22.如图5，将上述全频带超构隔声板进行有限元仿真分析，得到其传递损失特性。在结构总体厚度为120mm的情况下，平板吸声结构的全频段隔声性能非常优异，在低频段100～500hz内结构的平均隔声量大约为76.27db；同时，平板吸声结构在设计全频段100～5000hz内的平均隔声量为109.6db左右。
23.将本实施例的全频带超构隔声板用于隔音房或声屏障，用平板吸声结构代替现有低频吸/隔声层。日常人们比较常见的有实心砖块、钢筋混泥土墙、木板、石膏板、铁板、隔声毡、纤维板等等。在低频情况下，一定程度上打破了隔声量遵循质量定律的原则，可以设置在居民区距离机场、高速公路、铁路等噪声大的环境下设置声屏障，以及在特种环境下，对空间利用率具有较高要求的精密仪器保护等。
24.实施例2
25.本实施例与实施例1的其余结构均相同，区别仅仅在于：共鸣腔一22、共鸣腔二42均为fp型共鸣腔，共鸣腔一22横截面上的通孔一、共鸣腔二42横截面上的通孔二均为若干大小不同的四边形。
26.实施例3
27.本实施例与实施例1的其余结构均相同，区别仅仅在于：共鸣腔一22、共鸣腔二42
均为mie型共鸣腔，共鸣腔一22横截面上的通孔一、共鸣腔二42横截面上的通孔二均为若干大小不同的四边形。

技术特征：
1.一种全频带超构隔声板，其特征在于：包括框体(1)，所述框体(1)内沿声源传播方向依次设有低频隔声体一(2)、中高频吸声棉(3)和低频隔声体二(4)，所述低频隔声体一(2)包括结构体一(21)和共鸣腔一(22)，所述结构体一(21)为阵列结构，所述共鸣腔一(22)嵌入每个结构体一(21)中，所述低频隔声体二(4)包括结构体二(41)和共鸣腔二(42)，所述结构体二(41)为阵列结构，所述共鸣腔二(42)嵌入每个结构体二(41)中，所述共鸣腔一(22)、共鸣腔二(42)的开口均朝向中高频吸声棉(3)。2.根据权利要求1所述的一种全频带超构隔声板，其特征在于：所述结构体一(21)与结构体二(41)的结构完全相同。3.根据权利要求1所述的一种全频带超构隔声板，其特征在于：所述低频隔声体一(2)的厚度为50～150mm，所述中高频吸声棉(3)的厚度为10～40mm，所述低频隔声体二(4)的厚度为50～150mm。4.根据权利要求1所述的一种全频带超构隔声板，其特征在于：所述框体(1)与低频隔声体一(2)、中高频吸声棉(3)、低频隔声体二(4)通过阻尼胶相连。5.根据权利要求1所述的一种全频带超构隔声板，其特征在于：所述共鸣腔一(22)在结构体一(21)内按正方晶格、长方晶格、三角晶格或六角晶格的形式分布。6.根据权利要求1所述的一种全频带超构隔声板，其特征在于：所述共鸣腔二(42)在结构体二(41)内按正方晶格、长方晶格、三角晶格或六角晶格的形式分布。7.根据权利要求1所述的一种全频带超构隔声板，其特征在于：所述共鸣腔一(22)、共鸣腔二(42)均为hr型、fp型或mie型共鸣腔中的一种或多种，其形状为圆柱体、正方体或长方体。8.根据权利要求7所述的一种全频带超构隔声板，其特征在于：所述共鸣腔一(22)横截面上的通孔一为圆形或四边形，所述通孔一的尺寸为0.05～1.0mm。9.根据权利要求7所述的一种全频带超构隔声板，其特征在于：所述共鸣腔二(42)横截面上的通孔二为圆形或四边形，所述通孔二的尺寸为0.05～1.0mm。10.根据权利要求1所述的一种全频带超构隔声板，其特征在于：所述中高频吸声棉(3)上设置间隙和连续气泡。

技术总结
本实用新型公开了一种全频带超构隔声板，包括框体，框体内沿声源传播方向依次设有低频隔声体一、中高频吸声棉和低频隔声体二，低频隔声体一包括结构体一和共鸣腔一，结构体一为阵列结构，共鸣腔一嵌入每个结构体一中，低频隔声体二包括结构体二和共鸣腔二，结构体二为阵列结构，共鸣腔二嵌入每个结构体二中，共鸣腔一、共鸣腔二的开口均朝向中高频吸声棉。结构体一与结构体二的结构完全相同。低频隔声体一的厚度为50～150mm，中高频吸声棉的厚度为10～40mm，低频隔声体二的厚度为50～150mm。本实用新型结构紧凑，厚度薄，全频带吸声性能良好；超构材料与多孔材料的结合，尺寸与形状更加多元化，隔声频带变化灵活。隔声频带变化灵活。隔声频带变化灵活。


技术研发人员：卢明辉 钟雨豪 解龙翔 黄唯纯
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2021.07.14
技术公布日：2022/3/8