超低频吸声器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年4月23日提交的美国临时专利申请No.63/178,548的优先权。

技术领域

本专利申请的公开内容涉及声音吸收和衰减，并且尤其涉及一种用于吸收和衰减超低频范围内的声音的吸声器(acoustic absorber)，其中该吸声器被定位成用于基于声学软边界条件(acoustic soft boundary condition，ASBC)的最佳吸声。

背景技术

针对由特定材料样品实施的声吸收，基于该材料对入射声波响应的因果性质(causal nature)，对于给定的吸收波谱A(λ)，最小样品厚度d

其中B

关系式(1)的推导中隐含了两个条件：样品的宏观横向均匀性以及硬反射边界背衬(backing)。然而，通过打破这两个隐含的假设，针对低频，可使用超薄的样品厚度实现对空气传播声音的几乎完全吸收。然而，这种吸声器在较高频率下丧失其优势，因此这种吸声器的应用可以被视为对宽带超材料吸声器(其从350Hz及以上的频率开始表现出优异的吸收性能)的补充。期望的是能够设计一种吸声器，该吸声器具有打破这些条件，从而以比关系式(1)所规定的厚度小得多的厚度在超低频范围内提供声吸收的优势。

声学软边界条件(ASBC)是声学硬边界条件(AHBC)的替代边界条件，AHBC对于空气传播的声音来说是普遍的(prevalent)。理想ASBC可以由压力调制(pressure modulation)p中的节点和位移速度(displacement velocity)u中的反节点(腹点)来唯一表征，而理想ASBC的表面阻抗定义为：Z＝p/u＝0。ASBC上的速度反节点在用于多孔吸声器的边界表面处产生高位移速度区，导致来自空气与固体骨架之间的高相对位移速度的高吸收。这种效应在低频范围内特别显著，因为位移速度远离边界缓慢衰减。相比之下，放置在AHBC上的吸声器直到其厚度超过四分之一波长时才能表现出任何显著的吸收。期望的是能够利用软边界条件而不是硬边界条件，以便在考虑上述薄厚度的情况下在超低频范围内提供声吸收。因此，需要一种解决上述问题的超低频吸声器。

发明内容

本申请的超低频吸声器包括具有相对的第一开口端和第二开口端的中空壳体，以及堆叠在该壳体内的多个金属网层。作为非限制性示例，每个金属网层可以具有大约4×10

为了将多个金属网层固定在中空壳体内，第一网盖和第二网盖或类似物可以分别覆盖中空壳体的第一开口端和第二开口端。第一网盖和第二网盖中的每一者的平均网孔尺寸和刚度分别大于每个金属网层的平均孔隙尺寸和刚度。

此外，可以设置至少一个间隔件，以便在壳体与支撑表面(诸如硬壁或类似物)之间形成间隙。该至少一个间隔件的第一端固定于中空壳体的第二开口端，并且该至少一个间隔件的第二端适于安装在该支撑表面上。该至少一个间隔件可具有足以将超低频吸声器间隔在基于声学软边界条件(ASBC)的最佳吸声位置的长度。作为非限制性示例，该至少一个间隔件的长度可以在大约0.5cm与大约1.5cm之间。

在替代实施例中，一种混合式膜谐振器(hybrid membrane resonator，HMR)包括具有开口端和相对的封闭端的壳体，以及覆盖和密封壳体的开口端的装饰膜谐振器(decorated membrane resonator)。该装饰膜谐振器可以由弹性膜和固定于弹性膜的中心的薄板(platelet)形成。在壳体内，在装饰膜谐振器与壳体的封闭端之间限定了腔室，壳体的封闭端限定了反射背板(reflecting back plate)。可以穿过壳体的侧壁形成至少一个孔，其中该至少一个孔构造为在腔室内、装饰膜谐振器的后方产生声学软边界条件。该至少一个孔的尺寸和/或该至少一个孔相对于壳体的位置被配置为产生声学软边界条件。作为非限制性示例，可以穿过壳体的侧壁形成三个孔，这三个孔围绕壳体的侧壁的周部以120°的角度彼此隔开。每个孔可以形成穿过侧壁的圆柱形通道。

在另一个替代实施例中，替代的混合式膜谐振器(HMR)可以包括具有开口端和相对的封闭端的壳体，还具有覆盖和密封壳体的开口端的装饰膜谐振器(DMR)。在壳体内，在装饰膜谐振器与壳体的封闭端之间限定了腔室。壳体的封闭端限定了反射背板。该HMR还包括安装于壳体的封闭端的外表面的法布里-珀罗谐振器(Fabry-Pérot resonator)。穿过壳体的封闭端形成通道，使得腔室与法布里-珀罗谐振器的内部连通。该法布里-珀罗谐振器不限于任何单一的构造。作为非限制性示例，该法布里-珀罗谐振器可以具有折叠的、大致螺旋形的构造。

通过进一步阅读以下说明书内容，本主题的这些和其他特征将变得显而易见。

附图说明

图1是超低频吸声器的分解侧视图。

图2是安装在硬反射支撑表面上的超低频吸声器的侧视图。

图3A是针对没有吸声器的开口边界(open boundary)条件，对比吸收/消减的测量值和模拟值的曲线图，其中的插入图对比了针对同一构造的Re[r]的预测值、模拟值和测量值。

图3B示意性地示出了针对图3A的开口边界条件的实验装置。

图4是在由声学软边界条件(ASBC)支持的吸声器和由声学硬边界条件(AHBC)支持的吸声器之间，以对数标度的对比作为吸声器厚度的函数的声吸收的曲线图，其中的插入图示出了声波行进穿过厚吸声器(上图)和薄吸声器(下图)的模拟位移速度振幅分布，厚吸声器和薄吸声器均由ASBC支持。

图5A是针对如下构造，对比实验的、模拟的和最佳拟合(BF)的Re[r]值的曲线图，该构造中AHBC与阻抗管的开口边界间隔开以在二者之间形成间隙。

图5B是针对开口边界构造对比不同Re[r]值的曲线图，其中内反射平面与开口边界间隔不同的距离。

图5C是针对图5A的构造(但其中阻抗管的开口边界被超低频吸声器覆盖)，对比不同间隙距离下的吸收/消减的曲线图。

图5D示意性地示出了图5A的实验装置。

图5E示意性地示出了图5C的实验装置。

图6A是对比阻抗匹配条件的实部和虚部与混合式吸声器的实部和虚部的曲线图。

图6B是针对图6A的混合式吸声器，对比测量吸收和模拟吸收的曲线图。

图6C示意性地示出了图6A和图6B的实验装置。

图6D是图6A、图6B和图6C的混合式吸声器的替代实施例的示意图。

图6E是图6D的混合式吸声器的另一替代实施例的示意图。

图6F是图6E的混合式吸声器的法布里-珀罗谐振器的俯视图。

图6G是对比图6A至图6C的混合式吸声器的吸收与法布里-珀罗谐振器的吸收的曲线图。

在所有附图中，相似的附图标记一致地表示相应的特征。

具体实施方式

现在参照图1和图2，超低频吸声器10包括具有相对的第一开口端22和第二开口端24的中空壳体12，以及堆叠在壳体12内的多个金属网层16。作为非限制性示例，每个金属网层16可以具有大约4×10

为了将多个金属网层16固定在中空壳体12内，可分别用第一网盖18和第二网盖20(或类似物)覆盖中空壳体12的第一开口端22和第二开口端24。第一网盖18和第二网盖20中的每一者的平均网孔尺寸和刚度分别大于金属网层16中的每一个的平均孔隙尺寸和刚度。

此外，可以设置至少一个间隔件14，以在壳体12与支撑表面(诸如硬壁W或类似物)之间形成间隙。在图1和图2中，出于示例性目的，示出了两个这样的间隔件14，然而，应当理解，可以使用任何合适数量的间隔件。至少一个间隔件14的第一端26固定于中空壳体12的第二开口端24，并且至少一个间隔件14的第二端28适于安装在支撑表面W上。如将在下面更详细讨论的，至少一个间隔件14具有足以将该吸声器定位在基于声学软边界条件的最佳吸声位置的的长度。作为非限制性示例，该至少一个间隔件可以具有在大约0.5cm与大约1.5cm之间的长度D。

优选地，每个金属网层具有高热导率，该高热导率与小孔隙尺寸相结合，使粘性边界层中的摩擦吸收最大化，从而提供优异的单位厚度吸收效率。如将在下面详细描述的那样，复合有效体积模量κ

如图3B所示，通过直接打开阻抗管100的一端，可以以实验实现低频范围内的声学软边界条件(ASBC)。在图3B的实验装置中，扬声器104覆盖阻抗管100的一端，阻抗管100的另一端106形成开口边界。麦克风102嵌入阻抗管100的壁内，如图1b的插入图示意性所示。由于散射，开口管的实际阻抗由下式给出：

其中r＝5cm是阻抗管100的半径，k是波数，Z

图3A的插入图中绘制的在不存在吸声样品的情况下的Re[r]示出了，在开口边界处具有零阻抗值的理想ASBC只能在消失频率(vanishing frequency)的极限中实现。在50Hz处，可发现Re[r]非常接近-1，这表明这种情况下的开口边界可以被视为接近于理想ASBC。然而可看出，随着频率的增加，Re[r]偏离-1，这意味着通过开口的散射透过(scattering transmission)量增加。因此，对ASBC来说，需要定义称被为“消减”的量，其由下式给出：

消减＝1-|反射|

在数量上，可以通过使用Re[r]来监控ASBC与其理想值的偏差。无论何时Re[r]位于-1和0之间，都会有一些吸收增强效应。当Re[r]越过零进入正区域时，边界条件从部分软边界条件转变为部分硬边界条件。

在图3A的主要部分中，研究了被放置在管的开口端106的前面、由25层金属网制成的5mm厚样品的消减性能。在这种情况下，吸收的精确测量将需要关于散射透过的数据，这将需要沿着一围绕管100的球形表面来感测消声室中的声音振幅。代替这种测量，这里使用全波形模拟以及围绕阻抗管100的大的球形边界来获得吸收值。这将在下面详细讨论。

根据已经从阻抗管的反射和透过测量中获得的样品的κ

当将放置在接近理想的ASBC前方的5mm样品的厚度与通过使用吸收波谱(图3A中的“SA”)并考虑B

对于放置在ASBC前方的吸声器，有一个最佳的样品厚度。图4示出了在不同频率下作为样品厚度d的函数的模拟吸收，以对数标度绘制。实线和虚线分别代表由具有开口边界背衬的样品和具有硬边界背衬的样品提供的吸收。实线的峰表明，对于100Hz至300Hz之间的频率，样品的最佳厚度为0.5cm。偏离最佳厚度将导致更差的吸收波谱。图4中的峰值是两个竞争因素的结果：在样品背面处ASBC的可及性(accessibility)和样品本身提供的吸收能力。

考虑行进穿过具有ASBC背衬的非常厚的吸声器的波，如图4的插入图(右图)所示，波振幅在波到达ASBC背衬之前指数衰减到0。这意味着波无法获得由ASBC提供的优势。结果，由ASBC支持的厚吸声器和由AHBC支持的厚吸声器将具有相同的吸收性能。通过认识到随着样品厚度的增加相同频率的实线和虚线汇集到一起，可以看出这一点。另一方面，图4中的另一个插入图(下图)示出了另一种极端情况，其中波行进穿过非常薄的吸声器。虽然波可以很容易地到达ASBC背衬，但吸声器太薄，不能提供足够的材料来消散入射波。从上述内容可以清楚地看出，从零厚度开始，吸收必然增加，但是当样品稍微厚一些时，由于ASBC提供的吸收优势的可及性下降了，故吸收会随着厚度的增加而减少。因此，必然存在一个最佳的中间样品厚度，以实现最大吸收。在目前的情况下，发现这一最佳厚度出现在约5mm处。

尽管开口管条件在低频范围内提供了优异的软边界条件，但对于实际应用来说是不切实际的，因为几乎总是需要硬边界背衬。因此，ASBC可以放置在与入射波方向成90°的位置；即，通过使用开口间隙106，如图5D的实验装置所示，其中图3B的装置已经通过添加声学硬边界条件(AHBC)而被修改。图5A示出了当AHBC被放置在距离管开口1.5cm处(对应于图5D的装置)时从模拟和实验获得的Re[r]。通过使用等式(2)的相同形式，在侧面开口的间隙的表面阻抗可以由下式拟合：Z

间隙ASBC在样品背面引入了额外的相位因子，这会影响有效边界条件，因为需要额外的行进距离(从样品背面)才能到达侧面的间隙开口。为了研究这种效应，针对全波模拟，使用了图5B的插入图中所示的简单几何结构，其中样品的背面与管开口的距离为S。样品背面的附加相位被称为几何相位(GP)。在图5B中，S被改变并被绘制成曲线图，实线表示作为频率的函数的相应的全波波形模拟Re[r]。在图5B中，虚线表示相应的Re[r]，GP定义为cos[k(2S)+π]，其中π来自ASBC效应。对比与相同S对应的实线和虚线，很明显GP是控制呈现负Re[r]的频率范围的主要因素；即部分ASBC状况(regime)。在实际应用中，GP主要与样品的横向尺寸有关；即，通过使用间隙ASBC，与期望具有良好吸收性能的相关波长范围相比，横向样品尺寸应该较小。

在实验中，使用三维(3D)印刷来构建间隔件(诸如间隔件14),以将吸声器样品与硬反射壁隔开距离D。通过在硬反射壁前方放置0.5cm厚的金属网样品10，如图5E的装置所示，测量采用间隙尺寸D＝0.5的消减，以及采用对比间隙尺寸1cm和1.5cm的消减。结果在图5C中以圆圈曲线示出。实验结果与从COMSOL模拟获得的相应结果(如图5C中的实线所示)非常一致。图5C中的虚线表示由同样的模拟提供的吸收。可以看出，对于1.5cm的间隙尺寸D，在200Hz以下，吸收超过96％，并且该吸收是消减中的主要成分。因此，通过将1.5cm的间隙包括为样品厚度的一部分，样品的总厚度将是2cm，这是关系式(1)所建议的d

间隙尺寸D对GP(或S)有不同的影响。根据波传播路径的对称性，显然在圆形截面的中间，一定存在“驻点”，在此处样品的背面直接感受来自硬壁的反射。因此，在中心区域附近，ASBC的速度反节点条件大部分被破坏，并且失去了吸收优势。对于任何给定的频率，当D减小时，该区域的大小都会增加，直到D→0时该区域覆盖样品的整个背面，即AHBC。然而，应当注意，间隙尺寸的影响还取决于波频率。对于低频(诸如接近50Hz)，可以使用0.5cm的间隙尺寸，并且吸收仍然可以达到约99％。但是对于较高的频率，间隙尺寸应该调整得更大，以便获得良好的吸收。

现在可以看出，声学软边界可以与膜谐振器相互作用，以加强超低频声波(<100Hz)的吸收，样品厚度比关系式(1)(其中不涉及软边界)给出的d

Z＝Z

此处，封闭腔室的底部是硬反射壁。如果腔室底部的硬边界条件被软边界代替，则等式(4a)中给出的总吸收条件变为：

Z＝Z

因此，为了获得完全吸收，膜阻抗的虚部可以插入在负无穷大和正无穷大之间。这是合理的，因为阻抗的虚部是格林函数的实部的倒数，并且接近谐振Ω时，格林函数的倒数与Ω

此外，可以看出，阻抗的实部的近似匹配也可以扩展到相当宽的频率范围。在图6B中，示出了针对装饰膜的测量吸收(圆圈)和模拟吸收(实线)，装饰膜的第一谐振在112Hz处，覆盖了具有三个直径为0.5cm、高为1cm的圆柱形侧壁孔(彼此间隔120°)的腔室。图6C示出了覆盖阻抗管200的开口的混合结构210的示意图，其中混合结构210具有如上所述的穿过混合结构210形成的圆柱形侧壁孔212。可以看出，在81Hz处吸收可以达到99％，半峰全宽(FWHM)为约20-25hz，这对于低频吸收峰来说是非常宽的。如果将该测量的吸收波谱代入关系式(1)，则获得10.2cm的d

在图6C中，结构210是由壳体限定的混合式膜谐振器(HMR),该壳体具有封闭的后端(即，硬反射端，其抵靠图6C中的壁W定位)和相对的开口端，该开口端被装饰膜谐振器覆盖。选择圆柱形侧壁孔212的位置和尺寸，以在装饰膜谐振器后方，在由壳体限定的腔室内产生声学软边界条件。在图6C中，尽管剖视图仅示出了两个侧壁孔212，但是应当理解，这仅仅是为了说明的目的。作为非限制性示例，可以穿过壳体的侧壁形成三个这样的孔212，三个孔212围绕圆筒形侧壁以120°的角度彼此隔开。

在图6D所示的另一替代构造中，混合式膜谐振器(HMR)210被修改成使得腔室通向法布里-珀罗(FP)谐振器214，而不是通向开放空间。众所周知，法布里-珀罗(FP)是具有一个开口端和一个封闭端的管，其中谐振频率与FP谐振器的长度成反比。通过仔细调整FP谐振器的尺寸，可以在单一频率下实现包括阻抗匹配(即完全吸收)在内的任何表面阻抗。在图6E和图6F所示另一种替代构造中，HMR 210耦联到折叠成薄迷宫图案的另一FP谐振器214’。如图6G所示，已经发现，HMR与FP的组合导致吸收峰以装饰膜谐振器(DMR)的第一谐振和法布里-珀罗谐振之间的频率为中心。通过使膜谐振频率低于法布里-珀罗谐振器的频率，法布里-珀罗谐振器所要求的长度可以大大减小。吸收峰可以达到接近完全吸收，但不会突破因果关系极限。

图6D所示的HMR 210包括由均匀拉伸的弹性膜218形成的装饰膜谐振器(DMR)216，该弹性膜218由薄板220“装饰”。作为非限制性示例，弹性膜218可以具有45mm的半径和小于或等于0.2mm的厚度。对应于这些示例性尺寸，薄板220可以是固定于弹性膜218的中心的薄的盘形块，具有10mm的半径和0.8g的质量。壳体222具有被弹性膜218覆盖的开口端224，以及限定了反射背板的相对的封闭端226。

在常规HMR中，封闭端226密封腔室228，腔室228通常填充有大气压的气体。作为非限制性示例，气体可以是六氟化硫，通常选择具有小的绝热指数的气体。然而，如上所述，图6D的HMR 210具有通向法布里-珀罗(FP)谐振器214的中央通道230，该中央通道230固定到封闭端226并从封闭端226向后延伸。

对于吸声器10的上述实验，通过在3D印刷的圆筒形保持架(cage)中密封金属网层来制造样品。保持架壁是15mm厚的固体树脂，以确保样品边缘周围的泄漏量可以忽略不计。保持架的顶面和底面被两个具有相对较大孔隙尺寸和刚度的平坦的金属网层覆盖，使得外层可以以平坦的薄饼几何形状挤压堆叠的层，而对表面阻抗的影响最小。将适配器连接到保持架的一侧，以便安装到阻抗管(Brüel&

其中d是样品厚度，Z

使用COMSOL Multiphysics软件，使用频域中的“声学模量(Acoustic Modulus)”进行模拟。为了完成完整的波形模拟，在COMSOL中重建了实验装置模型。首先，构造具有相对较大的半径的球体，以模拟实验室中的开放空间。将完美匹配的阻抗条件分配给球体表面，以确保没有反向散射。在球体的中心构建具有硬边界条件的5cm半径的圆筒体，以用作阻抗管。通过沿圆筒形管传播平面波，能够研究无凸缘开口管的反射和表面阻抗。将20cm乘20cm的正方形硬边界放置在距离开口表面D厘米处，对间隙构造进行复制。通过计算从管开口向外辐射的能量通量与输入能量之间的比率来确定透过系数。通过进一步将κ

对于具有表面阻抗Z

其中Δ＝(Z

应当理解，超低频吸声器不限于上述具体实施例，而是包括由本文描述的实施例实现的、或者在附图中示出的或以上描述的足以使本领域普通技术人员能够制造和使用所要求保护的主题的术语描述的所附权利要求的一般语言范围内的任何和所有实施例。