一种并联弹簧振子吸声结构

技术领域

本发明涉及吸声降噪技术领域，特别是涉及一种并联弹簧振子吸声结构。

背景技术

吸声材料是声学上的重要材料之一，广泛地应用于建筑、车辆和船舶、航空航天、机械设备等领域内的降噪，以及重要厅堂的音质设计。吸声材料及结构主要有两类：一类是多孔的阻性吸声材料，主要用于250Hz以上的中高频吸声，如玻璃棉、木丝板、聚酯纤维等；另一类是共振吸声结构，主要用于250Hz以下的低频吸声，如基于亥姆霍兹共振腔原理的穿孔板，以及薄板、薄膜等共振结构。

穿孔板的缺陷是：由于声质量太小，所以在吸收低频时要求较大的声容，而较大的声容将导致空腔的体积较大，进而导致吸声构造的厚度很大，大量占用室内的有效空间，而且吸声频带较窄。例如，吸收100Hz的声波，板后空腔一般要大于200mm。

薄板共振结构的缺陷是：板属于分布式的振动系统，其力抗成分复杂，主要是由板后空腔内的空气弹簧劲度、板与框架连接处的约束劲度，以及板自身的劲度组成，因此其频响特性复杂，不易针对噪声频谱进行设计。

薄膜共振结构的缺陷是：一方面，频响特性复杂，不易设计；另一方面，由于膜的表面柔软，在很多情况下是不适用的，而且大部分膜的防火等级较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种并联弹簧振子吸声结构，以实现吸收低频噪声，增加吸声带宽以及提高吸声效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种并联弹簧振子吸声结构，所述并联弹簧振子吸声结构包括：至少一个吸声单元；当所述吸声单元的个数为多个时，各所述吸声单元阵列排布；

所述吸声单元包括：弹簧振子模块和倒相箱；

所述弹簧振子模块包括：弹簧、振子和阻尼；各所述吸声单元中的弹簧的力抗、振子的质量及阻尼的力阻不同，使各所述吸声单元中的弹簧振子模块具有不同的共振频率；

所述倒相箱包括：底板和顶部向内弯折的壁板；所述底板与所述壁板共同围合成顶部开口的箱体；

所述弹簧、所述振子及所述阻尼均位于所述箱体的内部；所述弹簧的两个接触面分别与所述底板及所述振子的一面相接触；所述振子的另一面与所述阻尼相接触；所述阻尼位于所述振子与所述壁板向内弯折部分之间；所述底板、所述壁板、所述振子及所述阻尼共同围合成封闭的空腔；

当有声波传来时，具有相应共振频率的所述弹簧振子模块中的振子在声波的激励下产生振动，将声能转化为机械能，然后通过对应的阻尼将机械能消耗掉；同时，所述空腔内的空气柱在所述振子的作用下产生振动，形成次级声源。

可选地，所述吸声单元还包括：

倒相管；所述振子的另一面为受声面，所述振子的受声面设有辐射孔；所述倒相管位于所述倒相箱的内部，且分别与所述倒相箱及所述辐射孔联通；所述倒相管用于以与入射声波反相的方式，将所述空腔内振动的气流导流至所述辐射孔，以使所述辐射孔向外辐射声波，与入射声波反相叠加抵消。

可选地，所述并联弹簧振子吸声结构还包括：

背板；所述背板通过卡槽与龙骨相连，以固定在墙面或吊顶上；所述吸声单元安装在所述背板上。

可选地，第i个弹簧振子模块的共振频率为：

其中，i为大于或等于1的正整数；f

可选地，第i个弹簧振子模块的速度共振峰带宽为：

其中，i为大于或等于1的正整数；f

可选地，各所述吸声单元的总体尺寸小于被吸收的最高声波频率所对应的波长的1/4。

可选地，所述倒相管安装在所述倒相箱的底板和位于侧面的所述壁板上；所述倒相管的长度等于对应的弹簧振子模块的共振频率所对应的声波波长的1/2。

可选地，各所述弹簧振子模块的共振频率均为位于16Hz-500Hz频率范围之内的三分之一倍频带中心频率。

可选地，所述吸声单元的个数为9个。

可选地，所述弹簧振子模块、所述倒相箱及所述倒相管均采用金属材料制作。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种并联弹簧振子吸声结构，包括：至少一个吸声单元；所述吸声单元包括：弹簧振子模块和倒相箱；所述弹簧振子模块包括：弹簧、振子和阻尼；所述倒相箱包括：底板和顶部向内弯折的壁板；所述底板与所述壁板共同围合成顶部开口的箱体；所述弹簧、所述振子及所述阻尼均位于所述箱体的内部；所述弹簧的两个接触面分别与所述底板及所述振子的一面相接触；所述振子的另一面与所述阻尼相接触；所述阻尼位于所述振子与所述壁板向内弯折部分之间；所述底板、所述壁板、所述振子及所述阻尼共同围合成封闭的空腔。

本发明通过调整各所述吸声单元中的弹簧的力抗、振子的质量及阻尼的力阻，使各所述吸声单元中的弹簧振子模块具有不同的共振频率；当有声波传来时，具有相应共振频率的所述弹簧振子模块中的振子在声波的激励下产生振动，将声能转化为机械能，然后通过对应的阻尼将机械能消耗掉；同时，所述空腔内的空气柱在所述振子的作用下产生振动，形成次级声源。

本发明通过将至少一个具有不同共振频率的弹簧振子模块并联，能够有效拓宽整个吸声结构的吸声带宽；利用振子将声能转化为机械能并通过阻尼将转化而来的机械能消耗掉，同时辅以反相次级声源的抵消作用，能够提高吸声效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明并联弹簧振子吸声结构的结构示意图；

图2为本发明并联弹簧振子吸声结构的弹簧振子模块的速度共振峰曲线连接示意图。

符号说明：弹簧—1，振子—2，阻尼—3，倒相箱—4，倒相管—5，辐射孔—6，背板—7，吸声单元—8。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种并联弹簧振子吸声结构，以实现吸收低频噪声，增加吸声带宽以及提高吸声效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明并联弹簧振子吸声结构的结构示意图，其中，图1中的(a)图为本发明并联弹簧振子吸声结构的平面结构示意图，图1中的(b)图为本发明并联弹簧振子吸声结构的剖面结构示意图，如图1所示，本发明提供的并联弹簧振子吸声结构包括：至少一个吸声单元8；当所述吸声单元8的个数为多个时，各所述吸声单元8阵列排布，各所述吸声单元8中的弹簧振子模块相互并联。

具体地，所述吸声单元8包括：弹簧振子模块和倒相箱4；所述弹簧振子模块包括：弹簧1、振子2和阻尼3；各所述吸声单元8中的弹簧1的力抗、振子2的质量及阻尼3的力阻不同，使各所述吸声单元8中的弹簧振子模块具有不同的共振频率。所述倒相箱4包括：底板和顶部向内弯折的壁板；所述底板与所述壁板共同围合成顶部开口的箱体。

所述弹簧1、所述振子2及所述阻尼3均位于所述箱体的内部；所述弹簧1的两个接触面分别与所述底板及所述振子2的一面相接触；所述振子2的另一面与所述阻尼3相接触；所述阻尼3位于所述振子2与所述壁板向内弯折部分之间；所述底板、所述壁板、所述振子2及所述阻尼3共同围合成封闭的空腔。

当有声波传来时，具有相应共振频率的所述弹簧振子模块中的振子2在声波的激励下产生振动，将声能转化为机械能，然后通过对应的阻尼3将机械能消耗掉；同时，当所述振子2产生振动时，对应的弹簧1在所述振子2的带动下产生振动，使所述空腔的体积发生变化，即所述空腔内的空气柱在所述振子2的作用下产生振动，形成次级声源，以进行有源噪声控制。

进一步地，所述吸声单元8还包括：倒相管5；所述振子2的另一面为受声面，所述振子2的受声面设有辐射孔6；所述倒相管5位于所述倒相箱4的内部，且分别与所述倒相箱4及所述辐射孔6联通。所述倒相管5与所述倒相箱4协同作用，当所述倒相箱4的空腔内的空气柱产生振动形成次级声源时，所述倒相管5以与入射声波反相的方式，将所述空腔内振动的气流导流至所述辐射孔6，以使所述辐射孔6向外辐射声波，从而使向外辐射的所述次级声源与入射的声波反相叠加抵消，使吸声结构的吸声能力得到进一步增强。

在本实施例中，通过调整各所述吸声单元8中的弹簧1的力抗、振子2的质量及阻尼3的力阻使各所述弹簧振子模块具有不同的共振频率。各所述弹簧振子模块相互并联，通过调整各所述弹簧振子模块的共振频率，使吸声结构整体的共振频率能够覆盖广谱低频噪声的频率范围，从而能够在该范围内不同频率声波的作用下产生共振，利用各弹簧振子模块中的振子2在其共振频率附近将具有相同中心频率的窄带声能转化为机械能，并通过相应的阻尼3将机械能消耗掉，以实现无源噪声控制，有效拓宽整个吸声结构的吸声带宽。倒相箱4内的空气柱在振子2的作用下产生振动，成为次级声源。倒相箱4内的倒相管5以反相的方式将倒相箱4内振动的气流引导至振子2的受声面的辐射孔6，以辐射声波，从而使辐射出去的声波与入射声波反相叠加相消，以实现有源噪声控制，进一步加强吸声结构的吸声性能。

作为一种具体的实施方式，所述倒相管5安装在所述倒相箱4的底板和位于侧面的所述壁板上；所述倒相管5的长度等于对应的弹簧振子模块的共振频率所对应的声波波长的1/2。各所述吸声单元8的总体尺寸小于被吸收的最高声波频率所对应的波长的1/4。

进一步地，所述并联弹簧振子吸声结构还包括：背板7；所述背板7通过卡槽与龙骨相连，以固定在墙面或吊顶上；所述吸声单元8安装在所述背板上。

优选地，所述弹簧振子模块、所述倒相箱4、所述倒相管5及所述背板7均采用金属材料制作，使整个吸声结构具有良好的防火性能。

进一步地，本发明还提供各所述弹簧振子模块的共振频率及速度共振峰带宽的计算方法，具体如下：

第i个弹簧振子模块的共振频率为：

其中，i为大于或等于1的正整数；f

第i个弹簧振子模块的速度共振峰带宽为：

其中，i为大于或等于1的正整数；Δf

作为一种具体的实施方式，各所述弹簧振子模块的共振频率均为位于16Hz-500Hz频率范围之内的三分之一倍频带中心频率。即各所述弹簧振子模块的共振频率点分别为16Hz、20Hz、25Hz、31.5Hz、40Hz、50Hz、63Hz、80Hz、100Hz、125Hz、160Hz、200Hz、250Hz、315Hz、400Hz及500Hz中的任意一个，从而使本发明提供的并联弹簧振子吸声结构可以有选择地吸收16Hz-500Hz范围内的宽带低频噪声。

进一步地，本发明还通过调整各所述吸声单元8中弹簧1的力抗、振子2的质量及阻尼3的力阻，以使各所述吸声单元中8弹簧振子模块的速度共振峰曲线在半功率点的位置连接，从而能够连续吸收频率在16Hz-500Hz内任意频段的声波。

在本实施例中，本发明并联弹簧振子吸声结构的吸声单元8的个数为9个，即本发明并联弹簧振子吸声结构包括：9个并联的弹簧振子模块、9个倒相箱4、9个倒相管5和背板7。

9个所述弹簧振子模块的共振频率分别为31.5Hz、40Hz、50Hz、63Hz、80Hz、100Hz、125Hz、160Hz和200Hz，通过进一步控制力抗K、质量M和力阻R，调整每个弹簧振子模块的速度共振峰带宽，将9个并联的弹簧振子模块的速度共振峰在半功率点的位置连接起来，从而能够覆盖31.5Hz-200Hz带宽的低频噪声。9个弹簧振子模块的振动速度共振峰曲线的连接详见图2，其中1归一化速度振幅在0.707时，各弹簧振子模块的速度共振峰曲线上的点即为半功率点。

整个吸声结构的总厚度约60mm，长宽均为400mm。各频带的法向入射吸声系数详见表1。从表1中可以看出本发明并联弹簧振子吸声结构对低频噪声具有较好的吸声特性。

表1各频带中心中心频率对应的法向入射吸声系数

本发明利用并联的弹簧振子模块吸收低频宽带声波，并利用倒相箱和倒相管向外辐射与入射声波反相的次级声源，部分抵消入射声波，进一步提高系统的吸声效率。采用弹簧振子的原因是利用弹簧振子的弹性抗和质量抗代替赫姆霍兹共振腔的弹性抗和质量抗，从而能够减少构造的容积和厚度，使低频吸声构造具有较小的体积。把具有不同共振频率的吸声单元并联在一起，就可以做出频带较宽的低频吸声构造。由于结构中的全部构件都是采用金属材料制作，因此其防火性能可以满足实际工程中的最高标准。通过进一步将本发明提供的低频宽带吸声构造和阻性的中高频吸声材料结合使用，可做出20Hz-8000Hz的全频带吸声构造，从而能够在降噪工程中有广泛的用途。

综上所述，同现有的低频共振吸声结构相比，本发明所提供的并联弹簧振子吸声结构有如下优点：

1、将多个具有不同共振频率的弹簧振子模块并联，可有效拓宽整个吸声结构的吸声带宽。

2、采用无源噪声控制与有源噪声控制结合的方式，一方面利用阻尼构件消耗由声能转化而来的机械能，另一方面辅以反相次级声源的抵消作用，吸声效率高。

3、全部构件都可以采用金属制作，具有良好的防火性能。

4、弹簧振子模块的频响特性简单，整个吸声结构的幅频特性可以按照噪声频谱进行设计和优化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。