CN103943101A - 消声水池声学吸声模块 - Google Patents

Abstract

消声水池声学吸声模块，安装板上设有多个圆锥尖劈，所述安装板为聚氯乙烯硬质塑料板，所述圆锥尖劈为吸声橡胶。本发明消声水池声学吸声模块，解决了消声水池宽频带吸声难题，能在2KHz～200KHz频段内用于消声水池、并实现有效吸声。

Description

消声水池声学吸声模块

技术领域

本发明一种消声水池声学吸声模块，能在较宽的频段范围内实现有效地吸声。

背景技术

通常水声测量属于自由远场测量，对自由场有着很复杂的要求。天然的开阔水域比如：湖泊、江河、大型水库、海港湾等都可用于自由场测量。但是，天然水域受气候环境等自然因素影响很大，并且测量平台安装复杂，成本较高。因而建造人工消声水池仍然是目前绝大多数从事水声研究及水声设备生产的科研单位和工厂的必然选择。但随着水声设备的使用频段分别向高、低频拓展，如何在更宽的频段范围内实现有效地吸声，成为消声水池建造的一个重要技术课题。

发明内容

本发明提供一种消声水池声学吸声模块，解决了消声水池宽频带吸声难题，能在2KHZ～200KHZ频段内用于消声水池、并实现有效吸声。

本发明采取的技术方案为：消声水池声学吸声模块，安装板上设有多个圆锥尖劈，所述安装板为聚氯乙烯硬质塑料板，所述圆锥尖劈为吸声橡胶。

圆锥尖劈按每平方米200根均匀排列分布在安装板上。所述圆锥尖劈包括较长圆锥尖劈、较短圆锥尖劈，所述较长圆锥尖劈、较短圆锥尖劈等间距交错分布在安装板上。

所述较短圆锥尖劈底面圆直径φ为37mm，长度：335mm。较长圆锥尖劈底面圆直径φ为50mm，长度：470mm。

所述圆锥尖劈由圆柱部分和圆锥体部分构成。

本发明消声水池声学吸声模块，能在2KHZ～200KHZ频段内用于消声水池实现有效吸声。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明立体结构示意图；

图2为本发明侧视结构示意图；

图3为本发明圆锥尖劈剖面示意图；

图4为渐变吸收层示意图。

具体实施方式

尽管吸声尖劈声场理论研究已有很长的历史，但至今还没有建立严格的声场理论，这是因为其界面的不规则性，严格的波动理论很难给出精确解，只能作近似计算。近似计算的方法是在横截面上把尖劈材料与周围媒质的特性阻抗等声学参量，按面积计权作某种平均后，得出等效吸收层的相应量，然后根据渐变层理论来处理。即将渐变吸收层的反射问题作为一个波动方程的定解加以研究。比较有名的就是WKB近似。现以渐变吸收层的反射系数的近似式为基础，推导圆锥尖劈反射系数的表达式。

如图3所示，L为圆锥总产度，d为端头直径，L1为椎体部分长度。

根据WKB判据，如果满足则渐变吸收层在x=0处（见图4）的反射系数为：

（1-1）

式中：

其中：K表示体积压缩系数，k表示圆波数。

当圆锥尖劈的切弹性变可以忽略不计时，吸声圆锥所等效的渐变吸声层为：

式中：n(x)=(xl₁)²=u²。u为过渡函数，是圆锥尖劈过渡部分的截面积与圆锥尖劈的底面积之比，它是唯一决定过渡区域变化快慢的参数。对于圆锥尖劈有：ρ′(0)=0，于是式（1-1）变为

$V=\frac{\left[\frac{k_0-K_{\left(0\right)}}{k_0+K_{\left(0\right)}}\right]\±e^{2l{\∫}_0^{l}K\left(x\right)\mathrm{dx}}}{1\±\left[\frac{k_0-K_{\left(0\right)}}{k_0+K_{\left(0\right)}}\right]e^{2l{\∫}_0^{l}K\left(x\right)\mathrm{dx}}}---(1-4)$

其中: $K^2\left(x\right)=\frac{1}{L_1^2}\left\{{\left(k_0{L}_1\right)}^2\right[1+A\′u+B\′u^4]+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1/{\mathrm{\ρ}}_0-1}{1+({\mathrm{\ρ}}_1/{\mathrm{\ρ}}_0-1)u^2}-3\frac{{({\mathrm{\ρ}}_1/{\mathrm{\ρ}}_0-1)}^2}{{[1+]({\mathrm{\ρ}}_1/{\mathrm{\ρ}}_0-1u^2)}^2}\}$

$k^2\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c^2\left(x\right)}$

式中：ρ——表示密度;

ρ₀c₀——传播介质的声阻抗；

ρ₁c₁——圆锥尖劈的声阻抗；

$u=\frac{x}{L_1};$

$A\′=(\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0^2}{{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1^2}-1)+(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_0}-1);$

$B\′=(\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0^2}{{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1^2}-1)+(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_0}-1);$

对于水声尖劈满足于是，反射系数简化为为：

$\left|V\right|=\exp \{-\mathrm{Im}[2{\∫}_0^{L}K\left(x\right)\mathrm{dx}\left]\right\}---(1-5)$

对于式（1-3）是在0<x<L₁连续渐变层变化得出的，在L₁<x<L，也近似成立，经积分计算，则：

$\left|V\right|=\exp \{-\left(k_0{L}_1\right)\mathrm{Im}[\sqrt{A\&prime;+1}+\frac{1}{\sqrt{A}}\ln (\sqrt{A\&prime;}+\sqrt{A\&prime;+1})+2\frac{k_1}{k_0}\left(\frac{L-L_1}{L_1}\right)\left]\right\}---(1-6)$

消声水池声学吸声模块设计原理：

对于消声水池来说，性能优良的吸声器显然是保证其吸声效果的必要前提，但是吸声器的合理布放，从而达到最佳的阻抗匹配，是实现水池宽频带吸声的重要手段。这可以解释为，在低频情况，波长大于单个锥体截面的尺寸和他们之间的距离，因而介质的等效压缩系数的数值随着单位面积中吸声材料所占面积的百分比而改变，因而选用不同材料、适当形状、大小的吸声体以及适当密度的分布便可实现阻抗匹配，使结构面上的反射波很弱；在高频情况，声吸收可用声波在带损耗壁的波导中传播的衰减来解释。由于锥体把介质分隔成许多孔道，声波在其中传播时引起壁的振动和形变，从而产生强烈的吸声作用。从上述分析可以知道，由吸声圆锥组成的宽频带吸声模块，其下限频率由圆锥长度决定，而上限频率则由圆锥之间的距离决定。

依据以上机理，本发明消声水池声学吸声模块，如图1所示，安装板1上设有多个圆锥尖劈2，所述安装板1为聚氯乙烯硬质塑料板，所述圆锥尖劈2为吸声橡胶。

所述圆锥尖劈2包括较长圆锥尖劈2.1、较短圆锥尖劈2.2，所述较长圆锥尖劈2.1、较短圆锥尖劈2.2等间距、交错分布在安装板1上。

所述较短圆锥尖劈2.2底面圆直径φ为37mm，长度：335mm。所述较长圆锥尖劈2.1底面圆直径φ为50mm，长度：470mm。

所述较长圆锥尖劈2.1、较短圆锥尖劈2.2均由：圆柱部分和圆锥体部分构成，

如图2所示。

上述两种不同规格尺寸的方案可以组合设计，即较长圆锥尖劈2.1、较短圆锥尖劈2.2按每平方米各200根混合均匀排列，组合设计后的吸声模块满足2KHz～200KHz频段内的吸声要求。

本发明消声水池声学吸声模块，吸声频段为从2KHz～200KHz。其吸声性能实测值见下表：

频率（kHz）	吸声系数	频率（kHz）	吸声系数
				2.0	0.989	25	0.992
2.5	0.991	31.5	0.997
				3.15	0.996	40	0.995
4.0	0.992	50	0.998

5.0	0.993	63	0.999
				6.3	0.994	80	0.999
8.0	0.993	100	0.997
				10.0	0.994	125	0.999
12.5	0.991	160	0.996
				16.0	0.992	180	0.973
20.0	0.995	200	0.955

Claims (7)

1.消声水池声学吸声模块，其特征在于，安装板（1）上设有多个圆锥尖劈（2），所述安装板（1）为聚氯乙烯硬质塑料板，所述圆锥尖劈（2）为吸声橡胶。

2.根据权利要求1所述消声水池声学吸声模块，其特征在于，圆锥尖劈（2）按每平方米200根均匀排列分布在安装板（1）上。

3.根据权利要求1或2所述消声水池声学吸声模块，其特征在于，所述圆锥尖劈（2）包括较长圆锥尖劈（2.1）、较短圆锥尖劈（2.2），所述较长圆锥尖劈（2.1）、较短圆锥尖劈（2.2）等间距交错分布在安装板（1）上。

4.根据权利要求3所述消声水池声学吸声模块，其特征在于，所述较短圆锥尖劈（2.2）底面圆直径φ为37mm，长度：335mm。

5.根据权利要求3所述消声水池声学吸声模块，其特征在于，所述较长圆锥尖劈（2.1）底面圆直径φ为50mm，长度：470mm。

6.根据权利要求1或2所述消声水池声学吸声模块，其特征在于，所述圆锥尖劈（2）由圆柱部分和圆锥体部分构成。

7.如权利要求1～6任意一项所述消声水池声学吸声模块，在2KHZ～200KHZ频段内用于消声水池吸声。