CN109243419B - 一种基于声学超材料技术的通风隔声结构 - Google Patents

一种基于声学超材料技术的通风隔声结构 Download PDF

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Abstract

本公开提出了一种通风隔声结构，包括：一个元胞或者周期性排列的多个元胞(1)；其中，所述元胞包括：第一面板(10)，其中心设有第一开口(101)；第二面板(20)，与所述第一面板相对设置，其中心设有第二开口，与所述第一开口的位置相对；及芯层(30)，位于所述第一面板和第二面板之间，其具有多个声腔流道(301)，所述多个声腔流道与所述第一开口和第二开口连通。本公开通风隔声结构，能够在宽频范围内抑制空气流噪声，具有重量轻、耐高温、防火、耐蒸汽侵蚀和冲击腐蚀的特性。

Description

一种基于声学超材料技术的通风隔声结构
技术领域
本公开涉及通风隔声技术领域，尤其涉及一种基于声学超材料技术的通风隔声结构。
背景技术
随着工业和科学技术的发展，动力机械和电子器械设备得到越来越广泛的应用。然而，机械设备都会伴随产生噪声，而机械设计对通风的要求限制了隔声措施的效果，传统的通风结构几乎不隔声。舱室噪声控制日益受到重视，随着舱室控制新技术的应用，舱内散热通风设备及大型回风口的噪声成为影响舱室噪声的重要来源之一。散热通风设备由于通风散热的需求，传统的隔声结构/材料无法有效的发挥作用，导致运行过程中产生的噪声几乎完全外泄。如何兼顾隔声和通风，成为通风隔声设计面临的挑战。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于声学超材料技术的通风隔声结构，以至少部分解决以上所存在的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种通风隔声结构，包括：一个元胞或者周期性排列的多个元胞；其中，所述元胞包括：
第一面板，其中心设有第一开口；
第二面板，与所述第一面板相对设置，其中心设有第二开口，与所述第一开口的位置相对；及
芯层，位于所述第一面板和第二面板之间，其具有多个声腔流道，所述多个声腔流道与所述第一开口和第二开口连通。
在一些实施例中，所述芯层包括一框架，及位于框架内的多个隔板单元，每个隔板单元包括多个不同长度的隔板，在相邻的隔板之间、及隔板与框架之间形成多个弯曲的不同长度的所述声腔流道。
在一些实施例中，所述框架包括四个侧板，分别为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板，首尾依次相连，围成矩形状；
所述芯层包括一所述框架及位于所述框架内的两个或四个所述隔板单元，每个隔板单元包括一平板和三个弯板。
在一些实施例中，所述芯层包括两个所述隔板单元，分别为第一隔板单元和第二隔板单元，第一隔板单元的多个隔板的一端与所述第一侧板连接，第二隔板单元的多个隔板的一端与所述第三侧板连接；所述第一隔板单元的多个隔板的另一端与所述第二隔板单元的多个隔板的另一端相对。
在一些实施例中，每个所述弯板包括第一延伸部、第二延伸部及连接部，该连接部一端与所述第一延伸部连接，另一端与第二延伸部连接；
所述平板及所述弯板的第一延伸部、第二延伸部均沿平行于第二侧板、第四侧板的方向延伸，所述弯板的连接部沿平行于第一侧板、第三侧板的方向延伸，各弯板通过第一延伸部与侧板连接。
在一些实施例中，第一隔板单元的各弯板的第一延伸部位于第一隔板单元的平板与第二侧板之间的区域，第一隔板单元的各弯板的第二延伸部位于第一隔板单元的平板与第二隔板单元的平板之间的区域；
第二隔板单元的各弯板的第一延伸部位于第二隔板单元的平板与第四侧板之间的区域，第二隔板单元的各弯板的第二延伸部位于第二隔板单元的平板与第一隔板单元的平板之间的区域；
由两隔板单元的所述平板、及两隔板单元的所述弯板的所述另一端部，在所述元胞中心限定一空间，所述声腔流道通过所述空间与所述第一开口及第二开口连通。
在一些实施例中，所述芯层包括四个隔板单元，分别为第一隔板单元、第二隔板单元、第三隔板单元和第四隔板单元；
第一隔板单元的多个隔板的一端与所述第一侧板连接，第二隔板单元的多个隔板的一端与所述第二侧板连接，第三隔板单元的多个隔板的一端与所述第三侧板连接，第四隔板单元的多个隔板的一端与所述第四侧板连接；
所述第一隔板单元的多个隔板的另一端与所述第三隔板单元的多个隔板的另一端相对，所述第二隔板单元的多个隔板的另一端与所述第四隔板单元的多个隔板的另一端相对；
所述四个隔板单元在所述元胞中心限定出一空间，所述声腔流道通过所述空间与所述第一开口及第二开口连通。
在一些实施例中，所述弯板为L型板，其包括一延伸部及与所述一延伸部连接的一连接部；
第一隔板单元和第三隔板单元的所述平板及所述L型板的延伸部均沿平行于第二侧板、第四侧板的方向延伸，所述第一隔板单元和第三隔板单元的所述L型板的连接部沿平行于第一侧板、第三侧板的方向延伸；
所述第二隔板单元和第四隔板单元的所述平板及所述L型板的延伸部均沿平行于第一侧板、第三侧板的方向延伸，所述第二隔板单元和第四隔板单元的所述L型板的连接部沿平行于第二侧板、第四侧板的方向延伸。
在一些实施例中，所述框架、声腔流道截面、第一开口和第二开口呈圆形或多边形。
在一些实施例中，所述元胞的厚度介于6～30mm之间；第一、第二面板的厚度介于0.2～3mm之间；第一、第二面板的开口面积介于100～1000mm2之间；元胞大小介于1650～10000mm2之间；声腔流道宽度Δd介于1～5mm之间；声腔流道的壁厚介于0.5～2.5mm之间。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开一种基于声学超材料技术的通风隔声结构至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本公开通风隔声结构，能够兼顾通风和隔声效果，有效的满足了使用需求。
(2)本公开通风隔声结构基于声学超材料技术，利用板内部结构的精细构建，在内部集成超材料共振单元，能够保证通风性能，同时实现较高的隔声性能。
(3)本发明通风隔声结构，通过将声腔流道在厚度方向上弯曲，实现较小厚度控制较低的声波频率。采用超材料技术的弯曲流道设计，通过设计不同长度的声腔流道，不同流道长度对应控制的不同声波频率，能够在宽频范围内抑制空气流噪声。
(4)采用全金属结构，具有重量轻、耐高温、防火、耐蒸汽侵蚀和冲击腐蚀的特性。
附图说明
图1是本公开通风隔声结构示意图。
图2是本公开通风隔声结构的元胞示意图。
图3是本公开通风隔声结构的元胞***图。
图4是本公开一实施例元胞芯层结构示意图。
图5是图4元胞芯层中的弯板结构示意图。
图6是本公开另一实施例元胞芯层结构示意图。
图7是图6元胞芯层中的弯板结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开宽频通风隔声结构基于声学超材料技术，利用板内部结构的精细构建，通过内部集成超材料共振单元，可在保持原有通风性能不变的前提下，实现较高的隔声性能，通过将声腔流道在厚度方向上弯曲，实现较小厚度控制较低的声波频率，在宽频范围内抑制空气流噪声，较传统通风结构平均隔声量至少提高5dB，具有重量轻、耐高温、防火、耐蒸汽侵蚀和冲击腐蚀的优点。
本公开提供了一种通风隔声结构，如图1-3所示，所述通风隔声结构包括：一个元胞或者周期性排列的多个元胞1；其中，所述元胞包括：
第一面板10，其中心设有第一开口101；
第二面板20，与所述第一面板相对设置，其中心设有第二开口(图未示)，与所述第一开口的位置相对；及
芯层30，位于所述第一面板和第二面板之间，其具有多个流道301，该多个流道与所述第一开口和第二开口连通。
本公开通风隔声结构，空气通过开口结构流通，而声波被声腔流道反射，所以既通风又隔声。
利用板内部结构的精细构建，可在保持原有通风性能不变的前提下，实现较高的隔声性能。
其中，所述芯层包括一框架，及位于框架内的多个隔板单元，每个隔板单元包括多个长度不同的隔板，在相邻的隔板之间、及隔板与框架之间形成多个弯曲的不同长度的所述声腔流道。由此，采用超材料技术的弯曲流道设计，通过设计不同长度的声腔流道，不同流道长度对应控制的不同声波频率，能够在宽频范围内抑制空气流噪声(即超材料技术的宽频隔声)。
隔板的不同长度对应于不同频率声波的控制，隔板长度主要根据元胞的大小及面板的开孔率(开口率)来确定，在元胞的大小及面板的开孔率，隔板的排列方式确定后，隔板长度即可确定。
具体的，所述通风隔声结构可为5×5元胞排列的隔声结构，如图1所示。当然，图1所示5×5元胞排列只是作为一种示例性说明，本领域技术人员应当理解的是，其隔声结构可以采用任意的元胞排列，并不限于5×5元胞排列。
所述通风隔声结构采用全金属结构，所述元胞的厚度介于6～30mm之间；第一、二面板的厚度介于0.2～3mm之间；第一、二面板的开口面积介于100～1000mm2之间；元胞大小介于1650～10000mm2之间；声腔流道宽度Δd介于1～5mm之间；声腔流道的壁厚介于0.5～2.5mm之间。
如图2所示，所述第一开口、第二开口可为矩形孔，元胞可为矩形，隔声结构的厚度为H，第一、二面板的厚度均为d，第一、二面板矩形孔的面积为w×e，元胞的面积为a×b，通风隔声结构的通风率η＝we/(ab)。
在一实施例中，如图4-5所示，所述第一开口、第二开口为方孔；芯层有8条流道与方孔相连。具体的，所述芯层包括一框架，该框架包括四个侧板，分别为第一侧板302、第二侧板303、第三侧板304和第四侧板305，首尾依次相连，围成矩形框架。所述第一侧板和第三侧板相对设置，第二侧板和第四侧板相对设置。
所述芯层还包括两个隔板单元，分别为第一隔板单元和第二隔板单元。每个隔板单元包括由内向外或由外向内排布的多个隔板，多个隔板由内而外长度依次增加。具体到本实施例，每个隔板单元包括一平板306(即第一隔板)和三个弯板307,308,309(分别为第二隔板、第三隔板、第四隔板)。所述平板306、弯板307、弯板308、弯板309的长度依次增加。
两个隔板单元的其中一端分别与两相对的侧板连接，另一端朝向芯层中部，具体的，第一隔板单元的多个隔板的一端与所述第一侧板连接，第二隔板单元的多个隔板的一端与所述第三侧板连接。所述第一隔板单元的多个隔板的另一端与所述第二隔板单元的多个隔板的另一端相对且不接触。
所述平板306位于靠近芯层中部的位置，且两个隔板单元的平板之间具有一间隔。各所述弯板307,308,309呈形，分别围成一开放区域，所述平板306位于所述弯板306围成的区域内，所述弯板306位于弯板307围成的区域内，所述弯板307位于弯板308围成的区域内。每个弯板包括第一延伸部310、第二延伸部311及连接部312，该连接部一端与所述第一延伸部连接，另一端与第二延伸部连接。所述平板306、弯板307的第一延伸部、弯板308的第一延伸部、弯板309的第一延伸部的长度依次增加；所述弯板307的第二延伸部、弯板308的第二延伸部、弯板309的第二延伸部的长度依次增加；所述弯板307的连接部、弯板308的连接部、弯板309的连接部的长度依次增加。
所述平板及所述弯板的第一延伸部均沿平行于第二侧板、第四侧板的方向延伸，所述弯板的第二延伸部沿平行于第二侧板、第四侧板的方向延伸，所述弯板的连接部沿平行于第一侧板、第三侧板的方向延伸。
第一隔板单元的各弯板的第一延伸部位于第一隔板单元的平板与第二侧板之间的区域，第一隔板单元的各弯板的第二延伸部位于第一隔板单元的平板与第二隔板单元的平板之间的区域。第二隔板单元的各弯板的第一延伸部位于第二隔板单元的平板与第四侧板之间的区域，第二隔板单元的各弯板的第二延伸部位于第二隔板单元的平板与第一隔板单元的平板之间的区域。相邻的隔板之间、及侧板与其相邻的隔板之间形成多个弯曲的不同长度的流道301，例如第四侧板305与弯板309之间、第一侧板302与弯板309之间、弯板309与弯板之间308之间、弯板308与弯板之间307之间、弯板307与平板306之间、弯板309与平板306之间等等。
藉由两隔板单元的所述平板、及两隔板单元的所述弯板的所述另一端部，在所述元胞中心限定一空间313。所述空间与所述第一开口及第二开口的位置相对，面积相同。所述流道形成在芯层元胞中芯层除去开口处的空间，且与开口相连。
本实施例中，所述芯层形成有8条流道，其中，所述元胞的厚度H＝12mm；上、下面板的厚度d＝1mm；上、下面板的开口尺寸w＝15mm，e＝15mm；元胞大小a＝52mm，b＝52mm；流道宽度Δd＝3mm；流道的壁厚t＝1mm。每个隔板单元的四个隔板的长度从小到大依次为：33.18mm、48.62mm、65.75mm、82.87mm。
在另一实施例中，如图6-7所示，与前一实施例不同的是，芯层有16条流道与方孔相连。具体的，所述芯层还包括四个隔板单元，每个隔板单元包括多个隔板，多个隔板由内而外长度依次增加。具体到本实施例，每个隔板单元包括一平板314和三个弯板315,316,317。所述平板314、弯板315、弯板316、弯板317的长度依次增加。
第一隔板单元的多个隔板的一端与所述第一侧板302连接，第二隔板单元的多个隔板的一端与所述第二侧板303连接，第三隔板单元的多个隔板的一端与所述第三侧板304连接，第四隔板单元的多个隔板的一端与所述第四侧板305连接。所述第一隔板单元的多个隔板的另一端与所述第三隔板单元的多个隔板的另一端相对，所述第二隔板单元的多个隔板的另一端与所述第四隔板单元的多个隔板的另一端相对。
各隔板单元的平板的一端分别与各侧板连接，另一端延伸至靠近芯层中心的位置，且相互之间具有间隔；各弯板位于相邻的两个侧板以及与这两个侧板分别相连接两个平板限定出的弯板区域内，且相互之间具有间隔。
所述弯板为L型板，其包括一延伸部318及与所述第一延伸部连接的一连接部319。其中，第一隔板单元和第三隔板单元的所述平板及所述L型板的延伸部均沿平行于第二侧板、第四侧板的方向延伸，所述第一隔板单元和第三隔板单元的所述L型板的连接部沿平行于第一侧板、第三侧板的方向延伸。所述第二隔板单元和第四隔板单元的所述平板及所述L型板的延伸部均沿平行于第一侧板、第三侧板的方向延伸，所述第二隔板单元和第四隔板单元的所述L型板的连接部沿平行于第二侧板、第四侧板的方向延伸。所述平板314、弯板315的第一延伸部、弯板316的第一延伸部、弯板317的第一延伸部的长度依次增加；所述弯板315的连接部、弯板316的连接部、弯板317的连接部的长度依次增加。
相邻的隔板之间、及侧板与其相邻的隔板之间形成多个弯曲的不同长度的流道。四个隔板单元在所述元胞中心限定出一空间，所述空间与所述第一开口及第二开口的位置相对，面积相同。所述流道形成在芯层元胞中芯层除去开口处的空间，且与开口相连。
本实施例中，所述芯层形成有16条流道，其中，所述元胞整体厚度H＝12mm；上、下面板厚度d＝1mm，上、下面板中心方孔尺寸w＝15mm，e＝15mm；元胞大小a＝52mm，b＝52mm；流道宽度Δd＝3mm；流道的壁厚t＝1mm。每个隔板单元的四个隔板的长度从小到大依次为17.5mm、24.9mm、33.25mm、41.62mm。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
在元胞的空间限制下，所述流道的数量并不限于8个或16个，可以根据流道宽度和长度开展设计，流道的截面可以为圆形、三角形、正方形等。
所述隔板单元的数量不限于两个或四个，各隔板单元的所述隔板的数量也不限于一个平板及三个弯板，弯板也不限于形或L形。
所述面板、芯层、开口的形状也不限于矩形，还可以为其他形状，例如圆形、三角形、六边形等。
当然，根据实际需要，本公开方法还包含其他的步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种通风隔声结构，包括：一个元胞或者周期性排列的多个元胞(1)；其中，所述元胞采用全金属结构，包括：
第一面板(10)，其中心设有第一开口(101)；
第二面板(20)，与所述第一面板相对设置，其中心设有第二开口，与所述第一开口的位置相对；及
芯层(30)，位于所述第一面板和第二面板之间，其具有多个声腔流道(301)，所述多个声腔流道与所述第一开口和第二开口连通；
所述芯层包括一框架，及位于框架内的多个隔板单元，每个隔板单元包括多个不同长度的隔板，在相邻的隔板之间、及隔板与框架之间形成多个弯曲的不同长度的所述声腔流道；
所述框架包括四个侧板，分别为第一侧板(302)、第二侧板(303)、第三侧板(304)和第四侧板(305)，首尾依次相连，围成矩形状；
所述芯层包括一所述框架及位于所述框架内的两个或四个所述隔板单元，每个隔板单元包括一平板(306；314)和三个弯板(307,308,309；315,316,317)；
所述芯层包括两个所述隔板单元，分别为第一隔板单元和第二隔板单元，第一隔板单元的多个隔板的一端与所述第一侧板连接，第二隔板单元的多个隔板的一端与所述第三侧板连接；所述第一隔板单元的多个隔板的另一端与所述第二隔板单元的多个隔板的另一端相对；
每个所述弯板(307,308,309)包括第一延伸部(310)、第二延伸部(311)及连接部(312)，该连接部一端与所述第一延伸部连接，另一端与第二延伸部连接；
所述平板(306)及所述弯板(307,308,309)的第一延伸部、第二延伸部均沿平行于第二侧板、第四侧板的方向延伸，所述弯板的连接部沿平行于第一侧板、第三侧板的方向延伸，各弯板通过第一延伸部与侧板连接。
2.根据权利要求1所述的通风隔声结构，其中，
第一隔板单元的各弯板的第一延伸部位于第一隔板单元的平板与第二侧板之间的区域，第一隔板单元的各弯板的第二延伸部位于第一隔板单元的平板与第二隔板单元的平板之间的区域；
第二隔板单元的各弯板的第一延伸部位于第二隔板单元的平板与第四侧板之间的区域，第二隔板单元的各弯板的第二延伸部位于第二隔板单元的平板与第一隔板单元的平板之间的区域；
由两隔板单元的所述平板、及两隔板单元的所述弯板的所述另一端部，在所述元胞中心限定一空间(313)，所述声腔流道通过所述空间与所述第一开口及第二开口连通。
3.根据权利要求1所述的通风隔声结构，其中，
所述芯层包括四个隔板单元，分别为第一隔板单元、第二隔板单元、第三隔板单元和第四隔板单元；
第一隔板单元的多个隔板的一端与所述第一侧板连接，第二隔板单元的多个隔板的一端与所述第二侧板连接，第三隔板单元的多个隔板的一端与所述第三侧板连接，第四隔板单元的多个隔板的一端与所述第四侧板连接；
所述第一隔板单元的多个隔板的另一端与所述第三隔板单元的多个隔板的另一端相对，所述第二隔板单元的多个隔板的另一端与所述第四隔板单元的多个隔板的另一端相对；
所述四个隔板单元在所述元胞中心限定出一空间，所述声腔流道通过所述空间与所述第一开口及第二开口连通。
4.根据权利要求3所述的通风隔声结构，其中，
所述弯板(315,316,317)为L型板，其包括一延伸部(318)及与所述一延伸部连接的一连接部(319)；
第一隔板单元和第三隔板单元的所述平板(314)及所述L型板的延伸部均沿平行于第二侧板、第四侧板的方向延伸，所述第一隔板单元和第三隔板单元的所述L型板的连接部沿平行于第一侧板、第三侧板的方向延伸；
所述第二隔板单元和第四隔板单元的所述平板及所述L型板的延伸部均沿平行于第一侧板、第三侧板的方向延伸，所述第二隔板单元和第四隔板单元的所述L型板的连接部沿平行于第二侧板、第四侧板的方向延伸。
5.根据权利要求1所述的通风隔声结构，其中，所述框架、声腔流道截面、第一开口和第二开口呈圆形或多边形。
6.根据权利要求1所述的通风隔声结构，其中，所述元胞的厚度介于6～30mm之间；第一、第二面板的厚度介于0.2～3mm之间；第一、第二面板的开口面积介于100～1000mm2之间；元胞大小介于1650～10000mm2之间；声腔流道宽度Δd介于1～5mm之间；声腔流道的壁厚介于0.5～2.5mm之间。
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