一种连续梯度吸声结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种连续梯度吸声结构，包括吸声材料本体以及开设在其内部的吸声孔，在吸声材料内部使得孔的直径沿声波入射方向线性减小，进而实现孔隙率在声波入射方向的线性减小；本发明涉及的连续梯度结构在实施时大孔径一侧朝向噪声源，声波更容易进入连续梯度结构吸声材料；连续梯度结构的孔径不一，有更多的共振频率，可以在更宽的频率范围内取得较好的吸声效果；此外，该连续梯度结构中声波传播路径复杂，使得声波在连续梯度结构吸声材料中更容易发生能量耗散，从而提高具有连续梯度结构的材料的高效吸声频率范围和低频吸声效果。
【专利说明】
一种连续梯度吸声结构
技术领域
[0001]本发明涉及一种吸声结构，具体涉及一种能够提高吸声性能的连续梯度吸声结构。
【背景技术】
[0002]噪声是当今世界三大污染源之一，一方面噪声危害人的听觉系统，使人易感疲倦、耳聋；另一方面，随着生活水平的提高，人们越来越注重环境质量，噪声也成为环境治理过程中备受关注的热点问题。世界卫生组织的数据指出在欧洲环境噪声已经成为仅次于空气污染的第二大疾病诱因[Moszynski P.WHO warns noise pollut1n is a growinghazard to health in Europe[J].BMJ，2011，342:d2114.]。此外噪声会加速建筑物、机械结构的老化，影响设备及仪表的精度和使用寿命。
[0003]目前对噪声的防治措施之一是采用吸声材料。一般把平均吸声系数大于0.2的材料称为吸声材料，平均吸声系数大于0.56的材料称为高效吸声材料。吸声材料按吸声机理可分为多孔吸声材料和共振吸声结构材料两大类。目前，多孔吸声材料由于取材范围广，加工制造工艺相对简单，所以多孔吸声材料成为目前应用最广泛的吸声材料，但多孔吸声材料低频吸声性能一般较差、高效吸声频率范围不够宽[Arenas J P1Crocker M J.Recenttrends in porous sound-absorbing materials[J].Sound&vibrat1n,2010,44(7):12-18.]。共振吸声结构材料的低频吸声性能好，但高频吸声性能差。如申请号为200610023242.8的“微孔吸声结构”发明专利仅满足低频吸声要求；申请号为201320705567.X的“吸声结构”实用新型专利，是由共振板与吸声材料构成的质量弹簧共振结构，但仅在50-400HZ有较好的吸声效果；申请号为201420251826.0的“低频吸声结构”实用新型专利适用于500Hz以下的低频范围；申请号为201410448937.5的“一种复合吸声结构”发明专利利用共振结构，适用于低频吸声；申请号为201210149680.4的“一种轻质多功能复合结构”发明专利，可将共振吸声频率向低频方向偏移。
[0004]文南犬[Wernera J,Linner-Krmara B,Friess ff ,et al.Mechanical propertiesand in vitro cell compatibility of hydroxyapatite ceramics with graded porestructure.[J].B1materials,2002,23(23):4285-94.]制作出了一种阶跃梯度结构。申请号为201510620089.6的“一种全频段吸声针刺非织造复合结构材料及其制备方法”发明专利，采用密度梯度配置针刺非织造结构材料，这种阶跃梯度结构取得了优异于普通针刺非织造结构材料的吸声效果，但高效吸声频率范围仍然较窄，具体实施例测试频率范围仅为125-2500HZ。这些结构高效吸声频率范围不够宽。
【发明内容】
[0005]为解决上述现有技术的不足之处，本发明提供一种能够提尚材料尚效吸声频率范围、低频吸声效果的连续梯度吸声结构。
[0006]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0007]—种连续梯度吸声结构，包括吸声材料本体以及开设在其内部的吸声孔，所述的吸声孔的直径沿声波入射方向线性减小，进而实现孔隙率在声波入射方向线性减小，声波入射沿吸声材料本体厚度增加方向，即孔隙率Φ随吸声材料本体厚度L的增大而线性减小，吸声孔的直径D随吸声材料本体厚度L的增大而线性减小:
[0008]φ =Fi(L)
[0009]D=F2(L)
[0010]式中,F1表示线性函数，内表示线性函数。
[0011]所述的吸声孔相互贯通并且与相邻的吸声孔相对独立或部分重叠。
[0012]所述的吸声孔相互贯通指孔与其相邻的一个或多个孔相互贯通。
[0013]所述的吸声孔为球形孔。
[0014]所述的吸声孔直径为0.4mm-3mm。
[0015]本发明所采用的技术方案是在实体材料内部采用连续梯度多孔结构。这种结构是在实体材料内部使得孔的直径沿实体材料厚度增加方向线性减小，进而实现孔隙率在厚度增加方向的线性减小。这些孔隙是相互贯通并且孔与孔之间有可能出现部分重叠。这样得到的结构在本发明中称为连续梯度吸声结构。
[0016]本发明涉及的连续梯度结构在实施时大孔径一侧朝向噪声源，反射声波更少，更多声波进入吸声材料，有助于提高吸声系数。连续梯度结构的孔径不一，有更多的共振频率，可以在更宽的频率范围内取得较好的吸声效果。此外，声波在连续梯度结构吸声材料中的传播路径较阶跃梯度结构吸声材料、无梯度结构吸声材料复杂，使得声波在连续梯度结构吸声材料中更容易发生能量耗散，从而使具有连续梯度结构的材料较阶跃梯度结构吸声材料、无梯度结构材料高效吸声频率范围更宽、低频吸声效果更好。
【附图说明】
[0017]图1是本发明的整体结构示意图。
[0018]图2是本发明实施例1的连续梯度结构吸声材料孔隙率及内部孔径在厚度增加方向的变化。
[0019]图3是本发明实施例1涉及的阶跃梯度结构吸声材料示意图。
[0020]图4是本发明实施例1涉及的连续梯度结构吸声材料、阶跃梯度结构吸声材料和无梯度结构吸声材料吸声系数随测试频率的变化图。
[0021 ]图5是本发明实施例2涉及的连续梯度结构吸声材料、阶跃梯度结构吸声材料和无梯度结构吸声材料吸声系数随测试频率的变化图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明提供的连续梯度结构进一步说明。
[0023]本发明实施例中涉及的连续梯度结构吸声材料的制备材料采用光敏树脂，制备工艺采用3D打印；但制备材料不局限于光敏树脂，制备工艺不局限于3D打印。
[0024]实施例1:
[0025]如图1所示，本实施例中连续梯度结构吸声材料整体外形为圆柱形，样品直径为29.8mm，厚度为30mm。包括吸声材料本体I以及开设在其内部的吸声孔2，所述的吸声孔2的直径沿吸声材料本体I厚度增加方向线性减小，进而实现孔隙率在吸声材料本体厚度增加方向上线性减小，孔隙率为0.6。其孔隙率及内部孔径在厚度增加方向的变化如图2所示，该连续梯度结构吸声材料的梯度体现在沿厚度增加方向孔隙率是线性减小的，孔隙率的减小是通过其内部孔径的减小得到的，沿厚度增加方向孔径线性改变，最大孔径为2mm，最小孔径为0.8mm。连续梯度结构吸声材料孔隙率Φ与吸声材料本体厚度L的关系式为:
[0026]φ =0.66027-0.01407XL,
[0027]吸声孔的直径D与样品厚度L的关系式为:
[0028]D = 1.81264-0.03936 XL。
[0029]阶跃梯度结构吸声材料整体外形为圆柱形，样品直径为29.8mm，厚度为30mm。如图3所示，该阶跃梯度结构吸声材料由3个孔隙率分别为0.5、0.6、0.7且厚度均为1mm的无梯度结构吸声材料组成，其中无梯度结构吸声材料指均匀孔结构吸声材料。实施例1中无梯度结构吸声材料整体外形为圆柱形，样品直径为29.8mm，厚度为30mm。该无梯度结构吸声材料孔直径均为1.4mm，孔隙率为0.6。
[0030]采用北京声望声电技术有限公司制造的SW477型阻抗管测试实施例1涉及的连续梯度结构吸声材料、阶跃梯度结构吸声材料和无梯度结构吸声材料的吸声系数。测试频率范围为1000-6300HZ。测试连续梯度结构吸声材料时，连续梯度结构吸声材料的大孔径一侧朝向SW477型阻抗管的声源。
[0031]图4为相同外形(样品直径为29.8mm且厚度为30mm)、相同孔隙率(0.6)时，连续梯度结构吸声材料、阶跃梯度结构吸声材料和无梯度结构吸声材料的吸声系数随频率的变化图。其中，GtPC-0.6-30mm表示连续梯度结构吸声材料，总的孔隙率为0.6，厚度为30mm；GdPC-0.6-30mm表示阶跃梯度结构吸声材料，总的孔隙率为0.6，厚度为30mm; UPC-0.6_30mm表示无梯度结构吸声材料，孔隙率为0.6，厚度为30mm。频率为1800Hz左右时，连续梯度结构吸声材料达到第一个吸声系数峰值，而无梯度结构吸声材料在2200Hz才达到第一个峰值，即连续梯度结构吸声材料具有更好的低频吸声效果。图4中连续梯度结构吸声材料可以明显看到2个峰值，而无梯度结构吸声材料只有I个峰值。这意味着，在特定的频率范围内，连续梯度结构吸声材料可能有更多的吸声系数峰值，即吸声频率更宽。当频率大于1500Hz后，图4显示连续梯度结构吸声材料的吸声系数低值为0.6左右，是高效吸声材料;而无梯度结构吸声材料的吸声系数低值为0.25左右，仅为一般吸声材料。此外，连续梯度结构吸声材料整体吸声性能优于阶跃梯度结构吸声材料;阶跃梯度结构吸声材料的优异性能较无梯度结构吸声材料体现在2600Hz以上的高频段。
[0032]实施例2:
[0033]本实施例中连续梯度结构吸声材料整体外形为圆柱形，样品直径为29.8mm，厚度为20mm。该连续梯度结构吸声材料内部孔径在厚度增加方向线性减小，总的孔隙率为0.6。该连续梯度结构吸声材料的最大孔径为2 mm，最小孔径为0.8 mm。阶跃梯度结构吸声材料整体外形为圆柱形，样品直径为2 9.8 mm，厚度为2 O mm。该阶跃梯度结构吸声材料由3个孔隙率分别为0.5、0.6、0.7且厚度均为6.7_的无梯度结构吸声材料组成。无梯度结构吸声材料整体外形为圆柱形，样品直径为29.8mm，厚度为20mm。该无梯度结构吸声材料孔直径均为1.4mm，孔隙率为0.6。
[0034]采用SW477型阻抗管测试实施例2的连续梯度结构吸声材料、阶跃梯度结构吸声材料和无梯度结构吸声材料的吸声系数。测试频率范围为1000-6300HZ。
[0035]图5为实施例2涉及的连续梯度结构吸声材料、阶跃梯度结构吸声材料和无梯度结构吸声材料的吸声系数随频率的变化图。其中，GtPC-0.6-20mm表示连续梯度结构吸声材料;GdPC-0.6-20mm表示阶跃梯度结构吸声材料;UPC-0.6_20mm表示无梯度结构吸声材料。图5显示连续梯度结构吸声材料在2300Hz达到第一个吸声系数峰值而无梯度结构吸声材料在3200Hz达到第一个峰值。当频率大于1700Hz后，连续梯度结构吸声材料的低值约为0.4，无梯度结构吸声材料的吸声系数低值约为0.25。此外，连续梯度结构吸声材料整体吸声性能优于阶跃梯度结构吸声材料;阶跃梯度结构吸声材料较无梯度结构吸声材料的优异性能体现在3700Hz以上的高频段。
[0036]通过以上叙述可知，本发明通过在实体材料内部设置连续梯度结构获得连续梯度结构吸声材料。实施例1、实施例2均表明本发明涉及的连续梯度结构可以耗散更多的声波能量，提高结构吸声材料的高效吸声频率范围。相同外形、相同孔隙率时，连续梯度结构吸声材料较阶跃梯度结构吸声材料、无梯度结构吸声材料的低频吸声效果更好。
【主权项】
1.一种连续梯度吸声结构，其特征在于:包括吸声材料本体以及开设在其内部的吸声孔，所述的吸声孔的直径沿声波入射方向线性减小，进而实现孔隙率在声波入射方向线性减小，声波入射沿吸声材料本体厚度增加方向，即孔隙率Φ随吸声材料本体厚度L的增大而线性减小，吸声孔的直径D随吸声材料本体厚度L的增大而线性减小: Φ =Fi(L)D = F2(L) 式中，示线性函数，内表示线性函数。2.根据权利要求1所述的连续梯度吸声结构，其特征在于:所述的吸声孔相互贯通并且与相邻的吸声孔相对独立或部分重叠。3.根据权利要求2所述的连续梯度吸声结构，其特征在于:所述的吸声孔相互贯通是指孔与其相邻的一个或多个孔相互贯通。4.根据权利要求1所述的连续梯度吸声结构，其特征在于:所述的吸声孔为球形孔。5.根据权利要求1所述的连续梯度吸声结构，其特征在于:所述的吸声孔直径为0.4mm-3mm ο
【文档编号】G10K11/172GK106098050SQ201610398511
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】屈治国, 张秀海
【申请人】西安交通大学