透气声学超吸收装置和屏障的制作方法

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本公开涉及吸声装置，具有透气、通风并保持高吸收系数的能力。


背景技术：

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已披露技术的杂化薄膜共振吸声器（hybrid membrane resonator）形成的声学超吸收（extraordinary acoustic absorber）装置如图1a所示，包括不透气的弹性薄膜101，所述膜上附配重片102，所述膜的边界固定并封住由固体结构103构成的密封腔104的开口。附配重片的膜固定在开口的框边上，构成配重薄膜共振器（decorated membrane resonator）。空气和水这样的流体是无法穿过薄膜和所述固体结构的。使用已披露技术所制造的杂化薄膜共振吸声器的薄膜不透气，空气密封在腔体里面。然而，在许多实际应用中，环境的温度有着非常广的变化范围，从冬天的-40度到夏天太阳直射时的70多度。外界空气温度的变化会改变腔体内密封气体的压强，使薄膜两侧的压力平衡被打破，导致薄膜的预张力变化和吸声频率的漂移。如果杂化薄膜共振吸声器的薄膜能够透气，腔体内的空气与环境大气可以直接相通，那么无论环境温度如何变化，薄膜两边的压力平衡和薄膜原始的预张力都能够得以保持。此外，若使用由已披露技术的透气杂化薄膜共振吸声器装置的二维阵列构成的大面积噪声吸收壁（图1b），则该壁是完全不透气的。另一种全吸收的现有装置可以提供良好的通风能力（图1c），但它们需要围绕通风道的大型侧结构。所述结构包括通风通道105，构成所述通道部分侧壁的配重薄膜共振器106、107，并封住背腔108、109。所述背腔成为围绕通风道的大型侧结构。因此，由这种装置的二维阵列构成的吸声壁的相当部分表面为硬板，与透气杂化薄膜共振吸声器装置相比，其吸收声音比较差，所以这样的吸声壁虽然可以通风，但只有部分面积是完美吸收的，整体上达不到完整的完美吸收。
[0003]
我们首先确定可能用在透气杂化薄膜共振吸声器上的透气膜。图2a所示为不透气弹性膜（曲线201）、带有许多小孔的穿孔刚性板（曲线202）、和弹性穿孔膜的透射谱（曲线203）的理论声波透射谱。如不透气的典型配重薄膜共振器那样，曲线201具有几个共振和反共振。曲线202除了由多孔板小孔的空气通道声音泄漏外，没有其它的共振特征。曲线203表现出具有共振和反共振的弹性膜的特征，以及由于空气通道而产生的声音泄漏的特征。现有文献和已披露技术证明穿孔刚性板不适用于透气杂化薄膜共振吸声器，因此具有透气膜的透气杂化薄膜共振吸声器的唯一剩余候选是弹性穿孔膜（elastic perforated membranes）。另一方面，如果渗透率太高（孔太多和/或孔太大），其声音泄漏效益会掩盖弹性穿孔膜弹性结构的共振和反共振效应，这些效应决定了弹性穿孔膜的声阻抗。


技术实现要素：

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使用透气的薄膜构造杂化薄膜共振吸声器成为透气声学超吸收装置。弹性薄膜上的微孔为装置提供透气性，杂化薄膜共振吸声器背板上的小孔则使装置前后同时通风。这里使用了两层透气薄膜，一层膜被拉伸，使其加有预应力，但膜的空洞因此被拉大，透气太大。这一问题由第二层不拉伸的膜解决，以降低漏音。若有需要，可加几层不拉伸的膜来减
低漏音。（若拉伸的膜已具有良好的减低漏音的效果，也可只用一层膜。）两层间通过质量块或者小片进行刚性连接，二者的振动得以同步。薄膜和通风的腔体耦合的振动模式决定吸声的频率，可通过腔体的体积和弹性膜的张力来进行调节。
附图说明
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图1a是传统杂化薄膜共振吸声器图示。
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图1b是杂化薄膜共振吸声器吸声墙。
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图1c是现有杂化薄膜共振吸声器通风隔音装置。
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图2a是不透气膜、穿孔刚性板、穿孔膜三者的透射系数谱。
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图2b是双层透气配重薄膜共振器的侧剖视图。
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图2c是双层透气配重薄膜共振器实物照片。
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图3a是不透气配重薄膜共振器的实验透射及反射曲线。
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图3b为从图3a曲线中提出的样品表面阻抗实部及虚部曲线。
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图3c是40mm及50mm深度背腔的透气杂化薄膜共振吸声器声反射曲线。
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图3d是从图3c中提取出的两个样品表面声阻抗实部及虚部曲线。图3e是从图3d 中提取出的在全吸收频率附近的两个样品表面声阻抗实部及虚部曲线。
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图4a是腔后背面板有若干个洞的透气杂化薄膜共振吸声器的反射谱。
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图4b是对应图4a中样品的表面阻抗曲线。
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图4c是对应图4a中样品的透射谱。
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图4d是后背面板有六个洞的透气杂化薄膜共振吸声器经过腔体积微调优化后的反射谱，其中431为正面（透气配重薄膜共振器面）入射的反射谱，432是反面（腔后背面板）入射的反射谱。插图是样品的照片，其右下角的小照片显示了打孔的背面。
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图4e是对应图4d中样品的威利斯（willis）系数，其中433为实部，434为虚部。
具体实施方式
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本发明采用尼龙布作为弹性穿孔膜，但这并不是唯一的材料，使用其它 类似的材料也能达到相同的目的。一种双层膜结构如图2b所示，它用于构成透 气配重薄膜共振器(air permeable decorated membrane resonator)。其中一层弹 性穿孔膜204轻微拉伸，使得它仍然可以有足够的密度来保持较小的空气缝隙， 使穿透率不会太高而引起声音的大量泄漏；另一层弹性穿孔膜205则充分拉伸以 提供必要的预张力。两个膜通过一个小的刚性片206相连接，以使它们的振动相 互耦合。所述膜的边界固定在实质上刚性的框架207上，构成一种透气性配重薄 膜共振器。所述共振器同时具有良好的透气性和弹性。拉伸较小的膜控制透气性， 使膜保持原始渗透性。另一个充分拉伸的膜提供弹性而不必担心膜的穿孔率太大 而掩盖透气配重薄膜共振器的共振和反共振特征。图2c是一个透气配重薄膜共 振器的实物照片。所述透气配重薄膜共振器被安装在具有30mm
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30mm截 面积的空腔的一端，空腔的长度可在20mm到50mm之间调节。理想的空腔壁 足够坚硬、厚实，具有极高的隔音效能。
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就工作原理而言，本发明中用于反射和透射测量的实验装置与之前使用的是相同的。其中阻抗管的内部正方形截面边长为5厘米，因此系统的截止频率约为我们之前工作中
使用的频率的两倍，达到3000hz以上。
[0022]
作为对比，首先表述基于已披露技术的现有杂化薄膜共振吸声器装置的测量结果。杂化薄膜共振吸声器装置的配重薄膜共振器 由 60 mm 直径、0.02 毫米厚的pvc膜，中间粘了一片6毫米直径、重130毫克的硬片构成 。图3a中曲线301是配重薄膜共振器的透射谱，其中配重薄膜共振器的第一、第二个共振模态在310hz和810hz形成两个透射峰，它们之间的反共振态在460hz形成一个透射谷。杂化薄膜共振吸声器装置背腔的直径为60 mm、长30 mm。该装置的实验反射谱如图3a里的302曲线表示。可以清楚地看到在368hz的反射谷，最小值为0.3。其频率如已披露技术的典型杂化薄膜共振吸声器装置那样，在配重薄膜共振器的透射谱所显示的第一共振频率和第一反共振频率之间。使用公式，从反射谱中提取的归一化表面阻抗z
re
如图3b所示。它是典型的杂化薄膜共振吸声器阻抗谱，z
re
的实部311从80以上下降到接近零，而z
re
的虚部312在370hz附近越过零线313。 当两者在几乎相同的频率穿过零线时，反射降至最小。如果调节腔体积以微调z
re
，可使阻抗的实部和虚部以相同频率穿过零线，从而实现反射无限接近零的完美吸收。
[0023]
图3c显示了含有透气配重薄膜共振器的杂化薄膜共振吸声器的实验声反 射谱，其中透气配重薄膜共振器由双层尼龙布配重薄膜共振器构成，如图3c所 示。曲线321是腔长度为40毫米的透气型杂化薄膜共振吸声器的反射谱。曲线 322是腔长度为50毫米的透气杂化薄膜共振吸声器的反射谱。透气型杂化薄膜 共振吸声器(透气杂化薄膜共振吸声器)腔体内外的静压总是平衡的。传统杂化 薄膜共振吸声器中密封良好的空腔现在因为透气配重薄膜共振器而变成泄漏型 空腔。即便如此，也可以清楚地看到900hz附近的反射谷。经过仔细微调腔体 的体积后，最小值可低至4％，这意味着只有1.6
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10-3
的入射声能被反射，其余 的全部被吸收。这是一个生动的例子，表明阻抗匹配是完美吸收的决定条件，用 气密腔或泄漏腔的杂化薄膜共振吸声器都可以实现。
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图3d所示的是从图3c中透气杂化薄膜共振吸声器样品的反射谱提取的阻抗谱z
re
。其中曲线331是具有40毫米长的腔体的样品的阻抗实部，曲线332是对应的虚部。曲线333是具有50毫米长的腔体的样品的阻抗实部，曲线334是对应的虚部。所述阻抗谱显示出与图3b中的常规的密封杂化薄膜共振吸声器相当不同的特性。首先，由于透气配重薄膜共振器的弹性膜中的微通道，器件在非共振时的阻抗明显低于密封杂化薄膜共振吸声器。实际峰值阻抗约为20，而传统杂化薄膜共振吸声器则超过80。虚部也以4这样的小值开始。其次，密封杂化薄膜共振吸声器在500hz附近由第一反共振引起的阻抗峰在透气杂化薄膜共振吸声器里没有出现。这可能是因为弹性膜中微通道的漏音使透气配重薄膜共振器的反共振强度被大大削弱了。在透气杂化薄膜共振吸声器的例子中，小阻抗的原因不是透气配重薄膜共振器的强共振，而是由于透气配重薄膜共振器的透气性。透气配重薄膜共振器在900hz附近发生谐振时，z
re
的虚部与实部同时过零线335，因此产生了很深的声反射谷。
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图3e显示了具有不同腔体长度的透气配重薄膜共振器样品的阻抗谱在反射谷850hz附近过零线335的细节，以揭示通过改变腔体积来微调阻抗匹配条件的细节。与方程式（1）中的公式所预测的不同的是，现在改变腔体积不但会使阻抗虚部改变，还会使实部改变。式（1）适用于密封杂化薄膜共振吸声器，但由于泄漏腔带来的更复杂的情况而显得过度简化。然而，通过简单的调节和尝试，可以微调阻抗并实现与空气的近乎完美的匹配，并获得完美吸收。
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在背腔的后板上加钻若干个3毫米直径的孔洞。空气能穿过这样的器件， 例如先通过透气配重薄膜共振器，再经过背腔后板的孔洞。从最佳尺度的透气杂 化薄膜共振吸声器(腔长40毫米，其反射谱见图3c)开始，开洞的数目从1增 加到13。图4a显示了具有不同数量空洞的样品的实验反射谱，其中曲线401是 后板有一个洞的样品的反射谱，曲线402、403、404、405、406分别是是后板有 二、六、七、九、十三个洞的样品的反射谱。随着洞数量的增加，样品逐渐偏离 完美吸收的状态，反射谷越来越浅。同时透射率随着洞数量的增加而增高(见图 4c)。其中曲线411是后板有一个洞的样品的透射谱，曲线412、413、414、415、416分别是是后板有二、六、七、九、十三个洞的样品的透射谱。后板有一个洞 的样品的总吸收为0.989，后板有二个洞的样品的总吸收为0.996，后板有三个洞 的样品的总吸收为0.942。由此可见，如要构建透气全吸声墙，后板有一或二个 洞的样品较为合适。
[0027]
图4b显示了与图4a对应的工况的样品的归一表面阻抗谱。其中曲线421、 422分别是一个洞样品的阻抗实部和虚部，曲线423、424分别是六个洞样品的 阻抗实部和虚部，曲线425、426分别是九个洞样品的阻抗实部和虚部。由图可 见，直到六个洞的工况，样品的阻抗的实部仍能达到0值。在有六个洞的样品腔 里加添了一些泥胶填充物以降低其体积后，当声波从膜的那面入射时，测得的反 射谱为图4d中曲线431，可见样品的反射谷再次变深，直到小于2％。而当声波 从后板那面入射时测到的反射谱为图4d中的曲线432。由此可见该样品的两个 面的反射谱在曲线431达到最小值时差别最大，因此可作为willis不对称效应器 件使用。图4e所示的曲线433、434分别是样品的willis系数谱线的实部和虚部， 它们在1000hz附近表现出明显的共振特征，最大值达到0.5。该装置的透射高 达0.4，若串联使用多个装置以增强不对称效应，本发明的装置比具有小得多的 透射的现有装置明显地更有优势。
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实验表明，气密腔不是杂化薄膜共振吸声器装置实现完美吸收的必要条件，更重要的是各类杂化薄膜共振吸声器装置实现与空气的阻抗匹配，而阻抗匹配可利用调解背腔的体积来实现。这些杂化薄膜共振吸声器装置包括密实膜配重薄膜共振器加泄漏型背腔，透气配重薄膜共振器加非泄漏背腔（除了透气配重薄膜共振器外背腔的其余部分不漏气），和透气配重薄膜共振器加泄漏背腔，比如在背腔的后板上开洞的装置。
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可以预期的是，在本发明精神前提下，在所附权利要求限定的保护范围内，本领域的技术人员可对本文所描述的用于解释本主题特性的有关细节、材料、步骤和安排方面作出许多其它的改变。