超低频吸声器

本专利申请的公开内容涉及声音吸收和衰减，并且尤其涉及一种用于吸收和衰减超低频范围内的声音的吸声器(acoustic absorber)，其中该吸声器被定位成用于基于声学软边界条件(acoustic soft boundary condition，asbc)的最佳吸声。

背景技术：

1、针对由特定材料样品实施的声吸收，基于该材料对入射声波响应的因果性质(causal nature)，对于给定的吸收波谱a(λ)，最小样品厚度dmin可以作为波长λ的函数而导出。对于在空气中传播的声波，因果约束规定样品厚度d必须满足以下关系：

2、

3、其中b0是大气压力，beff是静态极限下样品的有效体积模量。从关系式(1)可以看出，低频声音的吸收将需要相当于或大于四分之一波长的样品厚度，为了接近完全的吸收，甚至需要更大的厚度。

4、关系式(1)的推导中隐含了两个条件：样品的宏观横向均匀性以及硬反射边界背衬(backing)。然而，通过打破这两个隐含的假设，针对低频，可使用超薄的样品厚度实现对空气传播声音的几乎完全吸收。然而，这种吸声器在较高频率下丧失其优势，因此这种吸声器的应用可以被视为对宽带超材料吸声器(其从350hz及以上的频率开始表现出优异的吸收性能)的补充。期望的是能够设计一种吸声器，该吸声器具有打破这些条件，从而以比关系式(1)所规定的厚度小得多的厚度在超低频范围内提供声吸收的优势。

5、声学软边界条件(asbc)是声学硬边界条件(ahbc)的替代边界条件，ahbc对于空气传播的声音来说是普遍的(prevalent)。理想asbc可以由压力调制(pressure modulation)p中的节点和位移速度(displacement velocity)u中的反节点(腹点)来唯一表征，而理想asbc的表面阻抗定义为：z＝p/u＝0。asbc上的速度反节点在用于多孔吸声器的边界表面处产生高位移速度区，导致来自空气与固体骨架之间的高相对位移速度的高吸收。这种效应在低频范围内特别显著，因为位移速度远离边界缓慢衰减。相比之下，放置在ahbc上的吸声器直到其厚度超过四分之一波长时才能表现出任何显著的吸收。期望的是能够利用软边界条件而不是硬边界条件，以便在考虑上述薄厚度的情况下在超低频范围内提供声吸收。因此，需要一种解决上述问题的超低频吸声器。

技术实现思路

1、本申请的超低频吸声器包括具有相对的第一开口端和第二开口端的中空壳体，以及堆叠在该壳体内的多个金属网层。作为非限制性示例，每个金属网层可以具有大约4×10-4mm2的平均孔隙尺寸。作为另一个非限制性示例，中空壳体可以是圆筒形的，并且每个金属网层可以具有圆形形状。作为额外的非限制性示例，每个金属网层具有大约0.2mm的厚度，并且在中空壳体内可堆叠有25个这样的金属网层。

2、为了将多个金属网层固定在中空壳体内，第一网盖和第二网盖或类似物可以分别覆盖中空壳体的第一开口端和第二开口端。第一网盖和第二网盖中的每一者的平均网孔尺寸和刚度分别大于每个金属网层的平均孔隙尺寸和刚度。

3、此外，可以设置至少一个间隔件，以便在壳体与支撑表面(诸如硬壁或类似物)之间形成间隙。该至少一个间隔件的第一端固定于中空壳体的第二开口端，并且该至少一个间隔件的第二端适于安装在该支撑表面上。该至少一个间隔件可具有足以将超低频吸声器间隔在基于声学软边界条件(asbc)的最佳吸声位置的长度。作为非限制性示例，该至少一个间隔件的长度可以在大约0.5cm与大约1.5cm之间。

4、在替代实施例中，一种混合式膜谐振器(hybrid membrane resonator，hmr)包括具有开口端和相对的封闭端的壳体，以及覆盖和密封壳体的开口端的装饰膜谐振器(decorated membrane resonator)。该装饰膜谐振器可以由弹性膜和固定于弹性膜的中心的薄板(platelet)形成。在壳体内，在装饰膜谐振器与壳体的封闭端之间限定了腔室，壳体的封闭端限定了反射背板(reflecting back plate)。可以穿过壳体的侧壁形成至少一个孔，其中该至少一个孔构造为在腔室内、装饰膜谐振器的后方产生声学软边界条件。该至少一个孔的尺寸和/或该至少一个孔相对于壳体的位置被配置为产生声学软边界条件。作为非限制性示例，可以穿过壳体的侧壁形成三个孔，这三个孔围绕壳体的侧壁的周部以120°的角度彼此隔开。每个孔可以形成穿过侧壁的圆柱形通道。

5、在另一个替代实施例中，替代的混合式膜谐振器(hmr)可以包括具有开口端和相对的封闭端的壳体，还具有覆盖和密封壳体的开口端的装饰膜谐振器(dmr)。在壳体内，在装饰膜谐振器与壳体的封闭端之间限定了腔室。壳体的封闭端限定了反射背板。该hmr还包括安装于壳体的封闭端的外表面的法布里-珀罗谐振器(fabry-pérot resonator)。穿过壳体的封闭端形成通道，使得腔室与法布里-珀罗谐振器的内部连通。该法布里-珀罗谐振器不限于任何单一的构造。作为非限制性示例，该法布里-珀罗谐振器可以具有折叠的、大致螺旋形的构造。

6、通过进一步阅读以下说明书内容，本主题的这些和其他特征将变得显而易见。

技术特征：

1.一种超低频吸声器，包括：

2.根据权利要求1所述的超低频吸声器，其中所述中空壳体是圆筒形的。

3.根据权利要求1所述的超低频吸声器，其中所述金属网层中的每一个的平均孔隙尺寸大约为4×10-4mm2。

4.根据权利要求3所述的超低频吸声器，其中所述金属网层中的每一个的厚度大约为0.2mm。

5.根据权利要求4所述的超低频吸声器，其中所述多个金属网层包括25个金属网层。

6.根据权利要求1所述的超低频吸声器，还包括：

7.根据权利要求1所述的超低频吸声器，其中所述至少一个间隔件的长度在大约0.5cm与大约1.5cm之间。

8.一种超低频吸声器，包括：

9.根据权利要求8所述的超低频吸声器，其中所述中空壳体是圆筒形的。

10.根据权利要求8所述的超低频吸声器，其中所述金属网层中的每一个的厚度大约为0.2mm。

11.根据权利要求8所述的超低频吸声器，其中所述多个金属网层包括25个金属网层。

12.根据权利要求8所述的超低频吸声器，还包括：

13.根据权利要求8所述的超低频吸声器，还包括至少一个间隔件，所述至少一个间隔件具有相对的第一端和第二端，所述至少一个间隔件的所述第一端固定于所述中空壳体的所述第二开口端，并且所述至少一个间隔件的所述第二端适于安装在支撑表面上。

14.根据权利要求13所述的超低频吸声器，其中所述至少一个间隔件具有足以将所述超低频吸声器间隔在声学软边界条件的位置处的长度。

15.根据权利要求14所述的超低频吸声器，其中所述至少一个间隔件的长度在大约0.5cm与大约1.5cm之间。

16.一种混合式膜谐振器，包括：

17.根据权利要求16所述的混合式膜谐振器，其中所述至少一个孔包括三个孔。

18.根据权利要求17所述的混合式膜谐振器，其中所述三个孔围绕所述壳体的所述侧壁的周部以120°的角度彼此隔开。

19.根据权利要求18所述的混合式膜谐振器，其中所述孔中的每一个包括穿过所述侧壁形成的圆柱形通道。

20.根据权利要求16所述的混合式膜谐振器，其中所述至少一个孔的尺寸和相对于所述壳体的位置被配置为产生所述声学软边界条件。

21.根据权利要求16所述的混合式膜谐振器，其中所述装饰膜谐振器包括：

22.一种混合式膜谐振器，包括：

23.根据权利要求22所述的混合式膜谐振器，其中所述装饰膜谐振器包括：

24.根据权利要求22所述的混合式膜谐振器，其中所述法布里-珀罗谐振器具有折叠的、大致螺旋形的构造。

技术总结
一种超低频吸声器(10)和混合式膜谐振器(210)。该超低频吸声器(10)包括具有相对的第一开口端和第二开口端(22，24)的中空壳体(12)，以及堆叠在壳体(12)内的多个金属网层(16)。为了将多个金属网层(16)固定在中空壳体(12)内，第一网盖和第二网盖(18，20)可以分别覆盖中空壳体(12)的第一开口端和第二开口端(22，24)。可以设置至少一个间隔件(14)以在壳体(12)和支撑表面(诸如硬壁(W)或类似物)之间形成间隙。该至少一个间隔件(14)的长度可足以将超低频吸声器(10)间隔在基于声学软边界条件(ASBC)的最佳吸声位置。其中，每个金属网层的平均孔径大约为4×10<supgt;‑4</supgt;mm<supgt;2</supgt;。混合式膜谐振器(210)包括具有开口端(224)和相对的封闭端(226)的壳体(222)；以及覆盖并密封壳体(222)的开口端(224)的装饰膜谐振器(216)，其中在壳体(222)内的装饰膜谐振器(218)与壳体(222)的封闭端(226)之间限定了腔室(228)，壳体(222)的封闭端(226)限定了反射背板，其中穿过壳体的侧壁形成至少一个孔(212)，该至少一个孔(212)被配置成在腔室内、装饰膜谐振器(210)的后方产生声学软边界条件。其中，法布里‑珀罗谐振器(214)安装于壳体(222)的封闭端(226)的外表面，穿过壳体(210)的封闭端(226)形成通道(230)，使得腔室(228)与法布里‑珀罗谐振器(214)的内部连通。

技术研发人员：沈平,麦浩尧,张晓男,董镇
受保护的技术使用者：香港科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15