衰减性声音隔离装置的制作方法

1.本公开总体上涉及声音隔离系统和装置，更具体地涉及包含衰减性声学散射体的声音隔离系统和装置，所述衰减性声学散射体具有声学单极响应和声学偶极响应。

背景技术：

2.所提供的背景描述用来大体上呈现本公开的背景。发明人的工作(就在本背景技术部分中描述的程度而言)、以及说明书的在递交时可能未被视为现有技术的方面既不明示地也不暗示地被承认为本技术的现有技术。
3.在一些汽车应用中，低频噪声是影响乘客舒适度的长期存在的问题。车辆可能会生成大量的低频噪声。这些低频噪声可能源自各种来源，比如车辆的动力系统和轮胎、风噪声等等。
4.存在用于管理低频噪声的几种不同的解决方案，但是许多解决方案都具有缺点。例如，一种解决方案需要使用高反射材料。由高反射材料制成的结构(比如门和窗)可以将噪声从车辆的车厢反射出去。然而，所反射的噪声可能引起噪声污染，并且这些类型的系统的性能受到质量定律的限制。
5.另一种解决方案需要使用高吸收材料。然而，由于高阻抗特性，传统的多孔吸声材料仅仅对高频(大于1khz)噪声降低有效。如果材料微结构具有大的孔隙率，则通过多孔材料的声音透射较高。

技术实现要素：

6.该部分大体地概述本公开，但是不是对本公开的全部范围或所有特征的全面公开。
7.在本文中描述声音隔离装置和声音隔离系统的示例。在一个示例中，声音隔离装置包含具有多个通道的至少一个衰减性声学散射体。所述多个通道可以包含三个或更多个通道。所述通道具有敞开端和终端，其中所述通道的终端彼此分离。所述至少一个衰减性声学散射体具有声学单极响应和声学偶极响应，所述声学单极响应和声学偶极响应具有大致类似的谐振频率。
8.声音隔离系统可以包含位于通常相对的壁之间的至少一个衰减性声学散射体。所述至少一个衰减性声学散射体具有多个通道。所述多个通道可以包含三个或更多个通道。所述通道具有敞开端和终端，其中所述通道的终端彼此分离。所述至少一个衰减性声学散射体具有声学单极响应和声学偶极响应，所述声学单极响应和声学偶极响应具有大致类似的谐振频率。
9.根据所提供的描述，其它适用领域以及增强所公开的技术的各种方法将变得显而易见。本发明内容中的描述以及具体示例仅仅用于示例说明并且不旨在限制本公开的范围。
附图说明
10.根据详细描述和附图，将更全面地理解本教导，其中：
11.图1示例说明一种用于利用衰减性声学散射体隔离声音的系统；
12.图2a和2b示例说明所述衰减性声学散射体的不同的示例；
13.图3示例说明所述衰减性声学散射体的一种实施方式；
14.图4a和4b示例说明具有四个通道的衰减性声学散射体在不同的旋转角度下的吸声系数；
15.图5a和5b示例说明具有六个通道的衰减性声学散射体在不同的旋转角度下的吸声系数；
16.图6a和6b示例说明衰减性声学散射体的阵列的不同的实施方式；以及
17.图7a-7c示例说明具有两个通道的衰减性声学散射体的阵列的吸收能力的结果。
18.为了描述某些方面，本文中所阐述的附图旨在举例说明本技术的方法、算法以及装置的一般特征。这些附图可能没有精确地反映任何给定的方面的特征，并且不一定旨在限定或限制本技术的范围内的特定实施例。进一步，某些方面可以结合来自附图的组合的特征。
具体实施方式
19.本教导提供吸声结构，所述吸声结构尽管很薄，但是仍然具有高吸声性。与竞争结构相比，本教导的吸声结构可以通过组合针对不同频率的多种设计而在宽频率范围内提供高吸收性。
20.声音隔离装置包含具有声学单极响应和声学偶极响应的衰减性声学散射体。衰减性声学散射体的声学偶极响应和声学单极响应可以具有大致类似的谐振频率。衰减性声学散射体可以包含具有敞开端和终端的三个或更多个通道。所述声音隔离装置可以包含多个衰减性声学散射体，所述多个衰减性声学散射体形成均等地间隔开的声学散射体的阵列。通过这样做，衰减性声学散射体的阵列可以完全吸收某些频率的声波，并且因此提供非凡的声音隔离性能。
21.关于本说明书中所描述的装置和系统的物理学特性来说，对于声学上的小物体，可以将背景波和散射波分解成单极分量和偶极分量。表现出单极响应的材料只能吸收入射波的单极分量。同样的限制也适用于偶极。本说明书中所描述的衰减性声学散射体具有频率类似的单极和偶极散射。当单极和偶极模式衰减时，这是可能的。具有单极和偶极响应的好处在于，入射波的这两个分量将参与动量交换过程并且因此变得可用于吸收。
22.更简单地说，单极和偶极的散射强度相同，所以它们的幅度相同。单极和偶极散射在前向散射方向上具有相长干涉，并且抵消背景波，所以透射为零；那么，当然，单极和偶极散射在后向散射方向上具有相消干涉。
23.参考图1，示出声音隔离装置10的一个示例。作为它的主要构件，声音隔离装置10可以包含声源12、结构14、以及衰减性声学散射体16。关于声源12，本示例中的声源12被显示为能够产生各种波长的声音的扬声器。然而，应当理解的是，声音隔离装置10可以被用于通过一个或多个构件的运动产生声音的情形中。例如，汽车的构件的运行，比如轮胎的旋转、风噪声、与动力系统相关的噪声等等。这样，声源不一定是扬声器12。
24.在该示例中，结构14被显示为包含多个壁18、20、22和24。壁18和壁20通常彼此相对，而壁22和壁24通常彼此相对。壁18、20、22和24限定结构14内的空间26以及与声源12相对的开口13。结构14可以用于几种不同的应用中的任何一种。例如，结构14可以安装于车辆内或者形成车辆的结构构件或额外的部件。
25.在由结构14的壁18、20、22和24限定的空间26内的是衰减性声学散射体16。衰减性声学散射体16可以具有声学单极响应和声学偶极响应。声学单极朝向所有方向辐射声波。对于声压的幅度和相位，单极的辐射模式通常没有角度依赖性。声学偶极的辐射具有角度依赖性e
iθ
，其中θ为二维极角度。沿着两个相反的辐射方向，压力场在相同的距离处具有相同的幅度和相反的相位。单极响应等同于从脉动圆柱体辐射的声音，所述脉动圆柱体的半径正弦地扩大和缩小。偶极响应等同于从彼此分离小的距离的两个脉动圆柱体辐射的声音，所述两个脉动圆柱体以相同的强度但是以相反的相位辐射声音。
26.衰减性声学散射体16的声学偶极响应和声学单极响应可以具有大致类似的谐振频率。关于谐振频率的术语“大致类似”应当被理解为意味着谐振频率可以相差大约10％或更少。衰减性声学散射体16通常具有壳体27，所述壳体限定衰减性声学散射体16的整体形状。通常，壳体27跨过壳体27的宽度可以为对称的。然而，壳体27可以采用许多不同的形状中的任何一种。在壳体27的相对的端处可以存在端帽17和19。
27.参考图2a-2b，示出衰减性声学散射体16a和16b的不同的示例的、通常沿着图1的线2-2取得的横截面。应当理解的是，图2a和2b中所示的衰减性声学散射体16a和16b的不同的设计仅仅为示例。衰减性声学散射体16可以采用许多不同的设计中的任何一种，而不仅仅是本公开中所示出和描述的那些。衰减性声学散射体16a和16b中的每一个可以具有壳体27a和27b，所述壳体的形状跨过壳体27a和27b的宽度为大致对称的。每个壳体27a和27b通常限定周边28a-28d。跨过壳体27a和27b的宽度的大致对称的形状可以为如图所示的大致圆形形状。然而，应当理解的是，可以使用许多不同的形状中的任何一种。
28.衰减性声学散射体16a和16b可以具有多个通道。例如，衰减性声学散射体16a具有四个通道30a、32a、34a和36a。这样，图2a的衰减性声学散射体16a为四通道衰减性声学散射体。图2b的衰减性声学散射体16b具有六个通道30b、32b、34b、36b、38b和39b。这样，图2b的衰减性声学散射体16b为六通道衰减性声学散射体。应当理解的是，在衰减性声学散射体16a和/或16b中可以使用许多通道中的任何一种。然而，如稍后将解释说明的，三个或更多个通道容许衰减性声学散射体16a和/或16b同样有效，而不管衰减性声学散射体16a和/或16b的旋转定位如何。
29.如前所述，衰减性声学散射体16a为四通道衰减性声学散射体并且因此具有四个通道30a、32a、34a和36a。四个通道30a、32a、34a和36a中的每一个分别具有邻近于外周边28a的敞开端40a、42a、44a和46a。另外，四个通道30a、32a、34a和36a中的每一个分别具有终端50a、52a、54a和56a。终端50a、52a、54a和56a可以位于衰减性声学散射体16a的中心29a附近。终端50a、52a、54a和56a可以彼此分离并且可以彼此不流体连通。
30.通道30a、32a、34a和36a的容积可以彼此大致相等。在该示例中，“大致相等”意味着容积可以在彼此的10％之内。另外，跨过衰减性声学散射体16a的宽度，通道30a、32a、34a和36a的总体形状可以在形状和/或设计方面大致类似。
31.关于通道30a、32a、34a和36a的设计，这些通道可以具有大体上之字型形式。例如，
关于通道32a，该通道可以具有之字形，其中通道32a的一个部分33a部分地或大致上平行于通道32a的另一个部分35a延伸。然而，应当理解的是，通道的设计可以有很大变化，并且可以不一定为之字型设计。另外，这种确切的类型的设计可以使得通道的一个部分不大致平行于通道的另一个部分延伸，如图2a的示例中所示。
32.将注意力转向衰减性声学散射体16b，如前所述，衰减性声学散射体16b为六通道衰减性声学散射体，并且因此包含通道30b、32b、34b、36b、38b和39b。六个通道30b、32b、34b、36b、38b和39b中的每一个分别具有邻近于外周边28b的敞开端40b、42b、44b、46b、48b和49b。另外，六个通道30b、32b、34b、36b、38b和39b中的每一个分别具有终端50b、52b、54b、56b、58b和59b。终端50b、52b、54b、56b、58b和59b可以位于衰减性声学散射体16b的中心29b附近。终端50b、52b、54b、56b、58b和59b可以彼此分离并且可以彼此不流体连通。
33.通道30b、32b、34b、36b、38b和39b的容积可以彼此大致相等。在该示例中，“大致相等”意味着容积可以在彼此的10％之内。另外，跨过衰减性声学散射体16b的宽度，通道30b、32b、34b、36b、38b和39b的总体形状可以在形状和/或设计方面大致类似。
34.关于通道30b、32b、34b、36b、38b和39b的设计，通道可以具有大体上之字型形式。例如，关于通道30b，该通道可以具有之字形，其中通道30b的一个部分33b部分地或大致上平行于通道30b的另一个部分35b延伸。然而，应当理解的是，通道的设计可以有很大变化并且可以不一定为之字型设计。另外，这种确切的类型的设计可以使得通道的一个部分不大致平行于通道的另一个部分延伸，如图2b的示例中所示。
35.衰减性声学散射体16a和/或16b可以使用几种不同的材料中的任何一种制成。例如，衰减性声学散射体16a和/或16b可以由声学硬材料制成，比如塑料、硅、玻璃和/或金属。关于金属，可以使用任何金属，比如铝、钢、钛等等。
36.参考图3，示出一个声音隔离装置110。这里，除了附图标记增加100之外，使用相似的附图标记来指代相似的元件。另外，应当注意的是，衰减性声学散射体116为图2a中所示例说明的衰减性声学散射体16a的形状。然而，应当理解的是，可以利用本说明书中所描述的或者另外可想到的不同类型的声学散射体中的任何一种。
37.装置110包含衰减性声学散射体116。装置110还包含彼此分离距离d的壁118和壁120。壁118和壁120大体上彼此相对并且在它们之间限定空间126。装置110还包含声源112，所述生源可以为扬声器或任何其它声源，比如附近的构件(比如车辆动力系统)所产生的声音、来自与车辆接触的风的噪声、和/或源自车辆的轮胎的轮胎噪声。在声源112的相对的端处的是开口113。衰减性声学散射体116可以位于壁118和壁120之间的中间点附近。这个中间点基本上为壁118和壁120之间的距离d的一半处。
38.第一壁118与第二壁120之间的距离d可以基于希望减小的波长的类型变化。距离d应当小于谐振频率下的波长：
[0039][0040]
其中d为第一壁118与第二壁120之间的空间的距离，c为声音的速度，以及f为衰减性声学散射体116的单极响应和偶极响应的谐振频率。
[0041]
衰减性声学散射体116的相对于声源112的旋转方向不会影响衰减性声学散射体116吸收谐振频率下的声音的能力。例如，参考图4a和4b，示出关于比如图2a中所示的四通
道衰减性声学散射体的旋转位置的两种不同情况。
[0042]
被称为“情况1”的第一种情况示例说明当四通道声学散射体的一个通道的一个开口大致面对声源时，四通道衰减性声学散射体的吸收系数。被称为“情况2”的第二种情况示例说明当四通道声学散射体的一个通道的一个开口大致围绕它的中心旋转时，四通道衰减性声学散射体的吸收系数。在这两种情况下，四通道衰减性声学散射体的总吸收系数大致类似。因此，本公开中所描述的衰减性声学散射体的旋转方向不会显著地影响吸声性能。这可能是有利的，因为它容许更容易地制造和利用衰减性声学散射体装置，因为不需要校准衰减性声学散射体装置来处于特定的旋转位置中。
[0043]
如果衰减性声学散射体为比如图2b中所示的六通道(或更多通道)衰减性声学散射体，情况也是如此。例如，参考图5a和5b，示出关于比如图2b中所示的六通道衰减性声学散射体的旋转位置的两种不同情况。与之前一样，“情况1”示例说明当六通道声学散射体的一个通道的一个开口大致面对声源时，六通道衰减性声学散射体的吸收系数。“情况2”示例说明当六通道声学散射体的一个通道的一个开口大致远离声源旋转时，六通道衰减性声学散射体的吸收系数。在这两种情况下，六通道衰减性声学散射体的总吸收系数大致类似。因此，本公开中所描述的衰减性声学散射体的旋转方向不会显著地影响吸声性能。
[0044]
参考图6a，示出系统210a的示例。与之前一样，使用相似的附图标记来指代相似的元件。在该示例中，存在形成阵列的四个衰减性声学散射体216a。衰减性声学散射体216a的阵列通常形成垂直于壁218a和/或壁220a的行。这种类型的构造在壁之间的距离d相当宽并且需要多个衰减性声学散射体216a来向系统210a提供适当的吸声型特性的情况下可能是有用的。
[0045]
每一个衰减性声学散射体216a之间的和/或行的末端处的衰减性声学散射体216a与壁218a或壁220a之间的距离217a大致相等。关于“大致相等”，这意味着距离217a可以变化差不多10％。为了最佳地吸收声音，阵列的声学散射体216的总数量通常基于第一壁218a与第二壁220a之间的距离241a。应用所需的声学散射体的最小总数量(n)可以表示如下：
[0046]
n＝d/(c/f)
[0047]
其中d为第一壁218a与第二壁220a之间的距离，c为声音在空气中的速度，以及f为单极响应和偶极响应的谐振频率。
[0048]
参考图6b，系统210b的该示例类似于图6a中所示例说明的系统。然而，系统210b具有两行衰减性声学散射体216b。像之前一样，跨过系统210b的宽度(在壁218b和壁220b之间)的衰减性声学散射体216b之间的距离217b大致相等。另外，一个行的衰减性声学散射体216b与另一个行的衰减性声学散射体之间的距离也大致类似于距离217b。具有两行(或更多行)衰减性声学散射体216b的目的是改善系统210b的总吸声特性。虽然可能只需要一行，但是第二行将提供对声音的额外的吸收。
[0049]
参考图7a，示出对具有九个独立的声学散射体316的系统的模拟，九个独立的所述声学散射体形成具有一行的阵列。这里，使声学散射体316旋转，以使得声学散射体316的开口334大致面对声源312。图7a示例说明具有2111hz的频率的总声场。在该图中可以看到，在声学散射体316的阵列的左侧，波的振幅是单一的，这意味着不存在反射。另外，在声学散射体316的阵列的右侧，波的振幅为零，这表明透射为零-表明完全吸收。
[0050]
因此，所有能量被声学散射体316的阵列吸收。在单个散射体的放大视图中，可以
看到衰减性声学散射体316附近的压力场具有相反的相位，但是形状是不同的。这是由于单极矩和偶极矩的叠加。这种设计利用这两种分量并且使它们散射同等量的能量以实现完全吸收。
[0051]
图7b示例说明单极散射系数和偶极散射系数。这两种分量具有设计所需要的相同的强度。如图7c中所示，吸收系数在2111hz时为1.0。
[0052]
前面的描述本质上仅仅是示例说明性的，决不旨在限制本公开、本公开的应用、或用途。当在本文中使用时，短语“a、b和c中的至少一个”应当被解释为表示使用非排他性逻辑“或”的逻辑(a或b或c)。应当理解的是，在不改变本公开的原理的情况下，可以以不同的顺序执行方法内的各个步骤。对范围的公开包含对所有范围和整个范围内的细分范围的公开。
[0053]
本文中所使用的标题(比如“背景技术”和“发明内容”)以及副标题仅仅旨在总体性地组织本公开内的主题，并不旨在限制本技术或其任何方面的公开内容。对具有所陈述的特征的多个实施例的叙述并不旨在排除具有额外特征的其它实施例、或者并入所陈述的特征的不同组合的其它实施例。
[0054]
当在本文中使用时，术语“包括”和“包含”以及它们的变体旨在为非限制性的，所以对连续列举的项目或列表中的项目的叙述不排除在本技术的装置和方法中也可能有用的其它类似的项目。类似地，术语“可以”、“可”以及它们的变体旨在为非限制性的，所以一个实施例可以包括某些元素或特征的叙述不排除本技术的不包含那些元素或特征的其它实施例。
[0055]
本公开的广泛的教导可以以各种形式实施。因此，虽然本公开包含特定的示例，但是本公开的真实范围不应当被如此限制，因为在研究说明书和所附权利要求之后，其它修改对于本领域技术人员而言将变得显而易见。在本文中对一个方面或多个方面的引用意味着结合一个实施例或特定系统描述的特定的特征、结构或特性包含于至少一个实施例或方面中。短语“在一个方面中”(或其变体)的出现不一定指同一个方面或实施例。还应当理解的是，本文中所讨论的各个方法步骤不必按照与所描绘的顺序相同的顺序来执行，并且不是在每个方面或实施例中都需要每个方法步骤。
[0056]
出于示例说明和描述的目的，已经提供对实施例的前述描述。所述描述并不旨在为穷举性的或限制本公开。特定实施例的各个元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在适用的情况下，是可互换的并且可以被用于所选定的实施例中，即使没有被具体示出或描述。实施例也可以以许多方式变化。这样的变化不应当被视为脱离本公开，并且所有这样的修改旨在包含于本公开的范围内。

技术特征：

1.一种声音隔离装置，包括：具有多个通道的至少一个衰减性声学散射体，所述多个通道各自具有敞开端和终端，所述多个通道的终端彼此分离；以及其中所述至少一个衰减性声学散射体具有声学单极响应和声学偶极响应，其中所述至少一个衰减性声学散射体的声学偶极响应和声学单极响应具有大致类似的谐振频率。2.根据权利要求1所述的声音隔离装置，其特征在于，所述多个通道包含至少三个通道。3.根据权利要求1所述的声音隔离装置，其特征在于，所述多个通道包含至少四个通道。4.根据权利要求3所述的声音隔离装置，其特征在于，当(a)所述多个通道中的至少一个沿着声音的波传播方向平行地排列或(b)所述多个通道中的至少一个沿着声音的波传播方向垂直地排列时，所述至少一个衰减性声学散射体吸收所述谐振频率下的声音的吸收系数大致类似。5.根据权利要求1所述的声音隔离装置，其特征在于，所述多个通道呈之字形构造。6.根据权利要求1所述的声音隔离装置，其特征在于，所述至少一个衰减性声学散射体的沿着其宽度的横截面限定具有至少一条对称线的对称形状，所述对称形状具有外周边，其中所述多个通道的敞开端邻近于所述外周边。7.根据权利要求1所述的声音隔离装置，其特征在于，所述多个通道中的每个通道具有大致类似的容积。8.根据权利要求1所述的声音隔离装置，其特征在于，所述多个通道中的每个通道跨过所述至少一个衰减性声学散射体的宽度具有大致类似的形状。9.根据权利要求1所述的声音隔离装置，其特征在于，所述至少一个衰减性声学散射体包含多个衰减性声学散射体，其中所述多个衰减性声学散射体彼此相间隔大致相等的距离，并且其中所述多个衰减性声学散射体的声学偶极响应和声学单极响应具有大致类似的谐振频率。10.根据权利要求1所述的声音隔离装置，其特征在于，所述至少一个衰减性声学散射体安装于车辆内。11.根据权利要求10所述的声音隔离装置，其特征在于，所述至少一个衰减性声学散射体形成车辆的结构构件。12.一种声音隔离系统，包括：至少一个衰减性声学散射体；所述至少一个衰减性声学散射体具有多个通道，所述多个通道各自具有敞开端和终端，所述多个通道的终端彼此分离；其中所述至少一个衰减性声学散射体具有声学单极响应和声学偶极响应，其中所述至少一个衰减性声学散射体的声学偶极响应和声学单极响应具有大致类似的谐振频率；以及第一壁和第二壁，其中所述第一壁和第二壁大体上彼此相对并且限定空间，其中所述至少一个衰减性声学散射体位于所述第一壁与所述第二壁之间的所述空间中。13.根据权利要求12所述的声音隔离系统，其特征在于，所述多个通道包含至少三个通道。
14.根据权利要求12所述的声音隔离系统，其特征在于，所述多个通道包含至少四个通道。15.根据权利要求14所述的声音隔离系统，其特征在于，所述至少一个衰减性声学散射体的沿着其宽度的横截面限定具有至少一条对称线的对称形状，所述对称形状具有外周边，其中所述多个通道的敞开端邻近于所述外周边。16.根据权利要求12所述的声音隔离系统，其特征在于，所述多个通道中的每个通道具有大致类似的容积。17.根据权利要求12所述的声音隔离系统，其特征在于，所述多个通道中的每个通道跨过所述至少一个衰减性声学散射体的宽度具有大致类似的形状。18.根据权利要求12所述的声音隔离系统，其特征在于，所述第一壁与所述第二壁之间的所述空间的距离小于所述谐振频率下的波长：其中d为所述第一壁与所述第二壁之间的所述空间的距离，c为声音的速度，以及f为所述至少一个衰减性声学散射体的声学单极响应和声学偶极响应的谐振频率。19.根据权利要求12所述的声音隔离系统，进一步包括：多个衰减性声学散射体，所述多个衰减性声学散射体形成衰减性声学散射体的阵列，所述衰减性声学散射体的阵列位于所述第一壁与所述第二壁之间，其中所述衰减性声学散射体的阵列包含一定数量(n)的声学散射体，其中所述衰减性声学散射体的数量(n)为：n＝d/(c/f)其中d为所述第一壁与所述第二壁之间的距离，c为声音在空气中的速度，以及f为所述声学单极响应和所述声学偶极响应的谐振频率。20.根据权利要求19所述的声音隔离系统，其特征在于，所述衰减性声学散射体的阵列沿着大致垂直于所述第一壁和所述第二壁二者中的一者的行布置。

技术总结

一种声音隔离装置包含具有多个通道的至少一个衰减性声学散射体。所述多个通道可以包含三个或更多个通道。所述通道具有敞开端和终端，其中所述通道的终端彼此分离。所述至少一个衰减性声学散射体具有声学单极响应和声学偶极响应，所述声学单极响应和声学偶极响应具有大致类似的谐振频率。有大致类似的谐振频率。有大致类似的谐振频率。