АКУСТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА
ACOUSTIC STRUCTURE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к акустическим структурам, более конкретно к облегченным акустическим структурам, характеризующимся высоким коэффициентом шумоподавления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Акустические субстраты используются во множестве применений для шумоподавления внутри конструкции здания, чтобы создать помещение с управляемой звуковой средой. Эти субстраты могут быть сформированы в акустические панели, которые могут быть нанесены на стены, потолки (в некоторых случаях формируя систему подвесного потолка), а также на акустические звуковые решения или навесы. Желательными являются акустические панели с высоким коэффициентом шумоподавления (NRC), устанавливаемым с помощью стандартов тестирования, таких как ASTM C423 (способ реверберационного помещения) или ASTM C384 (способ импедансной трубы). NRC обеспечивает относительную меру процента звука, который будет поглощен акустической структурой, по сравнению с отраженным звуком. Значение NRC, равное или больше чем от 0,65 до 1,0, обычно считается высоким значением NRC, которое в идеале указывает, что из звука, попадающего на панель, больше будет поглощено, чем отражено обратно в помещение. Эти акустические панели предпочтительно являются самонесущими; однако такие акустические панели иногда могут быть тяжелыми и сложными конструкциями для того, чтобы достичь высокого значения NRC. Звукопоглощающие материалы могут тогда требовать тяжелой рамы по периметру или внутренних поддерживающих планок, которые увеличивают стоимость и вес. Это может потребовать обширной структурной системы поддержки для установки панелей, увеличить затраты на установку, а также может ограничить применение и практические размеры панелей.
[0003] Таким образом, желательными являются улучшенные акустические субстраты, которые являются облегченными и обладают высоким значением NRC.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Настоящее изобретение предлагает облегченное звукопоглощающее акустическое основание, включающее в себя один или более субстратов, в целом характеризующихся по существу открытым внутренним слоем и высокими значениями NRC. В различных вариантах осуществления данный акустический субстрат предпочтительно имеет значение NRC, составляющее приблизительно от 0,5 до 1,00 включительно, более предпочтительно - высокое значение NRC, равное или больше чем 0,65, и наиболее предпочтительно очень - высокое значение NRC, равное или больше чем 0,8. Варианты выполнения этого акустического субстрата могут быть сформированы в структуры, такие как потолочные панели, стеновые панели, свободно подвешиваемые звукопоглощающие решения или другие продукты.
[0005] Акустический субстрат в соответствии с настоящим изобретением как правило включает в себя внутренний облегченный слой, первый облицовочный слой, присоединенный к первой главной поверхности или стороне внутреннего слоя, и второй облицовочный слой, присоединенный к противоположной второй главной поверхности или стороне внутреннего слоя. Облицовочные слои в некоторых вариантах осуществления могут быть неткаными или ткаными стеклянными холстами. В одном варианте осуществления внутренний слой может состоять из сотовой структуры, определяющей множество ячеек. Сотовый основной слой может быть выполнен из бумаги, обработанной или пропитанной смолой для уменьшения чувствительности к влаге; однако могут использоваться другие подходящие волокнистые или неволокнистые материалы. Первый и второй облицовочные слои в некоторых вариантах осуществления могут быть присоединены к сотовому основному слою с помощью подходящего клейкого вещества, которое выбирается так (и/или наносится таким образом), чтобы замедлить распространение пламени и образование дыма так, чтобы сотовое основание достигло характеристик огнезащиты класса А.
[0006] Варианты осуществления в соответствии с данным раскрытием дополнительно включают в себя акустические структуры, сформированные из двух или более акустических субстратов, которые могут быть постоянно объединены вместе для того, чтобы сформировать единую композитную структуру, имеющую большую толщину и более высокие значения NRC, чем получаемые с помощью одиночного субстрата. Композитная акустическая структура может быть желательной для некоторых применений, в которых являются выгодными высокая степень подавления шумов и дополнительная жесткость для длинных пролетов. Следовательно, такие композитные акустические структуры включают в себя по меньшей мере два сотовых или других структурированных внутренних слоя, первый внешний сетчатый слой, второй внешний сетчатый слой и по меньшей мере один промежуточный сетчатый слой.
[0007] Первый и второй сетчатые слои субстрата проектируются и конфигурируются в некоторых вариантах осуществления так, чтобы они имели сопротивление воздушному потоку, которое позволяло бы сотовому субстрату достигать высоких значений NRC. Сопротивлением воздушному потоку каждого из первого и второго сетчатых слоев можно управлять с помощью любой комбинации следующего: (1) специальных способов покрытия краской; (2) способов клейкого покрытия; и/или (3) плотности (то есть пористости) сетчатого слоя. Первый и второй сетчатые слои могут быть ткаными или неткаными холстами, в зависимости от желаемой визуальной эстетики и эффекта. Выгодным является то, что использование холстов, имеющих должным образом спроектированное сопротивление воздушному потоку, избавляет от необходимости слоя, имеющего сформированные в нем отверстия, и они могут быть спроектированы так, чтобы они были «акустически прозрачными» и «оптически непрозрачными».
[0008] Несмотря на свой легкий вес, сотовый внутренний слой предпочтительно придает заданную структурную жесткость сотовому субстрату и таким образом избавляет от необходимости в структурной раме по периметру, которая обычно является стандартом в данной области техники для панелей с высоким значением NRC. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления, акустическая панель с высоким значением NRC в соответствии с настоящим изобретением может быть безрамной.
[0009] Несмотря на использование легкого сотового внутреннего слоя, жесткость этой основной конструкции приводит к акустическому субстрату с высоким значением NRC в соответствии с настоящим изобретением, которая является устойчивой к прогибу даже в тех вариантах осуществления, которые имеют единственный внутренний слой. Выгодным является то, что это позволяет формировать относительно большие панели (например, 4 × 4 фута или больше) с минимальной поддерживающей структурой, снижая тем самым капитальные затраты и затраты на установку.
[0010] В одном варианте осуществления акустический субстрат включает в себя по существу открытый внутренний слой, имеющий множество открытых ячеек, определяемых стенками ячеек, проходящими перпендикулярно противоположным первой и второй главным сторонам внутреннего слоя, первый облицовочный слой, присоединенный к первой главной стороне внутреннего слоя, и второй облицовочный слой, присоединенный ко второй главной стороне внутреннего слоя. Первый облицовочный слой может быть пористым и имеет сопротивление воздушному потоку в диапазоне приблизительно от 100 до 7500 Рейли в системе MKS включительно.
[0011] В другом варианте осуществления акустический субстрат включает в себя по существу открытый внутренний слой, имеющий край периметра, простирающийся вокруг боковых сторон внутреннего слоя, внутренний слой, сформированный из множества открытых ячеек, определяемых стенками ячеек, проходящими перпендикулярно противоположным первой и второй главным сторонам внутреннего слоя, стенки ячеек, сформированные из бумаги, первый облицовочный слой, присоединенный к первой главной стороне внутреннего слоя, и второй облицовочный слой, присоединенный ко второй главной стороне внутреннего слоя. Первый и второй облицовочные слои могут быть пористыми и имеют сопротивление воздушному потоку в диапазоне приблизительно от 100 до 7500 Рейли в системе MKS включительно.
[0012] В другом варианте осуществления акустическая структура включает в себя (i) первый субстрат, включающий в себя по существу открытый первый внутренний слой, имеющий множество открытых ячеек, определяемых стенками ячеек, проходящими перпендикулярно противоположным первой и второй главным сторонам первого внутреннего слоя, первый облицовочный слой, присоединенный к первой главной стороне первого внутреннего слоя, причем первый облицовочный слой является пористым и имеет сопротивление воздушному потоку приблизительно от 100 до 7500 Рейли в системе MKS включительно, и (ii) второй субстрат, включающий в себя по существу открытый второй внутренний слой, имеющий множество открытых ячеек, определяемых стенками ячеек, проходящими перпендикулярно противоположным первой и второй главным сторонам второго внутреннего слоя, и второй облицовочный слой, присоединенный ко второй главной стороне второго внутреннего слоя. Промежуточный слой располагается между первым и вторым субстратами, которые связываются с противоположными сторонами промежуточного слоя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] Особенности примерных вариантов осуществления настоящего изобретения будут описаны со ссылками на следующие чертежи, на которых одинаковые элементы помечены одинаковым образом, и в которых:
[0014] Фиг.1 представляет собой разобранный вид сбоку акустического субстрата в соответствии с настоящим изобретением.
[0015] Фиг.2 представляет собой его вид в сборе.
[0016] Фиг.3 представляет собой поперечное сечение внутреннего слоя, изображенного на Фиг.1, вдоль линии III-III.
[0017] Фиг.4 представляет собой вид сверху первой альтернативной конфигурации ячейки внутреннего слоя.
[0018] Фиг.5 представляет собой вид сверху второй альтернативной конфигурации ячейки внутреннего слоя.
[0019] Фиг.6 представляет собой вид сбоку многослойной композитной акустической структуры, сформированной из множества внутренних слоев, изображенных на Фиг.1, с внешними облицовочными слоями и с промежуточным слоем между внутренними слоями.
[0020] Фиг.7 представляет собой график, показывающий зависимость коэффициента шумоподавления от частоты, связанной с тестированием представленного акустического субстрата, при переменных высотах и размерах ячеек.
[0021] Фиг.8 представляет собой диаграмму, показывающую результаты тестирования коэффициентов шумоподавления для конструкций из различных акустических субстратов и многослойных акустических структур.
[0022] Все чертежи являются схематичными и необязательно изображены в масштабе. Детали, имеющие ссылочные цифровые обозначения на одном чертеже, могут рассматриваться как те же самые детали, если они появляются на других чертежах без цифрового обозначения для краткости, если они конкретно не отмечены другим цифровым обозначением и не описаны в настоящем документе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0023] Особенности и преимущества настоящего изобретения иллюстрируются и описываются в настоящем документе путем ссылки на примерные варианты осуществления. Данное описание примерных вариантов осуществления предназначено для изучения совместно с прилагаемыми чертежами, которые должны рассматриваться как часть всего письменного описания. В описании вариантов осуществления, раскрытых в настоящем документе, любая ссылка на направление или ориентацию предназначается только для удобства описания и никоим образом не предназначена для ограничения области охвата настоящего изобретения. Относительные термины, такие как «нижний», «верхний», «горизонтальный», «вертикальный», «выше», «ниже», «вниз», «верх» и «низ», а также их производные (например, «горизонтально», «вниз», «вверх», и т.д.) должны рассматриваться как относящиеся к ориентации, описываемой или показываемой в рассматриваемом чертеже. Эти относительные термины используются только для удобства описания и не требуют, чтобы устройство создавалось или эксплуатировалось в конкретной ориентации. Такие термины, как «присоединенный», «прикрепленный», «связанный», «соединенный», «взаимосвязанный» и подобные им относятся к отношению, в котором структуры прикрепляются или присоединяются друг к другу непосредственно или косвенно через промежуточные структуры, а также с помощью подвижных или жестких креплений или зависимостей, если явно не описано иное. Соответственно, данное раскрытие явно не должно быть ограничено такими примерными вариантами осуществления, иллюстрирующими некоторую возможную не ограничивающую комбинацию особенностей, которые могут существовать отдельно или в других комбинациях особенностей.
[0024] Фиг.1 и Фиг.2 изображают один вариант осуществления акустического субстрата в соответствии с настоящим изобретением, показанный в разобранном и в собранном виде, соответственно. Акустический субстрат 20 включает в себя внутренний слой 22, первый внешний облицовочный слой 24, соединенный с первой главной стороной 26 внутреннего слоя, и второй внешний облицовочный слой 28, соединенный с противоположной второй главной стороной 30 внутреннего слоя. В некоторых вариантах осуществления, без ограничения, сторона 26 может быть передней стороной, которая обращена к пространству сооружения или к среде помещения, а сторона 30 может быть тыльной стороной, которая не видна после установки субстрата. Акустический субстрат 20 дополнительно включает в себя периферийные боковые стороны 32, проходящие вокруг всего внутреннего слоя 22, которые все вместе определяют край 31 периметра субстрата, который в свою очередь определяет длину и ширину. В одном варианте осуществления край периметра может иметь квадратный или прямоугольный профиль края, как показано на Фиг.2. Могут быть предусмотрены и другие подходящие профили края.
[0025] ВНУТРЕННИЙ СЛОЙ
[0026] Обращаясь к Фиг.1-3, внутренний слой 22 может быть сотовой структурой в конфигурации, имеющей множество взаимосвязанных стенок 34 ячеек, которые формируют множество открытых ячеек 36. Стенки 34 ячеек простираются вертикально в высоту между внешними облицовочными слоями, по существу перпендикулярно внешним облицовочным слоям 24, 28. Ячейки 36 определяют отверстия через внутренний слой 22, которые простираются вертикально через акустический субстрат 20 и перпендикулярно к внешним облицовочным слоям 24 и 28. Эта компоновка и вертикальная ориентация отверстий ячейки (то есть открытые сверху и снизу концы каждой ячейки) являются желательными и выгодными как для подавления акустических шумов, так и для повышения структурной жесткости субстрата. При объединении с внешними облицовочными слоями 24 и 28 внутренний слой формирует структурный элемент, аналогичный конструкции двутавровой балки, имеющей жесткость, которая противостоит отклонению или прогибу в направлении вдоль вертикальной оси, перпендикулярной к облицовочным слоям, под весом акустического субстрата 20.
[0027] В некоторых предпочтительных, но не ограничивающих вариантах осуществления субстрат является безрамным на всех боковых сторонах 32 вокруг края 31 периметра внутреннего слоя 22. Соответственно, в этих вариантах осуществления самые наружные ряды ячеек 36, проходящие вокруг всего края 31 периметра внутреннего слоя (независимо от его формы на виде сверху), видны снаружи, и их стенки 34 ячейки определяют боковые стороны 32 субстрата 20.
[0028] Обращаясь к Фиг.1-3, стенки 34 ячеек, которые определяют внутренний слой 22, могут быть сформированы из любого количества тонких, легких и пористых или непористых материалов, имеющих достаточную жесткость, чтобы противостоять прогибу. В одном варианте осуществления внутреннего слоя 22 могут быть сформированы бумажными стенками 34 ячеек. Бумага, используемая для строительства стенок 34 ячеек внутреннего слоя 22, может быть по меньшей мере 20-фунтовой крафт-бумагой, и в некоторых предпочтительных вариантах осуществления крафт-бумагой плотностью от 20 до 80 фунтов (с толщиной приблизительно от 0,004 до 0,015 дюйма), что обеспечивает необходимую жесткость внутреннему слою без ненужного увеличения веса структуры. В противоположность другим материалам бумага является обычно более экономичной и рентабельной в качестве материала боковой стенки внутреннего слоя. Однако в других вариантах осуществления было найдено, что такие материалы, как облегченное стекловолокно и тонкий алюминиевый лист, также удовлетворительно могут использоваться. С более тяжелым материалом (любого типа) обычно легче работать, но при этом увеличивается вес и стоимость без заметного улучшения любого из желаемых свойств структур внутреннего слоя, включая жесткость. В дополнение к этому, более толстые или более тяжелые бумажные материалы для формирования сотового внутреннего слоя увеличивают общее количество горючего материала, присутствующего в структуре, и таким образом оказывают неблагоприятное воздействие на противопожарные характеристики. Соответственно, при выборе материала для стенок 34 ячеек внутреннего слоя 22 необходимо соблюсти баланс между требуемой толщиной для того, чтобы противостоять прогибу, и этими последними факторами.
[0029] Ячейка 36 любых подходящих размеров может использоваться для внутреннего слоя 22. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления ширина или диаметр ячейки, формирующей сотовую структуру, могут составлять приблизительно от 1/4 дюйма до 3 дюймов, но более предпочтительно - приблизительно от 1/4 дюйма до 1 дюйма включительно в диаметре (учитывая, что шестиугольные ячейки аппроксимируют круг по форме и диаметру). Диаметры ячейки вне указанного диапазона являются подходящими, но менее желательными, потому что могут возникнуть проблемы с отклонением поверхности (выпучивание), повреждением незакрепленных краев, а также с расслаиванием.
[0030] Высота ячейки в некоторых предпочтительных вариантах осуществления может составлять приблизительно от 0,20 дюйма до 4 дюймов включительно. Высоты ячеек от 3/8 дюйма до 1,5 дюймов включительно были проверены, и они обеспечивают эквивалентные характеристики с точки зрения звукопоглощения. В некоторых вариантах осуществления высоты ячейки из диапазона приблизительно от 0,8 до 1,25 дюйма были проверены на прогиб и показали хорошее сопротивление прогибу. Однако могут использоваться другие подходящие высоты при условии, что сопротивление прогибу будет достаточным для данного размера акустической панели.
[0031] Для данного акустического субстрата 20, который может быть сформирован в акустическую панель или решение подходящей формы (например, многоугольную, круглую или другую), внутренний слой 22 образует по существу открытую структуру, основанную на трехмерном суммарном объеме внутреннего слоя, ограничиваемого боковыми стенками 32 и главными сторонами 26, 30 внутреннего слоя. В некоторых вариантах осуществления открытый объем ячеек предпочтительно может включать в себя 90% или больше суммарного объема, занимаемого внутренним слоем. В качестве представительных примеров, без ограничения, открытый объем ячеек 36 будет составлять приблизительно 99% суммарного объема внутреннего слоя для ячеек диаметром 1 дюйм и приблизительно 98% для ячеек диаметром 1/2 дюйма.
[0032] В некоторых вариантах осуществления бумажные стенки 34 ячеек внутреннего слоя 22 могут быть обработаны или пропитаны смолой, которая предназначается для защиты от влаги, грибков и насекомых, а также для противопожарной защиты. Могут использоваться фенольная смола или другие подходящие смолы. Для того чтобы улучшить огнезащитные характеристики, стенки 34 ячеек могут быть обработаны антипиреном, таким как полифосфат. В других вариантах осуществления бумажные стенки ячеек могут быть необработанными или непокрытыми.
[0033] Обращаясь к Фиг.1 и Фиг.2, внешние облицовочные слои 24 и 28 могут быть постоянно связаны с внутренним слоем 22 с использованием подходящего промышленного клейкого вещества 35, которое наносится на открытые верхние и нижние края 33a, 33b стенок 34 ячеек внутреннего слоя. Подходящие клейкие вещества включают в себя клейкое вещество Swifttak производства компании H. B. Fuller Company и другие, которые могут быть накатаны или иным образом нанесены на верхние и нижние края стенок ячеек внутреннего слоя. Количество используемого клейкого вещества предпочтительно является таким, чтобы оно обеспечивало связь между внутренним слоем и облицовочными слоями, обладающую достаточной прочностью отрыва. Для вышеописанной сборки место разрыва во время испытания на отрыв как правило является внутренним сцеплением самого сетчатого слоя. Было найдено, что покрытие обратной стороны холста краской или клейким слоем значительно улучшает прочность отрыва и срок службы окончательной сборки. При нанесении этого дополнительного слоя покрытия должна быть проявлена осторожность для того, чтобы не нарушить воздухопроницаемость поверхности, поскольку это отрицательно повлияло бы на звукопоглощение. В одном варианте осуществления акустический субстрат 20 может быть сформирован путем помещения первого облицовочного слоя 24 (обратной стороной вверх) на криволинейную оправку, а затем помещения покрытого с краю клейким веществом внутреннего слоя (например, верхних краев 33a) на облицовочный слой для плотного контакта. Затем второй облицовочный слой 28 может быть присоединен к покрытым клейким веществом нижним краям 33b внутреннего слоя аналогичным образом для того, чтобы завершить структуру акустического субстрата 20. С помощью применения этой методики можно легко изготавливать неплоские акустические структуры (сложные криволинейные панели), чего очень трудно достичь с помощью стандартных акустических материалов и методик сборки. Следует понимать, что собранный акустический субстрат может также рассматриваться и называться как акустическая панель.
[0034] Следует иметь в виду, что могут использоваться конфигурации внутреннего слоя, отличающиеся от шестиугольной сотовой структуры (в поперечном сечении перпендикулярно к вертикальному направлению), показанной на Фиг.3. Например, в некоторых вариантах осуществления может использоваться внутренний слой 40, имеющий рифленую конструкцию, показанную на Фиг.4, которая может быть сформирована из множества «W-образных» синусоидально искривленных или волнистых стенок 42 ячеек, расположенных и связанных между чередующимися рядами продольно проходящих стенок 44 прямых ячеек. Открытые ячейки 46 формируются в отверстиях между волнообразными стенками ячеек и прямыми стенками ячеек. Предпочтительно, рифленая конструкция внутреннего слоя ориентируется так, чтобы ячейки открывались вертикально на верхних и нижних краях внутреннего слоя аналогично ориентации внутреннего слоя 22 для обеспечения характеристик шумоподавления и структурной жесткости для противодействия прогибу или изгибу. В другом возможном варианте осуществления внутренний слой 50, имеющий ячейки 52 треугольной формы, сформированные стенками 54 ячеек, может быть выполнен так, как показано на Фиг.5. Подходящие внутренние слои с треугольными ячейками 52 могут быть получены от компании Tricel Honeycomb Corporation. Соответственно, может использоваться множество подходящих форм ячеек и внутренних слоев.
[0035] В одном варианте осуществления сотовый внутренний слой 22 и облицовочные слои 24, 28 предпочтительно обеспечивают облегченную жесткую структуру, достаточную для того, чтобы противостоять прогибу без необходимости в тяжелых рамках периметра для обеспечения дополнительной поддержки. Соответственно, акустический субстрат 20 может быть безрамным от края 31 периметра до края периметра внутреннего слоя без необходимости (и без соответствующих затрат) в какой-либо раме поддержки периметра, постоянно присоединенной к самому субстрату. Это позволяет рабочему легко резать акустический субстрат 20 в соответствии с требуемым размером непосредственно на месте во время установки. Следовательно, акустические субстраты 20 в соответствии с настоящим изобретением являются особенно выгодными для приложений модернизации, в которых существующие акустические панели в поддерживающей решетчатой системе должны быть заменены.
[0036] ОБЛИЦОВОЧНЫЕ СЛОИ (ХОЛСТ)
2
[0037] Обращаясь к Фиг.1, 2, внешние облицовочные слои 24 и 28 в некоторых вариантах осуществления могут быть холстом, состоящим из нетканых стеклянных волокон, ламинированных в полимерной матрице. Эта конструкция является подходящей для акустических панелей высокого класса для придания им гладкого внешнего вида, длительного срока службы и способности сохранять размеры при сохранении подходящей акустической пористости. В одном варианте осуществления внешние облицовочные слои 24 и 28 не содержат механически сформированных или изготовленных отверстий, но вместо этого используют пористость самого материала облицовочного слоя для достижения желаемого сопротивления воздушному потоку. Облицовочные слои 24, 28 могут иметь представительные толщины в диапазоне приблизительно от 0,008 до 0,050 дюймов включительно в зависимости от таких соображений, как стоимость, вес и т.п. В одном варианте осуществления толщина может номинально составлять приблизительно 0,030 дюйма. Непокрытые холсты будут иметь вес как правило в диапазоне приблизительно от 30 до 150 г/м, предел прочности больше чем 150 Н/50 мм и будут сделаны с использованием волокон с номинальным диаметром 10 мкм. Такие холсты легко доступны от таких поставщиков, как Owens Corning, Lydall, Ahlstrom и Johns Manville.
[0038] Удельное сопротивление воздушному потоку акустической структуры является свойством проницаемости или пористости, которое определяет звукопоглощающие и звукопередающие свойства структуры. Внешние облицовочные слои 24 и 28 с большей пористостью позволяют звуку проходить через слой к внутреннему слою вместо того, чтобы отражаться обратно в помещение, улучшая тем самым звукопоглощение и значение NRC акустического субстрата 20. Удельное сопротивление воздушному потоку может быть определено с помощью стандарта ASTM C522 и измеряется в единицах Рейли в системе MKS (Па·с/м). Этот метод испытаний предназначен для измерения величин удельного сопротивления воздушному потоку с линейными скоростями воздушного потока в диапазоне от 0,5 до 50 мм/с и перепадами давлений на образце в диапазоне от 0,1 до 250 Па. Более высокие величины сопротивления воздушному потоку представляют соответственно более плотные и менее пористые облицовки. Соответственно, путем управления удельным сопротивлением воздушному потоку облицовочных слоев 24 и 28 можно управлять и изменять величину NRC для того, чтобы достичь желаемой характеристики звукопоглощения композитной структуры акустического субстрата 20. Эти находки были парадоксальными, поскольку для типичного акустического продукта для того, чтобы максимизировать звукопоглощение, нужно минимизировать сопротивление воздушному потоку. В этой конкретной структуре было найдено, что звукопоглощение будет увеличиваться с сопротивлением воздушному потоку, по-видимому, достигающим максимума в точке, в которой один или более акустических слоев имеет сопротивление воздушному потоку порядка 500 Рейли в системе MKS. Акустическое поглощение падает по мере того, как величина сопротивления уменьшается, поскольку структура становится слишком открытой и неспособной рассеивать акустическую энергию посредством фрикционных потерь. Также предсказывается, что акустическое поглощение также будет уменьшаться, когда сопротивление воздушному потоку слоев в сборке будет выше 500 Рейли в системе MKS, благодаря увеличению той части звуковой энергии, которая отражается обратно в пространство вместо того, чтобы поглощаться.
[0039] В некоторых вариантах осуществления величина удельного сопротивления воздушному потоку в диапазоне приблизительно от 100 до 500 Рейли в системе MKS включительно по меньшей мере для одного из внешних облицовочных слоев 24 и 28 была определена авторами настоящего изобретения как эффективная для достижения желаемой акустической характеристики звукопоглощения (то есть высоких значений NRC) акустического субстрата 20. Сопротивление воздушному потоку оставшегося внешнего облицовочного слоя 24 или 28 может меняться от 0 Рейли в системе MKS до бесконечности (то есть непористого слоя) для того, чтобы достичь различных величин NRC для акустического субстрата. В одном варианте осуществления каждый внешний облицовочный слой 24, 28 может иметь сопротивление воздушному потоку приблизительно 300 Рейли в системе MKS.
[0040] Сопротивлением воздушному потоку каждого из внешних облицовочных слоев 24 и 28 можно управлять с помощью множества методов, включая без ограничения нанесение специальных красочных покрытий, методы нанесения клейких покрытий и/или плотность (пористость) самого материала облицовочного слоя. В одном варианте осуществления (см. Фиг.2) открытые поверхности внешних облицовочных слоев 24, 28 могут быть покрыты или окрашены в соответствии с патентом US 5888626, который включен в настоящий документ посредством ссылки во всей его полноте, высокотвердым латексным акриловым красочным покрытием 60, имеющим достаточно пористый состав для того, чтобы достичь сопротивления воздушному потоку в вышеуказанном желаемом диапазоне приблизительно от 100 до 7500 Рейли в системе MKS включительно в облицовочных слоях, что обычно является акустически прозрачным и оптически непрозрачным в эстетических целях. Может использоваться краска, такая как бренд Durabrite, или другие подходящие краски. В одном варианте осуществления краска может представлять собой суспензию с высоким содержанием твердых веществ/низким содержанием жидкости, в диапазоне приблизительно от 70 до 85 мас.% твердых веществ. Представительный красочный состав с высоким содержанием твердых веществ, который может использоваться, без ограничения, является следующим: 6,8% [в диапазоне от 4 до 20%] акриловой латексной эмульсии, 33,78% [в диапазоне от 30 до 55%] известнякового шлама, 50,95% [в диапазоне от 30 до 55%] известняка (фракции 40 меш), 1,41% [в диапазоне от 1 до 8%] твердой двуокиси титана и 7,06% [в диапазоне от 2 до 8%] жидкой воды. Представительные плотности нанесения краски, которые могут использоваться, составляют от 40 до 60 г/кв. фут. Другие покрытия, такие как клейкие вещества или краски с низким содержанием твердых веществ, также могут использоваться для достижения сопротивления воздушному потоку, необходимого для того, чтобы достичь оптимального звукопоглощения, причем ключевым атрибутом является прерывистость нанесения, чтобы покрытие было способно придать конечному продукту подходящее сопротивление воздушному потоку.
[0041] Для внешних облицовочных слоев 24, 28 могут использоваться другие подходящие материалы и холсты, такие как, без ограничения, сделанные из естественных или искусственных органических волокон, комбинации стеклянных/органических волокон, неорганические волокна, такие как минеральная вата, а также другие тканеподобные материалы. В некоторых вариантах осуществления может использоваться тканый стеклянный холст. Ключевым атрибутом для акустики является сопротивление воздушному потоку конечных поверхностей. Это сопротивление воздушному потоку может быть либо изначальным атрибутом облицовочного материала, либо может быть придано облицовочному материалу посредством слоя покрытия. Облицовочные материалы должны быть по меньшей мере немного гибкими для того, чтобы упростить производственную операцию сборки и предпочтительно иметь ограниченную горючесть для того, чтобы достичь огнестойкости, необходимой для внутренней отделки. Управляемое сопротивление воздушному потоку внешних слоев является ключевым отличительным признаком настоящего изобретения по сравнению с предшествующим уровнем техники. Хотя сотовые внутренние слои использовались для формирования акустических структур, во всех этих случаях поверхности упомянутых структур изготавливались либо из твердых пленок, либо из тонких слоев материалов, которые были непроницаемыми для воздушного потока (то есть отражательные поверхности). Акустическая эффективность достигалась путем выштамповки отверстий в поверхности и формирования резонаторов Гельмгольца. Такие резонаторы поглощают звук в очень узких полосах частот, границы которых определяются диаметром отверстия, длиной горлышка и объемом камеры. В отличие от резонаторов Гельмгольца настоящее изобретение способно к достижению звукопоглощения во всем спектре слышимых частот.
[0042] АКУСТИЧЕСКАЯ ПАНЕЛЬ
[0043] Акустические панели, сформированные из акустического субстрата 20, в некоторых вариантах осуществления могут иметь представительные толщины (то есть облицовочные слои и внутренний слой) в диапазоне приблизительно от 0,375 до 3 дюймов включительно, с предпочтительным, но не ограничивающим диапазоном приблизительно от 0,6 до 1,5 дюймов включительно. Панели различных желаемых габаритных размеров (например, ширины и длины) могут быть сформированы с использованием акустического субстрата 20. В некоторых вариантах осуществления, без ограничения, акустические панели могут иметь размер 4 фута × 4 фута, 4 фута × 8 футов и 4 фута × 12 футов, причем большие размеры обеспечиваются прогрессирующе увеличивающейся высотой ячеек внутреннего слоя для того, чтобы противостоять прогибу.
[0044] Четырехкратные циклические тесты на прогиб (при относительной влажности от 35RH до 90 RH), проведенные на множестве акустических субстратов 20, сформированных в соответствии с настоящим изобретением, показали приемлемые величины конечного отклонения, меньше чем 0,035 дюйма для панели размером 2 фута × 4 фута. Это означает, что конструкция субстрата, использующая безрамный облегченный открытый внутренний слой и внешние облицовочные слои, описанные в настоящем документе, обладают достаточной структурной прочностью по сравнению с их более тяжелыми рамочными аналогами. Упомянутые результаты были достигнуты с панелями, изготовленными с использованием сот со структурой, показанной на Фиг.4, выполненных из обработанной смолой бумаги и имеющих высоту ячейки 1 дюйм, размер ячейки 0,75 дюйма, и покрашенных стеклянных облицовочных холстов с акустическим импедансом 150 Рейли с обеих сторон. Подобные результаты были также достигнуты с панелями, изготовленными с использованием сот со структурой, показанной на Фиг.3, сделанных из необработанной бумаги с высотой ячейки внутреннего слоя 0,75 дюйма, размером ячейки 1 дюйм и облицовочных холстов с акустическим импедансом 500 Рейли с одной стороны и 150 Рейли с другой стороны.
[0045] Акустические панели, сделанные из акустического субстрата 20, могут быть сформированы во множестве конфигураций в соответствии с желательными для данного применения поглощением звука и эстетическими потребностями, включая, например, без ограничения, многоугольную, квадратную, эллипсоидальную, круглую, шестиугольную, трапециевидную конфигурацию и т.д., а также с различными боковыми профилями, включая плоский, выпуклый, вогнутый, а также их комбинации. Соответственно, настоящее изобретение не ограничивается формой акустического субстрата.
[0046] АКУСТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА С МНОЖЕСТВОМ ВНУТРЕННИХ СЛОЕВ
[0047] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается многослойная акустическая структура 100, получаемая соединением двух или более акустических субстратов 20 вместе, как показано на Фиг.6. В одной предпочтительной конструкции этого варианта осуществления акустическая структура 100 включает в себя нижний акустический субстрат 120a и верхний акустический субстрат 120b. В процессе изготовления по меньшей мере один промежуточный облицовочный слой 102 прикрепляется между внутренним слоем 122a акустического субстрата 120a и внутренним слоем 122b акустического субстрата 120b на противоположных сторонах этого промежуточного слоя. В альтернативных менее предпочтительных, но все еще подходящих конструкциях один из внешних облицовочных слоев 24 или 28 каждого акустического субстрата 120a и 120b могут просто примыкать друг к другу и связываться вместе подходящим клейким веществом. Однако эта конструкция может увеличить издержки производства и вес, а также повлиять на эффективность звукопоглощения акустической структуры 100, которая должна акустически учитывать дополнительный промежуточный облицовочный слой. Соответственно, желателен единственный промежуточный облицовочный слой 102, если это возможно.
[0048] В отличие от акустических структур с одним внутренним слоем, многослойная конструкция с множественными внутренними слоями выгодно обеспечивает возможность увеличить общую эффективность звукопоглощения (то есть NRC) и/или жесткость акустической структуры 100, чтобы противостоять отклонению или прогибу на больших незакрепленных пролетах или расстояниях. Многослойная конструкция позволяет достигать как высокого звукопоглощения, так и высоких величин затухания звука в простой для производства и дешевой композитной структуре. Этот подход также обеспечивает более высокие величины звукопоглощения в некоторых случаях, чего можно достичь с помощью акустической панели с одиночным сотовым или другой формы внутренним слоем.
[0049] Как правило, трудно достичь одновременно высокого звукопоглощения и высоких величин затухания звука в одном и том же продукте, так как первое требует высокой пористости, а последнее - массы (или высокой плотности). Продукты предшествующего уровня техники, которые могут достигать обеих этих целей, обычно являются очень дорогими в производстве, поскольку изготавливаются из толстых плотных слоев минерального волокна. Выгодным является то, что развязка звукопоглощения от структуры и материального состава панели позволяет достигать как высокого затухания, так и высокого поглощения в одном и том же продукте.
[0050] Создание структуры с тремя или более облицовочными слоями обеспечивает дополнительные места для рассеяния звуковой энергии. Для структуры с высоким ослаблением средний или промежуточный облицовочный слой 102 обеспечивает кажущуюся толщину и дополнительное место для потери звуковой энергии для падающих звуковых волн, обеспечивая тем самым выгоды в плане акустической эффективности. В структуре с низким ослаблением наличие трех слоев изменяет кажущуюся жесткость структуры и таким образом может благоприятно влиять на провал совпадения (то есть на нежелательный провал в эффективности потерь звукопередачи на конкретной частоте, где панель по существу резонирует/вибрирует на основе ее конструкции, когда поступающая звуковая волна имеет ту же самую частоту, заставляя тем самым звук передаваться через среду вместо эффективного его поглощения). За счет перемещения провала совпадения дальше от нежелательной частоты (например, 500 Гц) за счет использования композитной акустической структуры 100 срединная частота звукопоглощения выгодно увеличивается. Звукопоглощение на частоте 500 Гц является особенно существенным, поскольку она является одной из четырех частот, используемых для вычисления звукопоглощения, и находится в среднем диапазоне человеческого слуха.
[0051] Промежуточный слой 102 может быть выполнен так же и из того же самого материала, что и внешние облицовочные слои 24 и 28, описанные в настоящем документе, и может иметь аналогичные размеры и оценки сопротивления воздушному потоку. Соответственно, промежуточный слой 102 может иметь сопротивление воздушному потоку в диапазоне приблизительно от 100 до 500 Рейли в системе MKS включительно, аналогично внешним облицовочным слоям 24 и 28. В различных вариантах осуществления и комбинациях, используемых в акустической структуре 100, промежуточный слой 102 может иметь сопротивление воздушному потоку, которое является тем же самым, что и у одного или обоих внешних облицовочных слоев 24 и 28, или отличается от них. В других вариантах осуществления промежуточный слой 102 может быть выполнен иначе и/или из других материалов, чем внешние облицовочные слои 24 и 28, описанные в настоящем документе, и может иметь другие размеры и/или сопротивление воздушному потоку. Любые комбинации вышеописанных конструкций могут использоваться для внешних облицовочных слоев 24 и 28 и промежуточного слоя 102 в зависимости от желаемых акустической эффективности, сопротивления прогибу и т.д.
[0052] Хотя описанная в настоящем документе структура, проиллюстрированная на Фиг.6, включает в себя два внутренних слоя, следует иметь в виду, что в соответствии с концепцией акустической структуры 100 могут быть предусмотрены другие многослойные конструкции, имеющие три или более внутренних слоев. Соответственно, настоящее изобретение не ограничивается акустической структурой с двумя внутренними слоями.
[0053] РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
[0054] Испытания на звукопоглощение проводились на акустическом субстрате 20, имеющем единственный открытый внутренний слой 22, для определения влияния высоты, размера, формы и конструкционного материала ячейки. Фиг.7 содержит график, показывающий значения звукопоглощения в диапазоне частот, полученные для множества сотовых структур. Значения поглощения определялись с использованием способа импедансной трубы, описанного в стандарте ASTM C384. Также включена таблица, описывающая высоты и размеры ячеек. Самая верхняя линия графика представляет конструкцию категории H, а самая нижняя линия графика представляет конструкцию категории D. Остальные категории близко соединяются между линиями категории D и категории H, как показано на чертеже. Примечательно то, что единственным фактором, который придает заметное изменение кривой звукопоглощения, является сопротивление воздушному потоку покрывающего поверхность материала (категория H). Сотовая структура по существу функционирует как прокладка для акустически поглощающих сетчатых слоев.
[0055] Фиг.8 представляет собой диаграмму, показывающую значения звукопоглощения или NRC для различных конструкций с единственным открытым внутренним слоем (Фиг.2, акустический субстрат 20) и многослойных акустических структур с открытым внутренним слоем (Фиг.6, акустическая структура 100), определенные в соответствии со стандартом ASTM C423. Как видно на диаграмме, многослойные акустические структуры, такие как показанная на Фиг.6, имеют тенденцию к более высоким значениям NRC. Эта диаграмма также показывает влияние изменения сопротивления воздушному потоку переднего облицовочного слоя 24 («передней поверхности»), заднего облицовочного слоя 28 («задней поверхности») и промежуточного облицовочного слоя 102 («среднего слоя»), где обозначения «передний» и «задний» указывают на облицовочные слои, которые являются самым близким к источнику звука и самым дальним от него, соответственно. Для многослойной акустической структуры 100 величина NRC (среднее значение) предпочтительно составляет больше чем 0,85, и более предпочтительно - больше чем 0,90. Величина NRC, используемая для описания акустической эффективности данного материала, определяется из среднего значения звукопоглощения на частотах 250, 500, 1000 и 2000 Гц.
[0056] На Фиг.8 следует отметить, что два размера ячеек (то есть диаметры), перечисленные в диаграмме для каждой из последних трех строк, показывают, что нижний акустический субстрат 120b и верхний акустический субстрат 120a имели внутренний слой 122b и 122a соответственно с ячейками различных размеров по ширине или диаметру (то есть 0,50 дюйма и 1,00 дюйм). В других возможных вариантах осуществления ширины или диаметры ячейки могут быть одинаковыми в каждом внутреннем слое 122a, 122b. В дополнение к этому, в некоторых вариантах осуществления форма ячеек может отличаться во множестве внутренних слоев (например, без ограничения, сотовая и треугольная, сотовая и рифленая, их различные комбинации и другие формы). Различные высоты ячеек также могут использоваться в каждом внутреннем слое. В некоторых вариантах осуществления высота ячеек 36 в каждом внутреннем слое 122a, 122b может быть одинаковой или различающейся. Кроме того, материалы, используемые для стенок 34 ячеек, могут быть одинаковыми или различающимися в каждом внутреннем слое 122a, 122b (например, крафт-бумага, стекловолокно, алюминий и т.д.). Соответственно, использование и возможные комбинации всех этих вышеописанных конструктивных параметров в акустической структуре 100 выгодно обеспечивают высокую степень гибкости в достижении желаемых эффективности звукопоглощения и сопротивления прогибу для данного применения.
[0057] Дополнительно на Фиг.8 можно отметить, что как в акустическом субстрате 20 с одним внутренним слоем, так и в акустической структуре 100 со множеством внутренних слоев по меньшей мере любой один из внешних облицовочных слоев 24 и 28 или промежуточный слой 102 может быть выполнен с возможностью иметь «бесконечный» коэффициент сопротивления воздушному потоку, означающий, что этот слой/промежуточный слой является непористой структурой, которая не пропускает воздух. В акустических структурах 100 с множеством внутренних слоев, показанных в диаграмме, изображенной на Фиг.8, можно заметить, что использование по меньшей мере заднего непористого слоя в некоторых вариантах осуществления не приводит к заметному ухудшению NRC или оценки звукопоглощения.
[0058] В то время как предшествующее описание и чертежи представляют примерные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что в них могут быть сделаны различные добавления, модификации и замены без отступлений от сущности, объема защиты и диапазона эквивалентов приложенной формулы изобретения. В частности, специалистам в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение может быть воплощено в других формах, структурах, компоновках, соотношениях, размерах, а также с другими элементами, материалами, и компонентами без отступлений от его духа или существенных характеристик. В дополнение к этому, многочисленные вариации в описанных в настоящем документе способах/процессах могут быть сделаны в пределах объема настоящего изобретения. Кроме того, специалисту в данной области техники будет понятно, что эти варианты осуществления могут использоваться со многими модификациями структуры, компоновки, соотношений, размеров, материалов, компонентов и т.п., используемых в реализации настоящего изобретения, которые, в частности, адаптированы к конкретной окружающей среде и действующим требованиям, без отступлений от описанных в настоящем документе принципов. Следовательно, раскрытые в настоящем документе варианты осуществления следует во всех отношениях рассматривать как иллюстративные, а не ограничивающие. Приложенную формулу изобретения следует рассматривать в широком смысле, включая другие разновидности и варианты осуществления настоящего изобретения, которые могут быть сделаны специалистами в данной области техники без отступлений от объема и диапазона эквивалентов.