一种N阶声学超材料低频隔声结构的制作方法

一种n阶声学超材料低频隔声结构
技术领域
[0001]
本发明涉及机械噪声与环境噪声控制技术领域，特别涉及一种n阶声学超材料低频隔声结构。


背景技术：

[0002]
随着机电设备的大量使用，在我们的日常生产生活中，噪声问题日益严重。尤其是低频噪声的隔离更是一项难题，因为低频噪声的波长较长，容易穿透隔声屏障。根据质量定律可知，使用传统的匀质材料进行噪声衰减需要结构的面密度足够大，这往往会使隔声结构的重量和厚度过大，从而难以用于实际工程之中。然而，声学超材料的出现为噪声控制带来了新的思路和方法。声学超材料是一种人工复合结构，能够实现负的等效动态参数，例如负等效质量密度和负等效体积模量，从而能够在某些特定频段实现对声波超乎寻常的控制作用。其中，基于局域共振原理的声学超材料隔声结构具有潜在的工程应用前景。一种典型的声学超材料单元胞在2008年被提出，它是由薄膜、支撑框架和中心质量块构成，在单元胞的反共振频率处能够实现声波的近乎全反射。
[0003]
随着声学超材料的快速发展，针对低频噪声控制越来越多的声学超材料单元胞被提出。但是，现有的声学超材料低频隔声的研究大多是基于单元胞结构提出的。若要提升声学超材料的工程应用性能，则必须考虑声学超材料单元胞阵列扩展以构成大规模声学超材料结构。
[0004]
但是，目前的研究表明声学超材料单元胞阵列扩展到大规模结构时，其隔声性能不同于声学超材料单元胞的隔声性能，即针对单元胞进行的低频隔声设计不再适用于大规模结构，而且单元胞阵列之后的扩展结构的低频隔声性能很差，难以形成有效的低频隔声峰。该问题严重限制了声学超材料在低频隔声中的工程应用性能。


技术实现要素：

[0005]
为解决上述现有技术的不足之处，本发明提供一种高阶声学超材料低频隔声结构，其结构轻巧、简单，通过调节结构、材料参数可以实现低频范围内特定频率处的高隔声量。本发明具有嵌套设计的思想，在声学超材料单元胞扩展结构中心添加质量块可以构成二阶声学超材料，在二阶声学超材料扩展结构的中心添加质量块可以构成三阶声学超材料，以此类推。对于n阶声学超材料，通过将高阶声学超材料的整板模态调节至低阶声学超材料的整板模态之下，利用相邻阶次声学超材料之间的耦合反共振可以实现n-1个低频隔声峰。因此，本发明还可以在低频范围内实现多频隔声，对于具有多个噪声频率的低频噪声具有很好的适用性和广阔的应用前景。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供了一种n阶声学超材料低频隔声结构，所述结构包括：
[0007]
多个沿x、y方向阵列扩展的(n-1)阶声学超材料低频隔声结构，其中，
[0008]
当n＝2时，二阶声学超材料低频隔声结构包括沿x、y方向阵列扩展的多个声学超
材料单元胞和附着于扩展结构中心的二阶质量块，
[0009]
当n＝3时，三阶声学超材料低频隔声结构包括沿x、y方向阵列扩展的多个二阶声学超材料低频隔声结构、附着于扩展结构中心的三阶质量和外部框架，
[0010]
以此类推，n＞3时，所述n阶声学超材料低频隔声结构包括多个沿x、y方向阵列扩展的(n-1)阶声学超材料低频隔声结构，粘接附着在(n-1)阶声学超材料扩展结构中心的n阶质量块和外部框架；其中，所述结构产生的隔声峰是通过相邻阶次声学超材料的模态耦合反共振效应产生，所述n阶质量块用以增强所述模态耦合反共振效应。
[0011]
本发明具有以下有益效果：
[0012]
(1)相较于传统的大规模声学超材料，本发明可以在低于500hz的低频范围内实现具有高隔声量的隔声峰，并且调整结构的尺寸和材料参数可以调节隔声峰的位置、隔声带宽以及隔声量；
[0013]
(2)本发明中，一阶质量块的作用是增强单元胞相邻模态间的耦合反共振效应，而高阶质量块的作用是增强整板模态和局部模态的耦合反共振效应，通过调节高阶质量块的质量大小也可以改变隔声峰的位置、带宽和隔声量；
[0014]
(3)本发明具有嵌套设计的特点，高阶声学超材料的模态更加丰富，通过调节相邻阶次声学超材料的基频，可以在低频范围内实现多个隔声峰，对于n阶声学超材料可以实现n-1个隔声峰；
[0015]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0016]
图1是根据本发明一个实施例的二阶声学超材料低频隔声结构的结构示意图；
[0017]
图2是根据本发明一个实施例的高阶声学超材料低频隔声结构的设计原理图；
[0018]
图3是根据本发明一个实施例的二阶声学超材料低频隔声结构的有限元仿真模型示意图；
[0019]
图4是根据本发明一个实施例的二阶声学超材料低频隔声结构的有限元仿真隔声曲线示意图；
[0020]
图5是根据本发明一个实施例的二阶声学超材料低频隔声结构的不同大小二阶质量下有限元仿真隔声曲线示意图；
[0021]
图6是根据本发明一个实施例的二阶声学超材料低频隔声结构的有限元仿真隔声曲线的隔声峰和隔声谷处的法向振动位移示意图；
[0022]
图7是根据本发明一个实施例的二阶声学超材料低频隔声结构的不同支撑框架厚度下有限元仿真隔声曲线示意图；
[0023]
图8是根据本发明一个实施例的二阶声学超材料低频隔声结构的不同支撑框架材料参数下有限元仿真隔声曲线示意图；
[0024]
图9是根据本发明一个实施例的二阶声学超材料低频隔声结构的不同薄板厚度下有限元仿真隔声曲线示意图；
[0025]
图10是根据本发明一个实施例的二阶声学超材料低频隔声结构的不同薄板材料参数下有限元仿真隔声曲线示意图；
[0026]
图11是根据本发明一个实施例的二阶声学超材料低频隔声结构的样品测试示意图；
[0027]
图12是根据本发明一个实施例的二阶声学超材料低频隔声结构的测试结果与仿真结果对比示意图。
具体实施方式
[0028]
本发明提供了一种n阶声学超材料低频隔声结构，所述结构包括：
[0029]
多个沿x、y方向阵列扩展的(n-1)阶声学超材料低频隔声结构，其中，
[0030]
当n＝2时，二阶声学超材料低频隔声结构包括沿x、y方向阵列扩展的多个声学超材料单元胞和附着于扩展结构中心的二阶质量块，
[0031]
当n＝3时，三阶声学超材料低频隔声结构包括沿x、y方向阵列扩展的多个二阶声学超材料低频隔声结构、附着于扩展结构中心的三阶质量和外部框架，
[0032]
以此类推，n＞3时，所述n阶声学超材料低频隔声结构包括多个沿x、y方向阵列扩展的(n-1)阶声学超材料低频隔声结构，粘接附着在(n-1)阶声学超材料扩展结构中心的n阶质量块和外部框架；其中，所述结构产生的隔声峰是通过相邻阶次声学超材料的模态耦合反共振效应产生，所述n阶质量块用以增强所述模态耦合反共振效应。
[0033]
一方面，相较于传统的大规模声学超材料，本发明可以在低于500hz的低频范围内实现具有高隔声量的隔声峰，并且调整结构的尺寸和材料参数可以调节隔声峰的位置、隔声带宽以及隔声量；
[0034]
另一方面，本发明中的一阶质量块的作用是增强单元胞相邻模态间的耦合反共振效应，而高阶质量块的作用是增强整板模态和局部模态的耦合反共振效应，通过调节高阶质量块的质量大小也可以改变隔声峰的位置、带宽和隔声量；
[0035]
其次，本发明具有嵌套设计的特点，高阶声学超材料的模态更加丰富，通过调节相邻阶次声学超材料的基频，可以在低频范围内实现多个隔声峰，对于n阶声学超材料可以实现n-1个隔声峰；
[0036]
总之，本发明解决了声学超材料单元胞扩展到大规模之后低频隔声性能差的问题，同时实现大规模声学超材料低频宽带隔声。本发明具有结构简单、易于调节等特点，同时结构具有很大的扩展空间，对于低频范围内的多频隔声具有潜在的应用前景。
[0037]
在一个较佳的实施例中，所述单元胞包括内部开有圆形通孔的方形单元胞支撑框架、高分子聚合物薄板和一阶质量块，所述高分子聚合物薄板粘接在所述单元胞支撑框架一侧，所述一阶质量块粘接在所述高分子聚合物薄板任一侧的中心位置。
[0038]
在一个较佳的实施例中，所述单元胞支撑框架的外部形状为以下任一形状：三角形、长方形、正方形、正六边形，所述单元胞内部通孔的形状为以下任一形状：圆形、三角形、长方形、正方形、正六边形。
[0039]
在一个较佳的实施例中，所述高分子聚合物薄板可以为以下任一种材料：尼龙板、pet板、pei板，所述单元胞支撑框架以及所述外部框架可以为以下任一种材料：fr4玻璃纤维、环氧树脂、abs树脂、有机玻璃、铁、铝。
[0040]
在一个较佳的实施例中，所述声学超材料单元胞的高分子聚合物薄板中心布置有一阶质量块，所述高阶声学超材料中心布置有高阶质量块，所述一阶质量块和高阶质量块
可由铁、铝或非金属制成，其截面形状为圆形、圆环形或者方形。
[0041]
在一个较佳的实施例中，所述高阶声学超材料的中心质量块可以放置在支撑框架上，也可以放置在单元胞上将单元胞覆盖，所述4
×
4高阶声学超材料的中心质量块放置在支撑框架上。
[0042]
在一个较佳的实施例中，n阶声学超材料所含(n-1)阶声学超材料的数目均不受限制。
[0043]
在一个较佳的实施例中，通过调整所述支撑框架和所述高分子聚合物薄板的结构、材料参数以及n阶质量块的质量大小可以调节所述隔声峰的频率位置、隔声带宽、以及隔声量大小。
[0044]
下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0045]
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
[0046]
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0047]
为了更好地理解，以二阶声学超材料为例进行说明，图1是根据本发明一个实施例的高阶声学超材料低频隔声结构的示意图。如图1所示，二阶声学超材料低频隔声结构1包括沿x、y方向阵列扩展的多个声学超材料单元胞2和附着于扩展结构中心的二阶质量块3。如图2所示，三阶声学超材料低频隔声结构7包括沿x、y方向阵列扩展的多个二阶声学超材料1，附着于扩展结构中心的三阶质量块8和外部支撑框架9。以此类推，更高阶声学超材料低频隔声结构如下：n阶声学超材料可由多个沿x、y方向阵列扩展的(n-1)阶声学超材料，粘接附着在(n-1)阶声学超材料扩展结构中心的n阶质量块和外部框架构成。
[0048]
本发明所述的n阶声学超材料低频隔声结构中，声学超材料单元胞2包括：内部开有圆形通孔的方形单元胞支撑框架4、高分子聚合物薄板5和一阶质量块6。高分子聚合物薄板5粘接在所述单元胞支撑框架4的表面，一阶质量块6粘接在高分子聚合物薄板5任一侧的中心位置。
[0049]
本发明所述的n阶声学超材料低频隔声结构中，单元胞支撑框架的外部形状可以为三角形、长方形、正方形、正六边形等几何规则形状中的任意形状，单元胞内部通孔的形状可以为圆形、三角形、长方形、正方形、正六边形等几何规则形状以及其他几何不规则形状。
[0050]
本发明所述的n阶声学超材料低频隔声结构中，高分子聚合物薄板5可以为尼龙
板、pet板或pei板，单元胞支撑框架4以及外部框架可由fr4玻璃纤维、环氧树脂、abs树脂、有机玻璃、铁或铝等制成。
[0051]
本发明所述的n阶声学超材料低频隔声结构中，声学超材料单元胞2的高分子聚合物薄板5中心布置有一阶质量块6，高阶声学超材料中心布置有高阶质量块3、8，一阶质量块6和高阶质量块3、8由铁、铝等金属及非金属制成，其截面形状为圆形、圆环形、方形等。
[0052]
本发明所述的n阶声学超材料低频隔声结构中，n阶声学超材料的中心质量块可以放置在支撑框架上，也可以放置在单元胞上将单元胞覆盖，所述4
×
4高阶声学超材料的中心质量块放置在支撑框架上。
[0053]
本发明所述的n阶声学超材料低频隔声结构中，二阶声学超材料1所含声学超材料单元胞2的数目、三阶声学超材料7所含二阶声学超材料1的数目、n阶声学超材料所含n-1阶声学超材料的数目均不受限制。所述高阶声学超材料均以4
×
4阵列进行说明。
[0054]
本发明所述的n阶声学超材料低频隔声结构中，所产生的隔声峰是通过相邻阶次声学超材料的模态耦合反共振产生的，高阶质量的作用是增强这种模态耦合反共振效应。对于n阶声学超材料，其隔声峰是通过n阶声学超材料、(n-1)阶声学超材料、......、2阶声学超材料、声学超材料单元胞之间的模态耦合反共振产生的，一个可产生n-1个隔声峰，其中n阶质量块的作用是增强n阶声学超材料和(n-1)阶声学超材料之间的耦合反共振效应。
[0055]
本发明所述的n阶声学超材料低频隔声结构中，通过调整支撑框架和高分子聚合物薄板的结构、材料参数以及中心质量块的质量大小可以调节隔声峰的频率位置、隔声带宽、以及隔声量大小。
[0056]
在一个实施例中，为了进一步理解本发明，对图1所示的二阶声学超材料低频隔声结构进行有限元仿真研究，以揭示其隔声机理。其中单元胞2的方形支撑框架4的外部边长为a＝22mm，内部圆形通孔的半径为r＝10mm，支撑框架4厚度为h＝2mm；高分子聚合物薄板5的厚度为h＝0.2mm；一阶质量块6的半径为r
1
＝2mm，厚度为h
1
＝1mm；二阶质量块3的半径为r
2
＝5mm，厚度为h
2
＝4mm。支撑框架4的材质为pa6，其密度、弹性模量和泊松比分别为：ρ
f
＝1150kg/m3，e
f
＝2gpa，μ
f
＝0.4，并考虑其阻尼系数为0.1；高分子聚合物薄板5的材质为pet，其密度、弹性模量和泊松比分别为：ρ
p
＝1380kg/m3，e
p
＝2gpa，μ
p
＝0.34，并考虑阻尼系数为0.1；一、二阶质量块的材质为铁，其密度、弹性模量和泊松比分别为：7850kg/m3，205gpa，0.28。此时整个低频隔声结构的面密度仅为4.017kg/m2。为了分析该高阶声学超材料低频隔声结构的隔声特性，采用有限元软件comsol multiphysics 5.4对该低频隔声结构进行有限元仿真计算。有限元仿真模型如图3所示，包括入射声腔10、二阶声学超材料低频隔声结构1和透射声腔11三部分组成。当平面声波从平面波辐射面12入射，经过二阶声学超材料低频隔声结构1，从平面波辐射面13出射，此时入射声腔10中包含入射声压pi和反射声压pr，透射声腔11含有透射声压pt，因而据此可计算低频隔声结构的法向入射声传输损失stl，如下式1所示。
[0057][0058]
其中为w
in
＝|p
i
|
2
/(2ρ
0
c
0
)入射声功率；w
out
＝|p
t
|
2
/(2ρ
0
c
0
)为透射声功率；ρ
0
为空气密度；c
0
为声波在空气中的传播速度。
[0059]
定义入射声压为1pa，频率扫描频段为8hz-1600hz，步长为8hz。为了更加直观并定
量的进行比较，对传统的声学超材料单元胞扩展结构也进行有限元仿真，二者的差别在于有无二阶质量块，二者的隔声曲线如图4所示。从图中可以明显发现在低于500hz的低频范围内，本发明的隔声量明显高于传统的声学超材料单元胞扩展结构。此外，在高于500hz的中频范围内，本发明的隔声峰明显向低频偏移，且隔声量略有增加。仿真结果表明，本发明与传统的声学超材料单元胞阵列扩展结构相比，具有明显的低频隔声优势，而且中频隔声性能也会得到一定的改善。这是因为二阶质量块3的引入增强了整板模态和单元胞局部模态之间的耦合反共振。进一步仿真研究了二阶质量块3的质量大小对低频隔声结构的影响，保持其余尺寸不变，仅改变二阶质量3的厚度分别为：2mm、4mm和6mm，有限元仿真结果如图5所示。仿真结果表明，增加二阶质量块3的质量可以使低频隔声峰进一步向低频移动，隔声带宽进一步增加，隔声量进一步增大，此外还可使中频隔声峰向低频移动，隔声量略微增大。这说明二阶质量块3对整板模态和单元胞局部模态之间的耦合反共振起着至关重要的作用。为了进一步揭示本发明的隔声机理，以二阶质量块3的厚度为6mm为例，提取其隔声曲线上一阶隔声谷a、一阶隔声峰b、二阶隔声谷c、二阶隔声峰d和三阶隔声谷e处的法向振动位移，如图6所示。在隔声谷a(224hz)处，整板表现出向下的振动模态，而单元胞几乎不发生振动，此时处于整板的一阶振动模态。在隔声谷c(552hz)处，单元胞表现出向下的振动模态，而整板几乎不发生振动(表现为支撑框架几乎不发生振动)，此时处于单元胞的一阶振动模态。在隔声谷e(1224hz)处，整板表现出中心向上外部向下的振动模态，而单元胞几乎不发生独立的振动，此时处于整板的二阶振动模态。在隔声峰b(352hz)处，整板表现出向下的振动位移，单元胞表现出向上的振动位移，此时发生整板一阶振动模态与单元胞一阶振动模态的耦合反共振。在隔声峰d(936hz)处，整板表现出中心向下外部向上的振动位移，单元胞发生向下的振动位移，此时发生单元胞一阶振动模态与整板二阶振动模态的耦合反共振。所以本发明所设计的高阶声学超材料低频隔声结构是基于整板模态和单元胞模态之间的耦合反共振机理产生低频隔声峰的。
[0060]
在一个实施例中，为了进一步理解本发明，有限元仿真研究了支撑框架结构参数对二阶声学超材料低频隔声结构的隔声性能的影响。以支撑框架的厚度为例，保持其余结构参数和材料参数与图3所示有限元仿真模型一致，仅改变支撑框架的厚度分别为：h＝1mm，h＝2mm，h＝3mm，有限元仿真结果如图7所示。仿真结果表明，增加支撑框架的厚度可以使低频隔声峰向高频移动，隔声带宽减小，隔声量减小。因为增加支撑框架的厚度会使整板基频模态显著向高频移动，而元胞基频模态略微向高频移动。
[0061]
在一个实施例中，为了进一步理解本发明，有限元仿真研究了支撑框架材料参数对二阶声学超材料低频隔声结构的隔声性能的影响。选择三种不同的支撑框架的材料，分别为：尼龙pa1010、尼龙pa6和尼龙pa66。这三种材料的密度和泊松比没有太大差异，并且弹性模量是影响隔声性能的主要材料参数。因此，保持其余结构参数和材料参数与图3所示有限元仿真模型一致，仅改变支撑框架的弹性模量分别为：e
f
＝1.07gpa，e
f
＝2gpa，e
f
＝8.3gpa，有限元仿真结果如图8所示。仿真结果表明，增加支撑框架的弹性模量同样可以使低频隔声峰向高频移动，隔声带宽减小，隔声量减小。因为增加支撑框架的弹性模量会使整板基频模态显著向高频移动，而元胞基频模态略微向高频移动。
[0062]
在一个实施例中，为了进一步理解本发明，有限元仿真研究了高分子聚合物薄板的结构参数对二阶声学超材料低频隔声结构的隔声性能的影响。以高分子聚合物薄板的厚
度为例，保持其余结构参数和材料参数与图3所示有限元仿真模型一致，仅改变高分子聚合物薄板的厚度分别为：h＝0.2mm，h＝0.3mm，h＝0.4mm，有限元仿真结果如图9所示。仿真结果表明，增加薄板的厚度可以使低频隔声峰向高频移动，隔声带宽增大，隔声量增大。因为增加支撑框架的厚度会使元胞基频模态显著向高频移动，而整板基频模态略微向高频移动。
[0063]
在一个实施例中，为了进一步理解本发明，有限元仿真研究了高分子聚合物薄板材料参数对二阶声学超材料低频隔声结构的隔声性能的影响。选择三种不同的薄板的材料，分别为：高密度pe-hd、pet和pvc。这三种材料的密度和泊松比没有太大差异，并且弹性模量是影响隔声性能的主要材料参数。因此，保持其余结构参数和材料参数与图3所示有限元仿真模型一致，仅改变高分子聚合物薄板的弹性模量分别为：e
f
＝1.07gpa，e
f
＝2gpa，e
f
＝3.5gpa，有限元仿真结果如图10所示。仿真结果表明，增加薄板的弹性模量同样可以使低频隔声峰向高频移动，隔声带宽增大，隔声量增大。因为增加支撑框架的厚度会使元胞基频模态显著向高频移动，而整板基频模态略微向高频移动。
[0064]
在一个实施例中，为了进一步理解本发明，证明本发明所采用的有限元仿真方法的正确性与合理性。制备了二阶声学超材料的样品，其结构参数和材料参数与图3所示有限元模型的参数一致，并在阻抗管中进行实验测试，测试现场及样件安装如图11所示。测试结果如图12所示，对比测试结果与有限元仿真结果可以发现，二者的隔声曲线取得较好的一致性，从而证明了有限元仿真方法的正确性，进而证明了本发明所提出的高阶声学超材料低频隔声结构具有优良的低频隔声性能。
[0065]
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的结构形式，尤其是更高阶次声学超材料低频隔声结构，这些均属于本发明保护之列。
[0066]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

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