一种阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构的制作方法

本发明涉及一种准周期性结构，尤其涉及一种阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构，属于减振降噪技术领域。

背景技术：

传统周期性结构是由两种或两种以上的弹性介质按照一定的周期性排列而成的复合结构，其所采用到的介质在每个周期内的厚度、阻抗及种类都保持不变；而准周期性结构本质上是一种特殊的周期性结构，当传统周期性结构中某层或多层介质的厚度、阻抗或种类发生改变，原本的周期性遭到破坏时，传统周期性结构就会变化为准周期性结构。

与传统周期性结构相比，准周期性结构同样具有一系列的声子禁带，处于禁带频率范围内的振动或声波将被禁止在介质中传播，同时由于准周期性，其能选择的介质种类更多，产生的带隙也具有更多的可能性，能够对结构的带隙起始频率、截止频率、宽度、缺陷态等实现更好的调控，在船舶工程、航天工程、机械动力等诸多领域有着广泛的应用。

目前，准周期性结构在滤波及声波的定向传播方面应用较多而在减震降噪应用方面较少，其主要原因是大部分准周期性结构具有低频起始频率与宽带隙无法同时兼得的问题。现有解决方法包括：(1)层厚递变式准周期性结构(《内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版)》(2008年1期)。该结构在两种介质阻抗恒定的情况下，将各层介质的厚度设置为梯度增加或梯度减小，其能在一定程度上获得更低的起始频率及较宽的带隙，但起始频率及带隙宽度的变化幅度均不大，改进的效果不明显。(2)基于局域共振带隙机理的准周期性结构(《人工晶体学报》(2017年7期))。该结构利用环氧树脂、橡胶与小钢块构成的非均匀局部共振准周期性结构，实现了小尺寸结构对低频声波传播的抑制，但其有效带宽与衰减量都十分有限。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构。

本发明的目的是这样实现的：包括至少2个周期结构，每个周期结构由两层厚度相等的均匀介质构成，且每个周期结构中的均匀介质的厚度随周期数的增大呈梯度递增变化。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.相邻两个周期结构中的均匀介质的厚度差为δd，第一个周期的均匀介质的厚度为d1，且有0.1d1≤δd≤d1。

2.位于奇数层的均匀介质的阻抗值随周期数的增大呈梯度递减变化，且相邻两个周期结构中的奇数层的均匀介质的阻抗差为δza。

3.位于偶数层的均匀介质的阻抗值随周期数的增大呈梯度递增变化，且相邻两个周期结构中的偶数层的均匀介质的阻抗差为δzb。

4.均匀介质的横截面形状可以为圆形、椭圆形、方形、三边形或六边形。

5.所述周期结构的数量有5个。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以在相同的尺寸下获得比传统周期性结构起始频率更低、带宽更宽的带隙，适用于减振降噪方面的应用。本发明介质的选择范围广，制作工艺简单，可设计性强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例1中介质a1、a2、a3、a4、a5的阻抗变化曲线；

图3为本发明实施例1中介质b1、b2、b3、b4、b5的阻抗变化曲线；

图4为本发明实施例1中阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构与传统周期性结构的带隙对比结果。

图5为本发明实施例2中介质a1、a2、a3、a4、a5的阻抗变化曲线；

图6为本发明实施例2中介质b1、b2、b3、b4、b5的阻抗变化曲线；

图7为本发明实施例2中阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构与传统周期性结构的带隙对比结果。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1，声波从a1入射，从b5出射，所述阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构第一个周期内两种均匀介质a1、b1各自的阻抗分别为za1与zb1，za1的取值范围为2.2×10⁶kg/m²/s到2.6×10⁶kg/m²/s，zb1的取值范围为34×10⁶kg/m²/s到38×10⁶kg/m²/s；在给定范围内选择出合适的δd、δza与δzb，确定出其余四个周期内均匀介质的相关参数，δd的取值范围为0.1cm到1cm，δza的取值范围为1×10⁵kg/m²/s到3×10⁵kg/m²/s，δzb的取值范围为1×10⁶kg/m²/s到3×10⁶kg/m²/s；每个周期内所采用的均匀介质的横截面形状可以为圆形、椭圆形、正方形、矩形、三边形或六边形等各种形状，最后采用粘结剂将每层介质粘合在一起。

以5个周期为例描述如下：

本发明由一系列阻抗及厚度梯度变化的均匀介质按周期性排列组成的准周期性结构。所述的阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构中包括5个周期：第一个周期由均匀介质a1、b1构成，两种介质的厚度均为d1，阻抗分别为za1、zb1；第二个周期由均匀介质a2、b2构成，两种介质的厚度均为d2，阻抗分别为za2、zb2；第三个周期由均匀介质a3、b3构成，两种介质的厚度均为d3，阻抗分别为za3、zb3；第四个周期由均匀介质a4、b4构成，两种介质的厚度均为d4，阻抗分别为za4、zb4；第五个周期由均匀介质a5、b5构成，两种介质的厚度均为d5，阻抗分别为za5、zb5；每层介质之间由粘结剂互相粘合。声波从a1入射，从b5出射。

所述的阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构中每个周期内介质的厚度随周期数的增大呈梯度递增变化，且后一个周期内的介质与前一个周期内的介质厚度之差为δd，其取值范围为0.1cm到0.5cm，各个周期内介质的厚度满足：d1＝1cm，d2＝d1+δd，d3＝d1+2δd，d4＝d1+3δd，d5＝d1+4δd。

所述的阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构中奇数层介质a1、a2、a3、a4、a5的阻抗值呈梯度递减变化，且前一个奇数层介质的阻抗值减去后一个奇数层介质的阻抗值等于δza。za1的取值范围为2.2×10⁶kg/m²/s到2.6×10⁶kg/m²/s，δza的取值范围为1×10⁵kg/m²/s到3×10⁵kg/m²/s，其余四个介质的阻抗满足：za2＝za1-δza，za3＝za1-2δza，za4＝za1-3δza，za5＝za1-4δza。

所述的阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构中偶数层介质b1、b2、b3、b4、b5的阻抗值呈梯度递增变化，且后一个偶数层介质的阻抗值减去前一个偶数层介质的阻抗值等于δzb。zb1的取值范围为34×10⁶kg/m²/s到38×10⁶kg/m²/s，δzb的取值范围为1×10⁶kg/m²/s到3×10⁶kg/m²/s，其余四个介质的阻抗满足：zb2＝zb1+δzb，zb3＝zb1+2δzb，zb4＝zb1+3δzb，zb5＝zb1+4δzb。

所述的阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构中每个周期内采用的均匀介质的横截面形状可以为圆形、椭圆形、正方形、矩形、三边形或六边形等各种形状。

下面结合附图及具体数值给出本发明的实施例及对应的技术效果：

实施例1

结合图1，阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构的各项参数为：za1＝2.2×10⁶kg/m²/s，zb1＝34×10⁶kg/m²/s，δd＝0.2cm，δza＝2×10⁵kg/m²/s，δzb＝2.25×10⁶kg/m²/s。传统周期性结构所采用的两种均匀介质的阻抗分别为2.2×10⁶kg/m²/s和34×10⁶kg/m²/s，且每层介质厚度均为3cm。两种结构的周期数均为5，总厚度均为30cm。

图2为准周期性结构中介质a1、a2、a3、a4、a5的阻抗变化曲线，图3为准周期性结构中介质b1、b2、b3、b4、b5的阻抗变化曲线。图4为传统周期性结构和阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构的带隙对比结果，可以看出，传统周期性结构第一带隙的起始频率为7040hz，截止频率为27400hz，带隙宽度为20360hz；而采用阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构的第一带隙的起始频率为4480hz，截止频率为67450hz，带隙宽度为62970hz，较传统周期性结构而言，在相同厚度条件下，阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构第一带隙的起始频率降低了36.4％，截止频率提高了146.2％，带隙宽度则增加了209.3％。因此，采用阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构能够获得更低、更宽的带隙特性。

实施例2

结合图1，阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构的各项参数为：za1＝2.6×10⁶kg/m²/s，zb1＝34×10⁶kg/m²/s，δd＝0.5cm，δza＝3×10⁵kg/m²/s，δzb＝3×10⁶kg/m²/s。传统周期性结构所采用的两种均匀介质的阻抗分别为2.6×10⁶kg/m²/s和34×10⁶kg/m²/s，且每层介质厚度均为3cm。两种结构的周期数均为5，总厚度均为30cm。

图5为准周期性结构中介质a1、a2、a3、a4、a5的阻抗变化曲线，图6为准周期性结构中介质b1、b2、b3、b4、b5的阻抗变化曲线。图7为传统周期性结构和阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构的带隙对比结果，可以看出，传统周期性结构第一带隙的起始频率为7780hz，截止频率为28530hz，带隙宽度为20750hz；而采用阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构的第一带隙的起始频率为4420hz，截止频率为68970hz，带隙宽度为64550hz，较传统周期性结构而言，在相同厚度条件下，阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构第一带隙的起始频率降低了43.2％，截止频率提高了141.8％，带隙宽度则增加了211.1％，同样地，采用阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构能够获得更低、更宽的带隙特性。

综上，本发明提供的是一种阻抗及厚度梯度变化的低频宽带准周期性隔声结构，它是由一系列阻抗及厚度梯度变化的均匀介质按周期性排列组成的准周期性结构。本发明较传统周期性结构，能够在相同尺寸的准周期性结构下获得更低与更宽的带隙，且制作工艺简单，可设计性强，介质的选择范围较广，适用于减振降噪方面的应用。

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