一種薄膜薄板型聲學超材料隔聲裝置的製作方法

2023-06-12 00:02:01 2

本發明涉及機械和噪聲控制領域，特別涉及一種薄膜薄板型聲學超材料隔聲裝置。

背景技術：

聲學超材料是人們在過去數年中進行了廣泛調查的人工設計材料，主要是因為它們很有應用前景，而且在自然界中幾乎很難或者不可能發現，它具有自然界中的材料所沒有的特殊屬性。因此，它們為改善甚至投入全新的應用打開了一扇門。2000年報導的具有局域共振帶隙的聲學材料是聲學超材料的前身，也是最早實現的聲學超構材料。聲學超材料具有負的質量密度和彈性模量。薄膜聲學超材料是一種近幾年來被廣泛關注的新型聲學超材料，它由一個剛性框架，張緊的橡膠薄膜以及一個質量塊組成。通過有效動態負質量可以實現對特性頻率的聲波全反射，從而達到低頻隔音的效果。

目前學者主要的研究目的是針對此種聲學超材料，如何降低頻率以及拓寬隔音頻率，通過改變材料以及參數而使得此種薄膜聲學超材料可以有更好的隔聲效果以及更寬的工作頻率。另有學者根據薄膜與其他結構的耦合，從而使其達到更好的隔聲效果。但是目前對於薄膜聲學超材料的應用有三個很明顯的缺點：

其一，大多數薄膜薄板聲學超材料所使用的材料是橡膠，這種材料的缺點是性能不穩定，易老化，並且機械強度較差，基本上沒有承載能力，在實際工程應用上有比較大的限制。

第二，由於目前所採用的薄膜薄板材料通常很薄，材料本身的彈性模量很低，在不施加張力的情況下，薄板剛度不足以克服自身重力來傳遞振動，所以，在仿真和實際應用中，必須要對這種薄膜施加張力。但是到目前為止，不管是用外加電場磁場，還是用氣流的方式來控制張力，所需要附加的系統和技術都是十分複雜的，並且對張力的控制很不精確和穩定。另一方面，薄膜聲學超材料對於張力的依賴性又非常大，一些很小的張力變化，就會導致隔聲頻帶的較大偏移，甚至消失。

最後，由於薄膜薄板型聲學超材料本質上是基於局域共振原理，故目前的設計隔聲頻帶都相對較窄，甚至僅在某個單一頻率作用，而我們不管是生活中還是工程應用中，所需要隔離的聲波絕大多數又都是一個多頻率寬頻疊加的聲波，這就對實際應用產生了很大的限制。

所以，設計出具有一定承載能力、剛度較好且對張力依賴性較弱甚至不需要施加張力的針對寬頻帶隔聲的薄膜薄板型聲學超材料，對於實際的工程應用是具有十分重要的意義的，一方面這種材料隔聲效率高，結構簡單，更重要的是該結構厚度很薄，結構尺度小，廣泛適用於各種壁板，牆面，隔聲窗等場合，應用範圍極廣。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術中噪聲降噪困難，隔聲裝置體積過大，工作頻率單一，薄膜對張力依賴性較大等技術問題，提供一種輕質、厚度薄、寬頻、高隔聲量、製造方便且不需要施加張力的板狀隔聲裝置，為達到上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種薄膜薄板型聲學超材料隔聲裝置，其特徵在於，所述隔聲裝置由厚度不同、半徑不同的元胞結構疊加而成，所述元胞結構包括集中質量塊、薄膜和框架，薄膜四周固定於框架上，集中質量塊與薄膜緊密粘接，薄膜需展平無需施加張力，所述元胞結構緊密周期性排布，形成板狀隔聲裝置。

進一步的，所述薄膜和集中質量塊層層疊加，形成不同層數的元胞結構，集中質量塊的上下兩面均與薄膜緊密粘接，所述元胞結構的層數由薄膜的層數定義，所述薄膜的層數根據薄膜厚度及半徑大小確定，薄膜厚度越大，半徑越小，其層數越少。

進一步的，所述元胞結構中半徑為20mm、厚度為0.2mm的薄膜，層數為3至6層，優選4層。

進一步的，所述元胞結構中半徑為20mm、厚度為0.4mm的薄膜，層數為2至4層。

進一步的，所述元胞結構中半徑為15mm、厚度為0.2mm的薄膜，層數為2至6層。

進一步的，所述隔聲裝置由不同層數的元胞結構a和元胞結構b疊加而成，所述元胞結構a和元胞結構b之間形成中間空氣層。

優選的，所述元胞結構a為四層，所述元胞結構b為兩層，所述元胞結構a中的薄膜厚度為0.2mm，每個集中質量塊為0.8g，所述元胞結構b中的薄膜厚度為0.4mm，每個集中質量塊為0.2g。

進一步的，所述薄膜為圓形，所述集中質量塊為圓柱狀，所述集中質量塊材料為鋼，所述薄膜材料為尼龍，所述框架材料為abs塑料，所述鋼集中質量塊材料、尼龍薄膜材料、abs塑料框架材料的密度、彈性模量和泊松比分別為：7850kg/m3、205gpa、0.28；1150kg/m3、2gpa、0.4；1190kg/m3、2.2gpa、0.375。

進一步的，所述元胞結構具有很強的可調性，通過調節薄膜的半徑、厚度以及集中質量塊的大小，可以在很寬的範圍內準確的調節隔聲頻帶，所述調節隔聲頻帶根據需要隔離聲波的頻率來確定，通過薄膜薄板振動理論，由理論公式預測stl曲線中關鍵的兩個頻率，並根據實際需要設計元胞結構尺寸，通過不同元胞結構疊加，使不同元胞結構之間的隔聲量相互彌補，所述公式如下：

本發明與現有技術相比，具有如下有益技術效果：

本發明結構隔聲效果好，頻帶寬，隔聲量高，有效地打破了質量定律對於隔聲量的控制，並且該結構具有很強的可調性，通過不同結構的疊加，能得到2000hz以下隔聲量均高於質量定律的隔聲裝置。

附圖說明

圖1為本發明一個實施例中的結構示意圖；

圖2為一個實施例實驗樣品的布局示意圖；

圖3(a)-圖3(b)為四層元胞結構分別通過有限元和實驗得到集中質量為0.2g和0.4g兩種元胞結構的聲傳遞損失stl曲線圖；

圖4(a)-圖4(c)為有限元計算得到的不同集中質量、不同半徑、不同厚度薄膜元胞結構的聲傳遞損失曲線圖；

圖5為本發明一個實施例中兩種元胞結構組合而成的疊加結構示意圖；

圖6為兩種元胞結構組合而成的疊加結構的隔聲量曲線圖；

圖7(a)-圖7(b)為元胞的等效模型示意圖；

圖8為有限元中得到的元胞等效密度曲線圖；

圖9為元胞中薄膜的平均位移曲線圖；

圖10為元胞薄膜的面平均振動速度曲線圖；

圖11(a)-圖11(c)為不同尺寸元胞結構層數對隔聲量的影響曲線圖；

圖12為薄膜理論振型示意圖；

圖13為有限元中f2處位移雲圖。

具體實施方式

下面結合附圖1-13和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。

本發明公開了一種薄膜薄板型聲學超材料隔聲裝置，是一種輕質薄厚度，低頻寬帶隔聲裝置。如圖1所示，由圓柱狀鋼集中質量塊101，厚度為0.2mm的尼龍薄膜102和厚度為1-2mm的abs塑料框架103構成。所述集中質量塊101上下面與其上下兩側的尼龍薄膜102緊密粘接，集中質量塊101的高度即薄膜層間距固定為2mm，並以這種方式層疊，尼龍薄膜102四周固定於框架103上，不需施加張力。以這種方式構成一個元胞結構，元胞結構為隔聲裝置中阻隔低頻聲波的最小超材料單元。

進一步的，以這種方式，所述薄膜102和所述集中質量塊101層層疊加，可以形成層數不同的元胞結構。該結構的層數由所述薄膜102的層數來定義。

元胞結構所用的薄膜半徑越小，厚度越大，最優層數的最小值也越小。但並非層數越多效果越好，當層數達到一定數值時，由於層間的耦合效應，隔聲性能反而會降低甚至消失。

進一步的，所述元胞結構中半徑為20mm、厚度為0.2mm的薄膜，層數為3至6層，優選4層，如圖1所示，圖中是一個4層元胞結構示意。

進一步的，所述元胞結構中半徑為20mm、厚度為0.4mm的薄膜，層數為2至4層。

進一步的，所述元胞結構中半徑為15mm、厚度為0.2mm的薄膜，層數為2至6層。

上述不同尺寸元胞結構層數對隔聲量的影響曲線如圖11(a)-圖11(c)所示。

進一步的，框架103在隔聲作用中僅起到分隔元胞結構的作用，保證各個元胞結構之間的振動沒有相互影響並且保證薄膜四周的零位移邊界條件。通常元胞結構之間分隔距離大於1mm即可。各材料參數如下，所述鋼集中質量塊101材料，所述尼龍薄膜102材料，所述abs塑料框架103材料的密度、彈性模量和泊松比分別為：7850kg/m3,205gpa,0.28；1150kg/m3,2gpa,0.4；1190kg/m3,2.2gpa,0.375。

進一步的，元胞結構通過周期性排布所形成的板狀隔聲裝置材料厚度很薄，質量輕(由疊加層數不同而有差異，圖1所示結構總厚度為6.8mm，面密度ρ＝2.02kg/m2),在1000hz以下均有很高的隔聲量，除在很窄的頻段外，其餘部分均遠遠高於同面密度質量定律的預測，打破了質量定律對於隔聲量的限制，屬於輕質、薄厚度、寬頻、高隔聲量的材料。

為了分析本發明的隔聲效果，分別使用商用有限元軟體comsol和駐波管實驗的方法進行驗證。實驗樣品截面布局如圖2所示，由於駐波管尺寸固定為100mm，為了保證相鄰元胞結構之間的振動不相互影響，在直徑為100mm的範圍內均布了四個完全一致的四層元胞結構，圖2中，r＝50mm，r＝19mm。四個元胞結構的振動情況與單一元胞結構的振動完全一致且相互沒有幹擾，分別通過有限元和實驗得到集中質量為0.2g和0.4g兩種元胞結構的聲傳遞損失stl曲線，如圖3(a)-圖3(b)所示。可以看到，實驗和仿真所得到的數據和趨勢十分接近，兩個低谷值所對應的頻率偏差在10％以內，且都包含兩個隔聲低谷和一個隔聲峰值，且隔聲量在很寬的頻帶內均高於質量定律的預測。因此，完全可以使用有限元方法代替實驗測量，而且更加迅速，方便，節省成本。

進一步的，以每個附加質量為0.4g的元胞為例，說明隔聲機理並用理論預測兩個關鍵頻率的值。元胞的等效模型如圖7(a)-圖7(b)所示，(a)中是一個彈簧質量單元，(b)中是由(a)圖中的單元串聯而形成的周期性的單元陣列。對於圖7(b)中的第n個單元的運動，可得其運動方程

上式在角頻率為ω的激振力和bloch邊界條件下的穩態解為：

其中q是bloch波矢。從而可以得到系統的色散關係：

顯然，可以得到系統的等效質量meff:

其中，

從(4),(5)兩式可以看出，該系統在ω0以下呈現負質量。基於該彈簧質量周期系統，可以構造超材料元胞結構如圖1所示。102可等效為圖7(a)中的彈簧質量系統，101可等效為7(b)中的連接彈簧k。

由上所述，所構建的元胞結構應該和所提出的彈簧質量系統一樣，在ω0以下，即圖7(a)中的彈簧質量系統的一階固有頻率以下，呈現負質量。有限元中得到的元胞等效密度如圖8所示。可以看到，在f1(169hz)以下，系統等效質量為負，驗證了等效的合理性。而當系統具有負質量時，波數變為虛數，聲波在材料中形成凋落波，其振幅呈指數形式衰減，所以在f1(169hz)以下能夠得到高隔聲量。

元胞中的薄膜的平均位移如圖9所示。在fpeak(555hz)處，薄膜的平均位移為零，而此時系統的等效密度如圖8所示，突然由正極大值突變為負極大值，此時的頻率正恰巧與圖3(b)中的隔聲峰值完全一致。因為等效密度的值越大，表明系統的慣性越大，運動狀態越難被外力所改變。而此時，薄膜的平均位移為零也表明薄膜處於一種「準靜止」的狀態，對於入射聲波是一個「剛性節點」，聲波並不能激勵起薄膜的振動，所以，薄膜也就不能向另一側傳導聲波。

元胞薄膜的面平均振動速度如圖10所示。薄膜面平均振動速度也印證了上面的分析。由圖可以清楚的看到，在兩個隔聲低谷處，也恰恰正是兩個振動速度的峰值，此時薄膜的等效密度基本為零，意味著在聲波行進道路上薄膜像「空氣」一般，對聲波的隔阻作用極弱。如圖12、圖13所示，通過有限元中的位移雲圖可以看到，這兩個頻率也正是元胞的前兩階共振頻率。在共振狀態，結構與聲波最大程度的耦合，向另一側傳遞聲能量，所以聲波基本為100％透射。而在fpeak處，薄膜的面平均位移、面平均振速均為零，並且等效密度為極大值，恰恰對應著兩個共振頻率之間的反共振狀態。所以產生了圖3(a)-圖3(b)中的隔聲峰。

經過上述分析，可知f1,f2和薄膜的振動模態有著密不可分的關係，f1即為等效模型圖7(a)中元胞的一階固有頻率。在等效模型的推導中沒有計入k的質量，但在材料元胞中質量塊的質量不可以忽略，所以我們將集中質量塊的質量向薄膜上等效，在此基礎上對薄膜固有頻率進行修正，得到(6)(7)兩式，(6)式是薄膜固有頻率的表示，(7)式是在等效模型基礎上考慮集中質量塊而進一步的修正。如圖12、圖13所示，通過有限元中的位移雲圖也可以發現，f2處薄膜的振動狀態與薄膜的二階模態一致，所以，考慮到質量塊、元胞層數等等因素對二階頻率進行進一步的修正，可以得到f2的近似理論公式。

通過公式(6),(7),(8)，可以相對準確的預測兩個隔聲低谷值f1,f2出現的位置，通過理論公式計算得到的數值與有限元仿真得到的數值對比於表1和表2中。

其中e，ρ，σ，h，a，分別是薄膜材料的彈性模量，密度，泊松比，厚度和半徑。f′1是因為考慮集中質量塊而對f1進行的進一步等效和修正。μn是方程(9)的根。

j0(ka)i1(ka)+i0(ka)j1(ka)＝0(9)

其中ji是第一類貝塞爾函數，ii是第一類虛宗量貝塞爾函數。

兩類貝塞爾函數的定義是：

其中，γ(x)是伽馬函數；

其中，γ(x)是伽馬函數。

由上述(6)-(8)式也可看出，通過改變薄膜的厚度h，半徑a，能夠方便的調整stl曲線中兩個低谷值的位置。如圖4(a)-圖4(c)所示。

表1不同尺寸和層數原胞f1理論仿真對比

表2不同尺寸和層數原胞f2理論仿真對比

通過薄膜薄板振動理論，可以由理論公式預測stl曲線中關鍵的兩個頻率，誤差通常小於10％，以針對實際應用中的不同需要，設計元胞結構尺寸。

優選的，如圖5所示，使用一個薄膜厚度為0.2mm、每個集中質量塊0.8g的四層元胞結構a和一個薄膜厚度為0.4mm、每個集中質量塊0.2g的兩層元胞結構b疊加，使得b元胞結構在500hz附近的隔聲低谷值能夠被a元胞結構的隔聲峰值所彌補。複合之後的元胞結構的stl曲線基本是原來兩種元胞結構stl曲線的包絡線。圖5中，104為元胞結構a，105為元胞結構b，106是由框架分隔a、b兩個元胞結構所形成的中間空氣層。

疊加方式可根據實際應用時需要隔離聲波的頻率來確定，通過不同厚度的元胞結構疊加，可以使不同元胞結構之間的隔聲量相互彌補，結果如圖6所示。

本發明隔聲裝置具有很強的可調性，通過調節薄膜半徑、厚度、集中質量塊大小，可以很方便、大幅度、相對準確的使隔聲頻帶在很寬的範圍內調節。通過合理的設計，將厚度不同，半徑不同的元胞結構疊加，可以得到在低於2000hz以下均具有高於質量定律預測的隔聲材料。

以上所述實施方式僅為本發明的優選實施例，並不能因此而理解為對本發明範圍的限制，應當指出，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。