一種彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)框架以及設(shè)置在兩個(gè)框架之間的硅橡膠彈性薄膜，該硅橡膠彈性薄膜的一側(cè)粘貼有若干質(zhì)量塊，并且若干質(zhì)量塊之間通過(guò)框架相互隔開(kāi)。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)隔聲材料低頻隔聲性能差厚度大、質(zhì)量重等難題，滿足了低頻隔聲的五項(xiàng)要求：500Hz以下的低頻隔聲要求；寬頻帶要求；結(jié)構(gòu)厚度薄、重量輕的要求；設(shè)計(jì)加工容易、加工難度不大的要求。本發(fā)明一種彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的低頻隔聲性能，其能夠有效隔離200-500Hz的低頻噪聲，可以應(yīng)用于各種載運(yùn)工具如飛機(jī)、汽車(chē)、列車(chē)、輪船和各種建筑裝飾中。為創(chuàng)造低噪聲的工作生活環(huán)境提供了全新的隔聲解決方案。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明屬于彈性薄層低頻輕質(zhì)隔聲材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)。
【【背景技術(shù)】】
[0002]現(xiàn)有的隔聲材料一般都是硬度較大的材料，如鋼板等。這些隔聲材料在高頻段隔聲較好，但在低于500Hz的低頻段，隔聲性能非常差，有時(shí)甚至?xí)驗(yàn)樽陨淼墓舱瘢瑢?dǎo)致對(duì)噪聲產(chǎn)生放大。這嚴(yán)重制約了載運(yùn)工具隔聲部件和廳堂隔聲材料的設(shè)計(jì)，對(duì)低頻隔聲技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。一般情況下，要隔離低頻段的聲波，就需要隔聲部件的厚度尺寸與聲波波長(zhǎng)相匹配，如果要隔離IOOHz以下的聲波，就需要厚度超過(guò)Im的隔聲部件，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因此需要開(kāi)發(fā)新型的低頻隔聲材料。
[0003]艦船、飛機(jī)、列車(chē)和汽車(chē)等設(shè)備中存在較為顯著的低頻振動(dòng)噪聲，嚴(yán)重制約了這些設(shè)備的性能發(fā)揮和乘坐舒適性品質(zhì)。這些低頻振動(dòng)噪聲主要是由于薄壁板件和內(nèi)飾件在低頻段的共振引起的，因此抑制薄壁板件的低頻共振和增加內(nèi)飾件的低頻隔振隔聲性能，是降低這些系統(tǒng)中低頻振動(dòng)噪聲的關(guān)鍵。聲學(xué)超材料可以通過(guò)毫米級(jí)厚度的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻機(jī)械波的控制，在低頻減振降噪中具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。而全面研究基于聲學(xué)超材料的低頻減振降噪技術(shù)，解決其中的關(guān)鍵性科學(xué)問(wèn)題，拓寬工程應(yīng)用范圍，這在工程實(shí)踐中具有極其關(guān)鍵的作用。
[0004]聲學(xué)超材料和電磁波超材料相對(duì)應(yīng)，是指具有負(fù)等效質(zhì)量密度和負(fù)等效模量的人工亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。它能夠?qū)崿F(xiàn)聲波的負(fù)折射，聲聚焦，超透鏡，隱身等許多新奇特性。2000年，劉正猷等人通過(guò)研究局域共振聲子晶體，首次實(shí)現(xiàn)了聲學(xué)超材料。該局域共振理論實(shí)現(xiàn)了比聲子晶體布拉格散射機(jī)理頻率低兩個(gè)數(shù)量級(jí)的人工帶隙，而該帶隙所對(duì)應(yīng)的聲學(xué)等效參數(shù)——等效質(zhì)量密度為負(fù)。聲學(xué)超材料發(fā)展十余年，吸引了大量物理學(xué)，材料學(xué)等學(xué)科的學(xué)者，已經(jīng)從實(shí)現(xiàn)單一負(fù)等效質(zhì)量密度或負(fù)等效模量，到同時(shí)具備負(fù)等效質(zhì)量密度和負(fù)等效模量材料，成為人工結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域不可去少的一部分。
[0005]劉正猷等把普通的聲子晶體帶隙頻率降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，突破了布拉格散射的限制，實(shí)現(xiàn)了小尺寸控制大波長(zhǎng)的目的，這為聲子晶體低頻研究開(kāi)辟了新的道路和方法。他們是通過(guò)在低頻處引入局部共振單元，實(shí)現(xiàn)等效負(fù)質(zhì)量密度。他們將用硅橡膠包裹的鉛塊，按立方晶格結(jié)構(gòu)嵌入到環(huán)氧樹(shù)脂的基體中，此時(shí)鉛塊充當(dāng)質(zhì)量塊，硅橡膠起到彈簧的作用，環(huán)氧樹(shù)脂作為基體。在低頻處，就會(huì)出現(xiàn)鉛塊和基體運(yùn)動(dòng)失諧的情況，產(chǎn)生了負(fù)等效質(zhì)量密度，同時(shí)由于鉛塊運(yùn)動(dòng)能吸收聲波所傳遞的能量而在低頻處產(chǎn)生禁帶。
[0006]2012年，我們所設(shè)計(jì)的折疊梁結(jié)構(gòu)的局域共振聲子晶體結(jié)構(gòu)，用質(zhì)量較輕、價(jià)格較低的有機(jī)玻璃薄板制成，厚度在mm量級(jí)，低頻帶隙范圍到達(dá)了 18-200HZ，對(duì)次聲頻段都有一定的控制效果，為聲子晶體解決目前普遍存在的鈑金件低頻段振動(dòng)噪聲控制提供了較為完整的解決方案。
[0007] 上述薄板型聲子晶體主要在控制薄板平面的波傳播方面效果較好，對(duì)應(yīng)垂直入射的波則效果較差，這對(duì)于用聲子晶體來(lái)進(jìn)行低頻隔聲隔振是不利的。后來(lái)，我們又設(shè)計(jì)了螺旋梁聲子晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)由有機(jī)玻璃薄板基體和金屬柱散射體構(gòu)成，該局域共振聲子晶體結(jié)構(gòu)的低頻帶隙達(dá)到了 42-250HZ，在目前比較關(guān)注的垂向低頻減振降噪提供了新絲路。當(dāng)然，由于該結(jié)構(gòu)的金屬柱散射體質(zhì)量，即使進(jìn)行等比例縮小，其應(yīng)用范圍也有一定的限制，比如該結(jié)構(gòu)很難用在對(duì)重量限制較嚴(yán)格的航空航天和汽車(chē)領(lǐng)域。但對(duì)于建筑物、船舶等水下武器、列車(chē)和前面講到的減振工地混凝土泵車(chē)外殼的減振降噪提供了一種方案。
[0008]為了獲得更低的帶隙，及在實(shí)驗(yàn)上容易獲得等效負(fù)質(zhì)量，2008年，楊志宇等制作出了薄膜型等效負(fù)質(zhì)量密度超材料。他們?cè)趫A形彈性薄膜上固定質(zhì)量塊，并將薄膜固定在框架上。該薄膜超材料在200-300HZ的頻率范圍內(nèi)，都能形成等效負(fù)質(zhì)量密度。
[0009]當(dāng)聲波垂直于薄膜平面入射時(shí)，只要入射頻率和質(zhì)量塊在薄膜上的共振頻率相匹配，就能夠使得聲波被完全反射，而不能透過(guò)。因此可以通過(guò)調(diào)整質(zhì)量塊和薄膜的彈性模量，就可以調(diào)整等效負(fù)質(zhì)量密度出現(xiàn)的頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)較窄頻段聲波的衰減。然而，由于質(zhì)量塊的共振頻率為單一頻率，要想實(shí)現(xiàn)寬頻的降噪，可根據(jù)條件設(shè)計(jì)多層的薄膜材料來(lái)共同實(shí)現(xiàn)。
[0010]薄膜型超材料能夠在200-300HZ的頻率范圍內(nèi)有效地衰減聲波。而根據(jù)已有的質(zhì)量定律，降低這個(gè)頻段的聲波所要求結(jié)構(gòu)的尺寸及質(zhì)量要遠(yuǎn)大于薄膜型超材料，實(shí)現(xiàn)了聲波在亞波長(zhǎng)尺度的衰減。2008年，楊志宇等提出了一種具有動(dòng)態(tài)負(fù)質(zhì)量的膜型聲學(xué)超材料，可以實(shí)現(xiàn)lOO-lOOOHz的寬頻低頻帶隙，對(duì)減振降噪提供了一種更廣泛適用的理論方案。為了得到詳細(xì)的減振降噪效果，梅軍等于2012年發(fā)表了通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，證實(shí)了在ΙΟΟ-ΙΟΟ0Hz內(nèi)確實(shí)存在寬頻低頻帶隙，結(jié)構(gòu)有非常好的隔振隔聲效果。
[0011]在聲學(xué)超材料方面，目前有望應(yīng)用于減振降噪的主要是香港科技大學(xué)沈平課題團(tuán)隊(duì)提出的薄膜型超材料，而研究較多的地毯型超材料目前禁帶頻率遠(yuǎn)高于可聽(tīng)聲頻率范圍。梅軍等進(jìn)了行試驗(yàn)驗(yàn)證，他們的結(jié)構(gòu)由一層金屬支架、一層0.2_厚的橡膠薄膜和若干周期分布的1_厚的半圓型金屬片構(gòu)成。從吸聲系數(shù)來(lái)看，在IlOOHz以內(nèi)，最低吸聲系數(shù)都大于0.3，而且在很寬頻段內(nèi)，吸聲系數(shù)都接近1，低頻降噪效果非常顯著，是目前最有望解決載運(yùn)工具鈑金件低頻減振降噪問(wèn)題的方案。由于局域共振型聲子晶體也屬于超常料的一種，因此，總體看來(lái)，要實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)噪聲的被動(dòng)控制，聲學(xué)超常料是一種非常好的選擇。
[0012]無(wú)論局域共振型還是薄膜型超材料都是利用偶極共振原理，使得超材料的共振頻率和聲波頻率相匹配實(shí)現(xiàn)負(fù)等效質(zhì)量密度，達(dá)到降低噪聲的目的。這兩種聲學(xué)超材料對(duì)于整體結(jié)構(gòu)中單元排列方式等要求并不像布拉格散射聲子晶體結(jié)構(gòu)要求那么嚴(yán)格，而是更多強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)。這兩種聲學(xué)超材料都能夠?qū)崿F(xiàn)聲波在亞波長(zhǎng)尺度衰減的目的，突破了質(zhì)量定律的限制，對(duì)于低頻降噪有著非常重要的意義。
[0013]綜上所述，對(duì)于500Hz以內(nèi)頻段的低頻隔聲問(wèn)題，現(xiàn)有的隔聲材料，要么達(dá)不到低頻的要求；要么能達(dá)到低頻要求但是結(jié)構(gòu)很厚很笨重，成本難以控制，空間條件也不允許；要么只對(duì)單一頻率或者較窄的頻帶有效(如亥姆霍茲共振器等)；因此，提供一種具有寬頻帶、滿足低頻要求的隔聲材料結(jié)構(gòu)是必要的。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0014]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)。
[0015]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0016]一種彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的框架以及布置在兩個(gè)框架之間的硅橡膠彈性薄膜，該框架呈田字格狀，硅橡膠彈性薄膜的一側(cè)粘貼有若干質(zhì)量塊，并且若干質(zhì)量塊通過(guò)一側(cè)框架的格子相互隔開(kāi)。
[0017]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于:框架采用有機(jī)玻璃、樹(shù)脂或EVA制成。
[0018]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于:框架的厚度為棱寬不超過(guò)2mm。
[0019]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于:硅橡膠彈性薄膜的厚度為0.1-1_。
[0020]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于:質(zhì)量塊采用鐵片質(zhì)量塊。
[0021]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于:質(zhì)量塊的形狀為圓柱形、圓環(huán)形或方形中的一種或多種。
[0022]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于:質(zhì)量塊的厚度不超過(guò)2mm。
[0023]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于:質(zhì)量塊的面積不超過(guò)對(duì)應(yīng)格子所圍薄膜面積的1/2。
[0024]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于:塑料框架采用3D打印加工而成，EVA框架通過(guò)刀具劃成。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果:
[0026]1、本發(fā)明試件的理論模型在200Hz以下的低頻范圍內(nèi)有寬度為75Hz的垂向禁帶，滿足低頻隔聲的要求；
[0027]2、在200~500Hz內(nèi)隔聲量普遍比目前廣泛使用的隔聲材料EVA高，滿足寬頻隔聲的要求；
[0028]3、本發(fā)明試件總厚度小于5mm,薄膜的厚度小于Imm,滿足薄層結(jié)構(gòu)要求；
[0029]4、所用材料基本為輕質(zhì)材料塑料、硅膠等，只有少量鐵片作為質(zhì)量塊，但換算下來(lái)面密度也不比2.5mm厚的EVA大，滿足輕質(zhì)要求；
[0030]5、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工和制造。
[0031]根據(jù)本發(fā)明一種彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)的上述特點(diǎn)，其可以用作飛機(jī)、汽車(chē)、列車(chē)等載運(yùn)工具的內(nèi)飾件材料，還可以用作建筑物內(nèi)部的隔聲材料，如KTV、大型歌劇院等。
【【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】】
[0032]圖1a為薄膜厚度0.5_、塑料骨架以及圓柱形鐵片質(zhì)量塊單元；圖1b為薄膜厚度1mm、塑料骨架以及圓環(huán)鐵片質(zhì)量塊單元；圖1c為第一布里淵區(qū)；圖1d為圓柱形鐵片質(zhì)量塊單元陣列后的材料結(jié)構(gòu)；
[0033]圖2a為薄膜厚度為0.5_、半徑為6_的圓形質(zhì)量塊試件的能帶結(jié)構(gòu)和禁帶示意圖；圖2b為薄膜厚度為1mm、內(nèi)半徑為3mm以及外半徑為9mm的環(huán)形質(zhì)量塊試件的能帶結(jié)構(gòu)和禁帶示意圖；
[0034]圖3為不同質(zhì)量塊試件隔聲量對(duì)比；
[0035]圖4為相同質(zhì)量塊不同膜厚和框架的試件隔聲量對(duì)比，其中，圖4a為幾組圓環(huán)形質(zhì)量塊試件的隔聲量，圖4b為幾組圓柱形質(zhì)量塊試件的隔聲量。
【【具體實(shí)施方式】】
[0036]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。[0037](一 )薄層輕質(zhì)解決方案
[0038]為了給出科學(xué)的分析數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)制造了部分試件進(jìn)行研究。試件主要由0.1-1mm的娃橡膠薄膜和厚度為棱寬不超過(guò)2mm的塑料或EVA(ethylene_vinyl acetatecopolymer,乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)框架組成，娃橡膠的密度約為1300kg/m3,塑料的密度約為1180kg/m3，EVA的密度與硅橡膠相當(dāng)，密度總體上較低，屬于輕質(zhì)材料。此外，從厚度看，薄膜的厚度處于亞_級(jí)，塑料的厚度參數(shù)也不超過(guò)2_，屬于薄層結(jié)構(gòu)。
[0039]此外，為了達(dá)到低頻隔聲效果，試件中布置了適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量塊，由密度稍大的鐵片構(gòu)成，形狀可以是圓形、環(huán)形、方形等，厚度低于2mm，所占面積不超過(guò)框架格子所圍薄膜面積的1/2，總體上滿足了輕質(zhì)的要求。
[0040]我們?cè)O(shè)計(jì)了如下幾組試件:薄膜厚度1mm、塑料骨架以及圓形鐵片質(zhì)量塊試件；薄膜厚度0.5mm、EVA骨架以及圓形鐵片質(zhì)量塊試件；薄膜厚度1_、塑料骨架以及圓環(huán)鐵片質(zhì)量塊試件；薄膜厚度0.5mm、EVA骨架以及圓環(huán)鐵片質(zhì)量塊試件。所設(shè)計(jì)試件統(tǒng)一采用24mm晶格常數(shù)，其中，中間的薄膜尺寸為長(zhǎng)寬各20mm，框架棱長(zhǎng)和厚度各2mm。質(zhì)量塊采用鐵片，圓柱鐵片半徑6mm,厚度Imm ;圓環(huán)鐵片內(nèi)徑3mm,外徑9mm,厚度1mm。塑料框架采用3D打印加工而成，EVA框架通過(guò)刀具劃成；圓柱鐵片通過(guò)線切割加工，圓環(huán)鐵片為一種普通墊片。 [0041]采用駐波管法測(cè)試垂直入射方向的吸聲系數(shù)，采用B&K的標(biāo)準(zhǔn)大管，試件直徑為100mm，下限有效截止頻率為200Hz。采用目前汽車(chē)等載運(yùn)工具中廣泛使用的隔聲材料EVA作為對(duì)比，EVA試件的厚度為2.5mm。試件裝夾后，邊緣采用橡皮泥密封，確保不漏聲。測(cè)試頻率范圍為200-1600Hz。
[0042]( 二 )低頻隔聲解決方案
[0043]圖1為試件元胞結(jié)構(gòu)與第一布里淵區(qū)，其中，圖1a為薄膜厚度0.5_、塑料骨架以及圓形鐵片質(zhì)量塊單元；圖1b為薄膜厚度1mm、塑料骨架以及圓環(huán)鐵片質(zhì)量塊單元；圖1c為第一布里淵區(qū)；圖1d為圓柱形結(jié)構(gòu)陣列后的材料結(jié)構(gòu)。
[0044]除了進(jìn)行隔聲量測(cè)試外，為了分析其隔聲機(jī)理，建立了兩組試件對(duì)應(yīng)的晶格模型進(jìn)行能帶和模態(tài)振型求解。一組是圓柱形質(zhì)量塊，0.5mm厚薄膜，塑料框架；另一組是圓環(huán)形質(zhì)量塊，Imm厚薄膜，塑料骨架。由于EVA的材料參數(shù)比較復(fù)雜，統(tǒng)一選擇了塑料骨架的試件進(jìn)行理論分析。元胞結(jié)構(gòu)和第一布里淵區(qū)如圖1所示。當(dāng)波矢k沿—X —Μ— 不同方向取值時(shí)，可以得到結(jié)構(gòu)在這一方向上的固有振動(dòng)屬性，獲得能帶圖。一般對(duì)于這種對(duì)稱性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，M點(diǎn)和點(diǎn)的模態(tài)可以初步說(shuō)明結(jié)構(gòu)的振動(dòng)屬性，對(duì)吸聲隔聲機(jī)理的分析起到重要作用。
[0045]為了深入分析這種薄膜型聲學(xué)超材料的隔聲機(jī)理，對(duì)圖1所示的兩個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了能帶計(jì)算，得到的能帶結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0046]圖2a為薄膜厚度為0.5_、半徑為6_的圓形質(zhì)量塊試件的能帶結(jié)構(gòu)和禁帶示意圖；圖2b為薄膜厚度為1mm、內(nèi)半徑為3mm以及外半徑為9mm的環(huán)形質(zhì)量塊試件的能帶結(jié)構(gòu)和禁帶示意圖。
[0047]從圖中可以看出，兩個(gè)結(jié)構(gòu)在隔聲量的有效測(cè)試頻段(200Hz以上)不存在禁帶，而只在200Hz內(nèi)存在一定寬度的Z模式(垂向)禁帶。圓柱形結(jié)構(gòu)的禁帶非常窄，只有近7Hz(15.7-22.3Hz);圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的禁帶相對(duì)較寬，有75Hz左右(106_181Ηz)。這樣，就體現(xiàn)了薄膜型超材料的特殊力學(xué)行為了，不在禁帶頻段，依然能達(dá)到非常高的隔聲量。為了解釋這種特殊的隔聲機(jī)理，需要對(duì)這兩個(gè)結(jié)構(gòu)的一些模態(tài)進(jìn)行分析。
[0048]通過(guò)模態(tài)可以識(shí)別出圖2中能帶結(jié)構(gòu)中Z方向的禁帶寬度。然而，我們發(fā)現(xiàn)，除了圖2中給出的在200Hz以下的帶隙外，其余頻率點(diǎn)的Z方向模態(tài)都是薄膜的共振模態(tài)。從能帶圖和模態(tài)振型充分說(shuō)明了本項(xiàng)發(fā)明達(dá)到了低頻隔聲的要求。
[0049](三)寬頻解決方案
[0050]對(duì)前述兩組薄膜厚度為0.5mm的試件的隔聲量與EVA進(jìn)行比較的結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，在200-368HZ內(nèi)，半徑為6mm的圓柱形質(zhì)量塊試件隔聲量比厚度為
2.5mm的EVA高出5-lOdB，平均接近8dB。在200-400內(nèi)，外徑為9mm，內(nèi)徑為3mm的圓環(huán)形質(zhì)量塊試件比EVA試件高，特別是在200-300HZ內(nèi)，平均高出約5dB?？傮w上看，在200_500Ηζ內(nèi)，EVA試件的隔聲量近似呈線性增長(zhǎng)。由于EVA本身隔聲量就比一般隔聲材料好得多，所以才成為了汽車(chē)內(nèi)飾件的主流隔聲材料。而本文設(shè)計(jì)的薄膜型聲學(xué)超材料試件在平均面密度和厚度都低于EVA試件的情況下，低頻段隔聲量較EVA試件大幅提高，表明本文所設(shè)計(jì)的薄膜型聲學(xué)超材料具有杰出的低頻隔聲性能。
[0051]雖然質(zhì)量塊的材料是密度較大的鐵，但是質(zhì)量塊占的面積較總面積小，而且厚度較EVA試件小，EVA的密度與硅橡膠接近，比塑料(1180kg/m3)高。所以換算下來(lái)，本文設(shè)計(jì)的薄膜型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的平均面密度還略小于2.5mm厚的EVA試件的面密度。厚度方面，本文采用的塑料骨架為了加工方便，采用了 2mm的厚度，但實(shí)際上，采用Imm厚的骨架對(duì)結(jié)果也不會(huì)造成明顯的影響。而且骨架面積非常小，平均下來(lái)整個(gè)試件的平均厚度遠(yuǎn)小于EVA試件的厚度。而且5mm以內(nèi)的隔聲層厚度，在汽車(chē)或飛機(jī)上都是完全可以接受的，不會(huì)對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用造成阻礙。
[0052]為了研究薄膜厚度和骨架材料對(duì)隔聲量的影響，測(cè)試了兩種類(lèi)型質(zhì)量塊在不同薄膜厚度和不同骨架下的幾組試件的隔聲量，結(jié)果如圖4所示。從圖4a幾組圓環(huán)形質(zhì)量塊試件的隔聲量可以看出，對(duì)于同為塑料骨架的兩組試件，在200-275HZ頻段，厚度為0.5的一組試件的隔聲量比厚度為Imm的試件的隔聲量達(dá)，平均高出約2dB ;而在高于275Hz的頻段，厚度為Imm的試件隔聲量都比0.5mm的試件高，特別是在400Hz以后，最大高出超過(guò)10dB。對(duì)于薄膜厚度同為Imm的兩組試件，在200-350Hz，EVA骨架的一組試件隔聲量比塑料骨架的試件高，而且比純EVA試件平均高出5dB以上，最高為約12dB ;而在350_500Hz的頻段內(nèi)，塑料骨架的一組試件隔聲量比EVA骨架的試件高，而且在500Hz以上的頻段這個(gè)差距會(huì)增加。這與EVA的密度比塑料高，甚至比硅膠的密度高有關(guān)，框架密度越高，試件低頻段的隔聲效果就越好。
[0053]從圖4b幾組圓柱形質(zhì)量塊試件的隔聲量可以看出，對(duì)于同為塑料骨架的兩組試件，幾乎在整個(gè)頻段內(nèi)，厚度為0.5mm的試件的隔聲量都比厚度為1_的試件的隔聲量高，最高高出近15dB ;厚度為Imm的試件只有在200_300Ηζ頻段比純EVA試件隔聲量高，平均高出約5dB。對(duì)于薄膜厚度同為Imm的兩組試件，幾乎在全頻段，EVA骨架的一組試件隔聲量都比塑料骨架的試件高，最大高出超過(guò)10dB，在260Hz以上的頻段，平均高出約8dB。而總體上看，在高于一定頻率后，薄膜型聲學(xué)超材料試件的隔聲量都會(huì)比純EVA試件低。也就是說(shuō)，薄膜型聲學(xué)超材料試件的隔聲性能只在一定頻段內(nèi)比較好，而且是低頻段。
[0054]此外，從圖4相同質(zhì)量塊不同膜厚和框架的試件隔聲量可以說(shuō)明，一方面，選擇EVA骨架比選擇塑料骨架低頻隔聲效果好，而且EVA骨架容易加工，成本也低；另一方面，當(dāng)薄膜到達(dá)一定厚度后，如果不增加質(zhì)量塊的重量，只會(huì)使隔聲量降低。因此，選擇合適的薄膜厚度和質(zhì)量塊重量、形狀，都有望提高薄膜型聲學(xué)超材料的隔聲量。由于隔聲量在所測(cè)試的低頻頻段(200?500Hz)內(nèi)普遍較高，達(dá)到了寬頻帶的要求。
[0055]根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看出，本發(fā)明達(dá)到的技術(shù)效果:
[0056]1、本發(fā)明試件的理論模型在200Hz以下的低頻范圍內(nèi)有寬度為75Hz的垂向禁帶，滿足低頻隔聲的要求；
[0057]2、在200?500Hz內(nèi)隔聲量普遍比目前廣泛使用的隔聲材料EVA高，滿足寬頻隔聲的要求；
[0058]3、本發(fā)明試件總厚度小于5mm,薄膜的厚度小于Imm,滿足薄層結(jié)構(gòu)要求；
[0059]4、所用材料基本為輕質(zhì)材料塑料、硅膠等，只有少量鐵片作為質(zhì)量塊，但換算下來(lái)面密度也不比2.5mm厚的EVA大，滿足輕質(zhì)要求；
[0060]5、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工和制造。
[0061]根據(jù)本發(fā)明一種彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)的上述特點(diǎn)，它可以用作飛機(jī)、汽車(chē)、列車(chē)等載運(yùn)工具的內(nèi)飾件材料，還可以用作建筑物內(nèi)部的隔聲材料，如KTV、大型歌劇院等。
【權(quán)利要求】
1.一種彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的框架以及布置在兩個(gè)框架之間的硅橡膠彈性薄膜，該框架呈田字格狀，硅橡膠彈性薄膜的一側(cè)粘貼有若干質(zhì)量塊，并且若干質(zhì)量塊通過(guò)一側(cè)框架的格子相互隔開(kāi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:框架采用有機(jī)玻璃、樹(shù)脂或EVA制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:框架的厚度為棱寬不超過(guò)2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:硅橡膠彈性薄膜的厚度為0.1-lmm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:質(zhì)量塊采用鐵片質(zhì)量塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:質(zhì)量塊的形狀為圓柱形、圓環(huán)形或方形中的一種或多種。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:質(zhì)量塊的厚度不超過(guò)2mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:質(zhì)量塊的面積不超過(guò)對(duì)應(yīng)格子所圍薄膜面積的1/2。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的彈性薄膜型低頻隔聲超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:塑料框架采用3D打印加工而成，EVA框架通過(guò)刀具劃成。
【文檔編號(hào)】G10K11/162GK103996395SQ201410235512
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】吳九匯, 馬富銀, 張思文, 雷浩, 張煒權(quán), 付剛 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)