夹层声学结构、声学部件、其制备方法以及吸声装置

1.本发明涉及声学领域，尤其涉及适用于防噪、吸声的夹层声学结构、声学部件、其制备方法以及吸声装置以及它们的应用。

背景技术：

2.随着城市化进程的加快和交通的快速发展，由工业机械、民用建筑、多元化车辆等多种来源产生的噪声污染
1.，已经成为世界上最严重的环境问题之一，对人类的健康和生活质量产生了重大影响。长期暴露在噪声环境中会损害人的中枢神经系统，导致各种疾病，如动脉高血压、心肌梗塞、中风等，这逐渐唤醒了人类对噪声危害的认识，激励着人类去探索解决这一严重的环境问题。
3.为了减少噪声污染，消除噪声对人类的影响，吸声材料逐渐成为焦点并被人们广泛研究和探索。目前，对吸声材料的研究主要集中在泡沫和纤维材料上，与亥姆霍兹共振器结构化穿孔板等常规材料相比
[2-5]
，这些材料成本低、吸声系数高、重量轻，是控制建筑和交通领域噪声的理想材料。对于泡沫来说，吹塑聚合工艺和混合掺杂后的模板去除工艺是在各种基体材料中制造小孔和空腔的两种常见方法
[6-8]
。然而，相对较大的孔径和复杂的合成方法以及难以控制的条件限制了多孔材料的发展，人们不得不牺牲轻和薄的特性来实现其更好的吸音效果。为了解决这些问题，纤维材料逐渐进入研究视野，并满足了工业需求，因为它们重量轻，比表面积大，大大增强了对声能的耗散作用。聚丙烯腈材料
[9]
就曾被利用电纺丝技术制造出了纳米纤维膜用以吸声作用，在背腔为10mm条件下其吸声系数高达0.6，增强了商用吸声材料的吸声性能。之后，少层石墨烯材料被分散到聚偏二氟乙烯溶液中，将其电纺形成纳米纤维膜，从而实现了压电性的改善和吸声效果的增强
[10]
。尽管电纺丝技术和纳米纤维可以使吸声材料更轻更薄，但它通常是平面二维薄膜，并需要与其他材料结合以达到最大的吸声效果，这大大限制了电纺丝纳米纤维在吸声方面的应用。
[0004]
因此，制造具有高吸声系数(sac)和超轻性能的材料仍然是一个根本挑战。

技术实现要素：

[0005]
为此，本发明提供了一种兼具超轻性能和高吸声性能的可压缩展开的新材料和新结构以及它们的制备方法，包括具有超结构或超材料的夹层声学结构、声学部件、其制备方法以及复合声学装置以及它们的应用。
[0006]
具体来说，本发明提供了下列内容：
[0007]
1.一种夹层声学结构，其特征在于包括：
[0008]
至少两个柔性的第一可伸缩膜，以及
[0009]
夹在相邻的两个第一可伸缩膜的第一可伸缩膜之间的可伸缩三维结构芯层，
[0010]
其中所述可伸缩三维结构芯层以及所述第一可伸缩膜均包含由多个分隔重复单元形成的折叠图案；以及
[0011]
其中所述可伸缩三维结构芯层具有第二几何参数，所述第一可伸缩膜具有第一几
何参数，所述第一几何参数和第二几何参数被构造为相互配合，使得可伸缩三维结构芯层与所述第一可伸缩膜能够整体收缩和展开。
[0012]
其中，夹层声学结构的特征在于所述折叠图案选自剪纸图案、折纸图案、霍夫曼网格图案、barreto之星图案、yoshimura图案以及四边形网格图案中的至少一者，优选日本剪纸图案，日本折纸图案、中国剪纸图案中的至少一者，更优选origami或kirigami折叠图案。其特征在于所述折叠图案包含多个分隔的平行四边形，其中每个平行四边形具有相同的边长和内角。
[0013]
2.一种可压缩展开薄膜材料的制备方法，其特征在于包括：
[0014]
所述第一可伸缩膜和/或所述可伸缩三维结构芯层包含纤维素、木材、聚乙烯醇、聚对二甲苯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚氨酯以及有机硅树脂中的至少一者，优选纤维素、木材以及聚乙烯醇中的至少一者。利用聚合物原料溶液进行静电纺丝，从而获得柔性纳米纤维膜，任选地，电纺丝的时间为4-24小时，并且所述柔性纳米纤维膜的厚度为15-165微米，孔隙率为80％到95％，平均密度为0.073g/cm3，纳米纤维的平均直径为268nm。
[0015]
其中，提供第一可伸缩膜与可伸缩三维结构芯层的步骤包括利用3d打印塑料模具压制所述柔性纳米纤维膜，从而形成第一可伸缩膜或可伸缩三维结构芯层，任选地，所述方法还包括在形成第一可伸缩膜或可伸缩三维结构芯层后，用刀片将可伸缩三维结构芯层裁减为所需形状。
[0016]
其中，所述的3d打印塑料模具，其特征在于所述塑料模具为上下完全配合的阴阳模具，其结构为具有平行四边形重复单元的折纸结构。其几何参数包括在第一方向上相邻的两平行四边形之间的夹角γ，用于控制可伸缩三维结构芯层在第一方向上的伸缩状况；在与第一方向不同的第二方向上相邻两平行四边形面的夹角θ，控制可伸缩三维结构芯层在第二方向上的伸缩状况；平行四边形两边长度a和b以及两边的夹角α。其中γ在大于5度且小于180度的范围内，θ在大于5度且小于180度的范围内，并且边长在0.1-20mm的范围，优选在1-8mm的范围内。
[0017]
压制后的第一可伸缩膜和可伸缩三维结构芯层与其对应模具具有相同几何参数，其特征在于可伸缩三维结构芯层的几何参数包括平行四边形的第一边长bb，第二边长ab以及第一边长和第二边长的夹角αb。第一可伸缩膜的几何参数包括平行四边形的第一边长ba，第二边长aa以及第一边长ba和第二边长aa的夹角αa。并需满足配合关系：ba＝bb,cosαb/cosαa＝aa/ab以实现两种薄膜可共同压缩与展开的功能。而当此结构整体完全展开后，第一可伸缩膜为平膜状态，所述可伸缩三维结构芯层保持为三维结构，此时可用以吸收声音。
[0018]
3.一种背腔支架声学部件，其特征在于包括：
[0019]
壁厚为0.5mm，上下面开放的中空圆柱，背腔支架的高度为大于0mm到100mm，优选为10-30mm。
[0020]
4.一种吸声装置，其特征在于：
[0021]
提供至少两个柔性的第一可伸缩膜，与至少一个可伸缩三维芯层，根据下列配合关系进行夹层配合；
[0022]
提供至少一个背腔支架，其中所述夹层配合结构完全展开后(第一可伸缩膜变为平膜)固定于所述背腔支架的至少一个开放侧。
[0023]
所述配合关系为：压制后的第一可伸缩膜和可伸缩三维结构芯层与其对应模具具
有相同几何参数，可伸缩三维结构芯层的几何参数包括平行四边形的第一边长bb，第二边长ab以及第一边长和第二边长的夹角αb。第一可伸缩膜的几何参数包括平行四边形的第一边长ba，第二边长aa以及第一边长ba和第二边长aa的夹角αa，并需满足配合关系：ba＝bb，cosαb/cosαa＝aa/ab以实现两种薄膜可共同压缩与展开的功能。
[0024]
有益效果
[0025]
在本发明，将柔性的可伸缩膜(优选纳米纤维膜)与可伸缩三维超结构芯层协同地整合在一起，制造出一种基于折纸结构(优选miura-ori方格图案)的新型超轻吸声超材料，其质量密度极低，例如20mg/cm3或更低，优选11mg/cm3或更低。并且，采用阻抗管进行的吸声试验表明，与平面膜相比，吸声系数有明显提高，第一共振吸声频率向低频段转移。此外，本发明超轻吸声超材料在较宽的频率范围内实现良好的吸声效果，并且呈现出理想的宽带吸声和特定频率范围内的卓越吸声。
[0026]
另外，柔性的可伸缩膜(优选纳米纤维膜)与夹在相邻的两个可伸缩膜之间的可伸缩三维超结构芯层之间能够相互协同，相互配合并且相互作用，从而实现了额外的吸声效果，即实现吸声系数峰值向低频移动(从4000hz附近移动到了2800hz左右)，这说明声学结构不仅提高了吸声性能，更使得第一共振频率向低频迁移，在低频噪声难以解决的问题方面将有着良好的发挥。
[0027]
另外，相邻的柔性的可伸缩膜与它们之间的可伸缩三维超结构芯层的几何参数能够相互配合，所以可以使得三层结构同时运动，以达到整体展开和收缩的功能。当完全展开时，上下两层可伸缩膜展成了平面薄膜，而中间依然是三维结构薄膜，此结构吸声性能很好。所以，需要利用时，可以将结构展开，不用时可压缩收起，提高便携性。
[0028]
附图简要说明
[0029]
图1示出本发明一个实施方案的制备夹层声学结构和声学部件的工艺以及对其进行声学测试的方法的示意图。
[0030]
图2(a)示出主导可伸缩三维结构芯层结构的折叠程度的四个参数夹角γ、夹角θ以及平行四边形的两个边长长度a和b；(b)根据本发明的实施例制备的声学部件样品(mss)的侧视图，其中顶部插入的图像分别示出了展开后依旧维持三维结构的芯层薄膜和展开后维持平膜状态的第一可伸缩膜；(c)根据本发明的实施例制备的夹层声学结构的可伸缩三维结构芯层的折叠结构的表面形态的扫描电子显微镜(sem)图像，其中平行四边形边长长度均为4mm，角度γ和角度θ均为90
°
；(d)根据本发明的实施例的制备的纳米纤维聚乙烯醇膜的形态的sem图像，其中右下角插入的图像显示了由imagej软件收集的纤维直径的分布。
[0031]
图3(a)示出通过不同电纺丝时间(4小时至24小时)制造的不同厚度的聚乙烯醇膜的sem图像；(b)通过3d模具对不同厚度的聚乙烯醇膜进行压膜后得到的三维芯层的光学图像以及(c)实施例中制备的聚乙烯醇膜的厚度、孔隙率以及此三维夹层结构的堆积密度随电纺时间变化的趋势图。
[0032]
图4(a)示出根据一个实施例制备的夹层结构样品、三层平面膜、单层平面膜、可伸缩三维芯层结构膜和贴在平面膜上的可伸缩三维芯层结构膜的吸声系数的比较图；(b)具有不同高度的背腔支架(0mm、10mm、20mm和30mm)的mss样品的吸声系数比较图；(c)根据另一个实施例制备的mss样品分别贴附于巴斯夫泡沫和金属穿孔板的吸声系数比较图。
[0033]
图5(a)示出对于实施例的mss样品，当第二角度θ固定为90度时，第一角度γ从60
°
到180
°
变化时吸声效率的变化；(b)对于实施例的mss样品，当第一角度γ固定为90
°
时，第二角度θ从60
°
到180
°
改变时吸声效率的变化；以及(c)对于实施例的mss样品，当第一与第二角度均固定为90
°
时，边长长度a从1mm到8mm变化时吸声效率的变化。
[0034]
图6(a)示出根据一个实施例制备的多层夹层结构堆叠的声学部件的立体图；(b)夹层结构样品、双层夹层结堆叠和三层夹层结构堆叠的吸声性能对比；(c)和(d)分别示出了当背腔高度d1和d2分别变化时，双腔双夹层模型吸收峰的移动趋势。
[0035]
图7示出根据本发明的一个实施方案的三层声学结构的工作原理以及对应于膜a的第一可伸缩膜和对应于膜b的可伸缩三维结构芯层分离的图和几何参数。
具体实施方式
[0036]
下面详细描述本发明的实施方案。下面描述的实施方案是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施方案中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
[0037]
定义和一般术语
[0038]
现在详细描述本发明的某些实施方案，其实例由随附的结构式和化学式说明。本发明意图涵盖所有的替代、修改和等同技术方案，它们均包括在如权利要求定义的本发明范围内。本领域技术人员应认识到，许多与本文所述类似或等同的方法和材料能够用于实践本发明。本发明绝不限于本文所述的方法和材料。在所结合的文献、专利和类似材料的一篇或多篇与本技术不同或相矛盾的情况下(包括但不限于所定义的术语、术语应用、所描述的技术，等等)，以本技术为准。
[0039]
应进一步认识到，本发明的某些特征，为清楚可见，在多个独立的实施方案中进行了描述，但也可以在单个实施方案中以组合形式提供。反之，本发明的各种特征，为简洁起见，在单个实施方案中进行了描述，但也可以单独或以任意适合的子组合提供。
[0040]
除非另外说明，本发明所使用的所有科技术语具有与本发明所属领域技术人员的通常理解相同的含义。本发明涉及的所有专利和公开出版物通过引用方式整体并入本发明。
[0041]
除非另有说明或者上下文中有明显的冲突，本文所使用的冠词“一”、“一种”和“所述”旨在包括“至少一个”或“一个或多个”。因此，本文所使用的这些冠词是指一个或多于一个(即至少一个)宾语的冠词。例如，“一种组分”指一个或多个组分，即可能有多于一个的组分被考虑在所述实施方案的实施方式中采用或使用。
[0042]
术语“包含”或者“包括”为开放式表达，即包括本发明所指明的内容，但并不排除其他方面的内容。
[0043]“夹层声学结构”是指在两个膜层之间夹有至少一个附加层的声学结构，该声学结构可用于降噪、防噪、吸声、消音等。
[0044]“柔性的第一可伸缩膜”是指能够展开并且伸缩的柔性薄膜，其中柔性是相对于刚性而言的，表现出柔软、可弯曲的性质，即使长时间的折叠和反复弯曲也无需担心损害。第一可伸缩膜可以包含纳米纤维，纳米纤维是指直径在1-1000nm，优选200-600nm的纤维，该纤维可以由任何柔性聚合物材料形成，例如聚乙烯醇、聚酰胺、纤维素等。柔性纳米纤维膜
可以是多孔的。
[0045]“可伸缩三维结构芯层”是指夹在两个膜之间的具有三维结构的层，其能够根据折叠图案收缩和展开。典型的三维结构是miura-ori折纸结构。miura-ori结构是一种折纸方法，以其日本发明人三浦命名的折纸方法之一。这种独特的折叠方法允许一张具有平行四边形的平面膜按照特定的折痕图案压缩到一个小范围内，并在施加拉力时恢复为一张平面膜或纸。它已被应用于许多能源的应用，如太空探索的太阳能电池板。
[0046]
为了在提高吸声性能的同时尽可能地实现超轻性能，可以将拓扑优化方法与3d打印技术结合起来，制造带有人工孔或空腔的超结构，在保证结构强度的同时获得吸声和密度的最佳解决方案。在这些结构中，复合材料蜂窝板、多孔聚碳酸酯块和多层微孔板都是经典的三维结构，它们都是用增材制造来完成吸音的。在这些三维结构的启发下，可以将薄膜技术与三维结构相结合，以增加薄膜与声波的接触时间，这可以在保持其超轻特性的同时，显著提高薄膜的sac。其中，三维绒毛纤维组合是一种很好的材料，通过纤维膨胀可以极大地降低了材料的包装密度，保证了轻质特性。然而，这些材料的缺点也很明显，即极小的堆积密度是以巨大的体积为代价的，这就导致了结构稳定性差和试生产的困难。
[0047]
本发明提出了一种新的方法以及新的声学结构，即在纳米纤维膜(例如电纺丝形成的二维膜)的基础上采用可伸缩三维结构芯层(例如miura-ori折纸结构)技术，开发出一种新型的基于可伸缩三维结构芯层(例如基于miura-ori的三维夹层超材料)的三维夹层超材料，其能够在保持其超轻特性的同时具有更好的吸音效率。
[0048]
所述的经典miura-ori折纸结构是以其日本发明人-三浦良知(koryo miura)命名的折纸方法之一，它可以使具有平行四边形重复单元的电纺丝膜平面片按照之字形折痕压缩成一个小区域，在相同投影面积的情况下，大大增加了有效吸声面积，通过其上下结构成功提供多个共振腔。同时，可以将两片第一可伸缩膜分别固定在可伸缩三维芯层膜的顶部和底部，形成夹层结构，从而在超材料的整个系统中形成两层谐振腔，在噪声波传入时更有效地消散能量。
[0049]
下面将结合例子，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。以下例子仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0050]
下述例子中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施方案中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。此外，如无特殊声明，以下制备和测试的样品均为展开状态的声学结构。
[0051]
1)实施方式1
[0052]
图7示出了本发明的一个实施方案的声学结构的工作原理以及对应于膜a的第一可伸缩膜和对应于膜b的可伸缩三维结构芯层分离的图和几何参数。如图7所示，用3d打印塑料模具1将经过静电纺丝制得的纤维膜2压制成第一可伸缩膜与可伸缩三维芯层结构3。之后，用刀片将压制后的膜裁剪成圆形。同时将第一可伸缩膜a与可伸缩三维结构芯层膜b从顶部和底部组装起来，形成层叠结构。
[0053]
其中，所述第一可伸缩膜和/或所述可伸缩三维结构芯层的材料选择包含纤维素、木材、聚乙烯醇、聚对二甲苯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚氨酯以及有机硅树脂中的至少一者。此处利用聚乙烯醇原料溶液进行静电纺丝，从而获得柔性纳米纤维膜，任选地，电纺丝的时
间为4-24小时，并且所述柔性纳米纤维膜的厚度为15-165微米，孔隙率为80％到95％，平均密度为0.073g/cm3，纳米纤维的平均直径为268nm。
[0054]
如图7所示，在模具压制和两种膜组装配合过程中，第一可伸缩膜与中间的三维芯层膜的几何参数关系需符合：ba＝bb,cosαb/cosαa＝aa/ab以使得三层膜同时运动，以达到整体展开和收缩的功能。当完全展开时，上下两层第一可伸缩膜展成平面薄膜状态，而中间依然是可伸缩三维芯层薄膜，此时将这种夹层声学超结构粘贴在背腔支架上，用以进行吸声测试。
[0055]
2)实施方式2
[0056]
图1示出本发明一个实施方案的制备夹层声学结构和声学部件的工艺以及将展开状态的声学结构进行声学测试的方法的示意图。如图1所示，通过电纺技术1制造纳米纤维膜2(例如聚乙烯醇膜)，然后用3d打印塑料模具3将纳米纤维膜压制成第一可伸缩膜与可伸缩三维芯层结构。为了避免膜在压制过程中粘在模具上，可以通过化学气相沉积(cvd)技术在模具表面沉积聚一氯对二甲苯层作为阻挡层(厚度为5μm)。之后，可以用刀片4将压制后的纳米纤维膜裁剪成各种形状，例如圆形5，以适应测试夹具。同时将两个第一可伸缩膜6、7与可伸缩三维芯层膜从顶部和底部组装起来，形成夹层结构(图1)。最后，可以将这种完全展开状态的夹层声学结构粘贴在背腔支架8上，并将其插入阻抗管9进行声学测试。
[0057]
3)实施方式3
[0058]
用传统吸声材料(泡沫吸声板或者金属穿孔板)取代背腔支架，将完全展开后的夹层结构固定在传统吸声材料表面，插入阻抗管，进行声学对比测试。
[0059]
4)实施方式4
[0060]
改变夹层声学结构的几何参数，探索其对吸声的内在机制影响。因此，本研究采用控制变量法，通过伸缩分别改变可伸缩三维芯层薄膜的三个重要参数γ、θ和a，并进行声学对比测试，用以模拟夹层结构整体在伸缩过程中声学性能的变化。优选地，γ在大于5度且小于180度的范围内，θ在大于5度且小于180度的范围内，并且a在0.1-20mm的范围，优选在1-8mm的范围内。
[0061]
5)实施方式5
[0062]
在实施方式1夹层结构(两层第一可伸缩膜与一层可伸缩三维芯层膜)的研究基础上，进一步对夹层结构进行叠加，制造出双层夹层结构(三层第一可伸缩膜与两层可伸缩三维芯层膜)与三层夹层结构(四层第一可伸缩膜与三层可伸缩三维芯层膜)(图6a)，将其固定于背腔支架并插入阻抗管，研究其吸声性能。
[0063]
6)实施方式6
[0064]
在实施方式1夹层结构的研究基础上，进一步引入多个背腔支架与多个夹层声学结构，形成背腔上有夹层结构，夹层结构上有背腔的多层叠加组合结构。具体的，我们引入双腔-双夹层模型，两个夹层声学结构分别固定于一个背腔支架的上下开放侧，再将另一背腔支架任意开放侧与底面夹层结构相接，形成一整体。其中，通过分别调节上下两背腔支架的高度d1与d2改变结构整体，并进行声学测试。其中，d1与d2优选1-10mm。
[0065]
通用制备方法
[0066]
如图1所示，通过电纺丝技术由溶液制造了厚度为130
±
5μm的高分子纳米纤维膜，然后用3d打印塑料模具将纤维膜压制出第一可伸缩膜与可伸缩三维芯层结构。为了避免膜
在压制过程中粘在模具上，通过化学气相沉积(cvd)技术在模具表面沉积了5μm厚的聚一氯对二甲苯层作为阻挡层。之后，用刀片将压制后的薄膜裁剪成所需形状，再将第一可伸缩膜与三维结构芯层膜进行组装，形成夹层结构(图1)。最后，将这种夹层声学超结构粘贴在背腔支架上，并将其插入阻抗管进行声学测试(图1)。
[0067]
研究结果
[0068]
1)在实施方式1中制备样品过程中，我们选用聚乙烯醇为原材料进行静电纺丝制造纳米纤维膜。不同的电纺时间将影响着纳米纤维膜的厚度。如图3a和b所示，厚度小的膜在压制成型过程中容易损坏，并且在脱离过程中由于静电吸引很可能出现问题。图3c示出了电纺丝时间、厚度、膜的孔隙率和夹层结构的组装密度之间的关系。当纳米纤维的电纺丝时间从4小时增加到24小时时，膜的厚度从15.15μm增加到164.24μm，同时膜的孔隙率从80.13％提高到94.34％(表1)。然而，过长的电纺丝时间(24小时)会导致薄膜厚度增加，并在模具压制过程中出现困难。同时，对于夹层结构系统，随着电仿时间的提升，其组装密度从3.80mg/cm3增加到12.81mg/cm3(表2)，这违背了实现超轻特性的愿望。因此，必须在重量、膜的厚度和制造工艺之间做出妥协。最后，选择了130μm厚的膜(电纺丝时间为18小时)。
[0069]
表1
[0070][0071]
表2
[0072][0073]
2)在实施方式2中，制备了四个声学结构展开后的样品：单层平面膜、与夹层结构相同高度的三层平面膜、可伸缩三维芯层结构膜和粘在平面膜上的可伸缩三维芯层结构膜，将这四个样品分别粘贴在10mm高的背腔支架上，进行声学对比测试。从图4a中可以看出，引入的可伸缩三维芯层结构膜与单层平面膜相比，吸声性能有了很大的提高，当两层平面膜分别贴在可伸缩三维芯层结构膜的顶部和底部形成夹层结构时，吸声峰值不仅逐渐提高到1.0系数左右，而且还向低频范围移动，显示出中低频的优良吸声特性。同时，在背腔高度从10mm到30mm不同的情况下，夹层结构的第一共振频率从2900hz移到1800hz。特别是当背腔高度增加到30mm时，图4b中存在两个吸声峰，可以同时完成1800hz和6000hz的双频吸声。
[0074]
3)之后，将夹层结构分别贴在吸声材料巴斯夫泡沫(5mm厚)和穿孔板(1mm厚)上，研究夹层对提高常规材料吸声性能的作用。在图4c中，由于夹层结构的存在，巴斯夫泡沫和穿孔板的sac提高了两倍以上，这说明sac较低的常规吸声材料的吸声效果在夹层结构的作用下得到了很好的提升。
[0075]
4)在实施方式4模拟夹层结构整体在伸缩过程中声学性能变化的研究过程中，图5(a)和(b)示出了角度γ和角度θ分别从60
°
到180
°
变化时吸声效率的变化。在图5(a)中，当角度θ固定在90
°
时，吸声系数的最大值随着角度γ的减小从0.8增加到1.0，第一共振频率逐渐转移到较低频率。然而，在图5(b)中，当角度γ固定为90
°
，角度θ从180
°
变为60
°
时，吸声系数的最大值仅从0.9略微增加到1.0，并且第一共振频率没有明显的转变。此外，当两个角度γ和θ同时固定在90
°
时，sac的趋势随着边长长度a的变化而变化，如图5c所示。具体来说，角度γ越小和边长a越大使得夹层结构的高度越大，这在两个第一可伸缩膜和三维可伸缩芯层结构之间形成了相当大的共振腔，在低频附近形成了良好的吸声性能。然而，在改变角度θ的过程中，夹层结构的高度将保持不变，这导致吸声性能的微小变化，并且没有明显的向低频率转移的现象。
[0076]
5)实施方式5对多层夹层结构堆叠的模型进行了研究，结果于图6b显示了夹层结构、双层夹层结构堆叠和三层夹层结构堆叠的吸声性能对比，表明在高频率范围内(6400hz左右)逐渐出现了第二个吸声峰，而且随着叠合层数的增加，吸声系数的最小值将从0.25增加到0.6。因此，在多层mss叠加结构的帮助下，可以在较宽频率范围内实现良好的吸音效果。以三层mss叠加结构为例，在1500hz至6400hz的频率范围内，整体吸声系数将超过0.6。
[0077]
6)实施方式6对于双腔双夹层模型的研究结果如图6.图6(c)和(d)显示了当背腔高度d1和d2分别变化时，双吸收峰的移动趋势，这说明在d2变化时，双峰同时移动，然而，随着d1的增加，2000hz左右的第一吸收峰表现出较小的偏移，而6500hz左右的第二吸收峰大大的向低频偏移并接近第一吸收峰。因此，第一背腔d1的变化将极大地推动双峰相互靠近，并在特定的频率范围内形成超级吸音。
[0078]
结论
[0079]
总之，上述的例子采用了新的方法来制造基于miura-ori结构的纳米纤维膜。通过采用电纺丝技术和3d打印模压方法，具有miura-ori夹层结构的聚乙烯醇纳米纤维膜可以通过可扩展的、符合大规模生产的、用户自定义的工艺制造出来。此外，与很多研究者报道的纳米纤维平面膜相比，引入的mss的质量密度仅有10.64mg/cm3，吸声系数提升至1.0，并促使第一共振频率转移到低频范围。此外，限定miura-ori芯层结构形状的角度γ、角度θ和边长可以帮助调整mss的吸声性能。因此，纳米纤维膜和miura-ori结构超材料的结合产生了一种既具有超强吸声性能又具有超轻优势的优秀吸声超材料。
[0080]
可以理解的是，以上实施方案仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方案，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。
[0081]
参考文献
[0082]
[1]hansell,anna l.,et al.aircraft noise and cardiovascular disease near heathrow airport in london:small area study.bmj,2013,347.
[0083]
[2]cao,leitao,et al.porous materials for sound absorptionposites communications,2018,10:25-35.
[0084]
[3]zhao,xiao-dan；yu,yong-jie；wu,yuan-jun.improving low-frequency sound absorption of micro-perforated panel absorbers by using mechanical impedance plate combined with helmholtz resonators.applied acoustics,2016,
114:92-98.
[0085]
[4]chenzhi,c.a.i.；mak,cheuk ming.noise attenuation capacity of a helmholtz resonator.advances in engineering software,2018,116:60-66.
[0086]
[5]yildiz,et al.properties of sound panels made from recycled footwear treads.acta physica polonica,a.,2017,132.3.
[0087]
[6]choe,hyeon；sung,giwook；kim,jung hyeun.chemical treatment of wood fibers to enhance the sound absorption coefficient of flexible polyurethane composite foamsposites science and technology,2018,156:19-27.
[0088]
[7]sung,giwook,et al.effect of isocyanate molecular structures in fabricating flexible polyurethane foams on sound absorption behavior.polymer testing,2016,53:156-164.
[0089]
[8]mosanenzadeh,shahrzad ghaffari,et al.development,characterization,and modeling of environmentally friendly open-cell acoustic foams.polymer engineering&science,2013,53.9:1979-1989.
[0090]
[9]xiang,hai-fan,et al.sound absorption behavior of electrospun polyacrylonitrile nanofibrous membranes.chinese journal of polymer science,2011,29.6:650-657.
[0091]
[10]wu,chang mou；chou,min hui.sound absorption of electrospun polyvinylidene fluoride/graphene membranes.european polymer journal,2016,82:35-45.

技术特征：

1.一种夹层声学结构，其特征在于包括：至少两个柔性的第一可伸缩膜，以及夹在相邻的两个第一可伸缩膜的第一可伸缩膜之间的可伸缩三维结构芯层，其中所述可伸缩三维结构芯层以及所述第一可伸缩膜均包含由多个分隔重复单元形成的折叠图案；以及其中所述可伸缩三维结构芯层具有第二几何参数，所述第一可伸缩膜具有第一几何参数，所述第一几何参数和第二几何参数被构造为相互配合，使得可伸缩三维结构芯层与所述第一可伸缩膜能够整体收缩和展开。2.根据权利要求1所述的夹层声学结构，其特征在于所述折叠图案选自剪纸图案、折纸图案、霍夫曼网格图案、barreto之星图案、yoshimura图案以及四边形网格图案中的至少一者，优选日本剪纸图案，日本折纸图案、中国剪纸图案中的至少一者，更优选origami或kirigami折叠图案。3.根据权利要求2中任意一项所述的夹层声学结构，其特征在于所述折叠图案包含多个分隔的平行四边形，其中每个平行四边形具有相同的边长和内角。4.根据权利要求3中任意一项所述的夹层声学结构，其特征在于所述第一可伸缩膜和/或所述可伸缩三维结构芯层包含纤维素、木材、聚乙烯醇、聚对二甲苯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚氨酯以及有机硅树脂中的至少一者，优选纤维素、木材以及聚乙烯醇中的至少一者。5.一种制备夹层声学结构的方法，其特征在于利用聚合物原料溶液进行静电纺丝，从而获得柔性纳米纤维膜，任选地，电纺丝的时间为4-24小时，并且所述柔性纳米纤维膜的厚度为15-165微米，孔隙率为80％到95％，平均密度为0.073g/cm3，纳米纤维的平均直径为268nm。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于提供第一可伸缩膜与可伸缩三维结构芯层的步骤包括利用3d打印塑料模具压制所述柔性纳米纤维膜，从而形成第一可伸缩膜或可伸缩三维结构芯层，任选地，所述方法还包括在形成第一可伸缩膜或可伸缩三维结构芯层后，用刀片将可伸缩三维结构芯层裁减为所需形状。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述塑料模具为上下完全配合的阴阳模具，其结构为具有平行四边形重复单元的折纸结构。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于几何参数还包括在第一方向上相邻的两平行四边形之间的夹角γ，用于控制可伸缩三维结构芯层在第一方向上的伸缩状况；在与第一方向不同的第二方向上相邻两平行四边形面的夹角θ，控制可伸缩三维结构芯层在第二方向上的伸缩状况；平行四边形两边长度a和b以及两边的夹角α。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于γ在大于5度且小于180度的范围内，θ在大于5度且小于180度的范围内，并且边长在0.1-20mm的范围，优选在1-8mm的范围内。10.根据权利要求7-9中任意一项所述的方法，其特征在于压制后的第一可伸缩膜和可伸缩三维结构芯层与其对应模具具有相同几何参数，其特征在于可伸缩三维结构芯层的几何参数包括平行四边形的第一边长b
b
，第二边长a
b
以及第一边长和第二边长的夹角α
b
。第一可伸缩膜的几何参数包括平行四边形的第一边长b
a
，第二边长a
a
以及第一边长b
a
和第二边长a
a
的夹角α
a
。并需满足配合关系：b
a
＝b
b
,cosα
b
/cosα
a
＝a
a
/a
b
以实现两种薄膜可共同压缩
与展开的功能。11.根据权利要求10中所述的方法，其特征在于，所述第一可伸缩膜完全展开后为平膜状态，并且所述可伸缩三维结构芯层保持为三维结构。12.一种背腔支架声学部件，由3d打印制造而成，其特征在于包括：壁厚为0.5mm，上下面开放的柱状空心结构，优选为空心圆柱。13.根据权利要求12所述的声学部件，其特征在于所述背腔支架的高度为大于0mm到100mm，优选为10-30mm。14.一种制备吸声装置的方法，所述吸声装置可具有权利要求1至13中任一项所述的夹层声学结构、方法或者背腔支架声学部件的特征，其特征在于：提供至少两个柔性的第一可伸缩膜，与至少一个可伸缩三维芯层，根据权利要求10所属配合关系进行夹层配合。提供至少一个背腔支架，其中所述夹层配合结构完全展开后(第一可伸缩膜变为平膜)固定于所述背腔支架的至少一个开放侧用以实现吸声性能。

技术总结

本发明提供了一种夹层声学结构、声学部件、制备夹层声学结构和声学部件的方法以及复合声学部件。夹层声学结构包括：至少两个柔性的第一可伸缩膜以及夹在相邻的两个第一可伸缩膜之间的可伸缩三维结构芯层，其中所述可伸缩三维结构芯层以及所述第一可伸缩膜均包含由多个分隔重复单元形成的折叠图案。所述可伸缩三维结构芯层具有第二几何参数，所述第一可伸缩膜具有第一几何参数，所述第一几何参数和第二几何参数被构造为相互配合，使得可伸缩三维结构芯层与第一可伸缩膜能够整体收缩和展开，其中当所述第一可伸缩膜完全展开后为平膜状态，并且所述可伸缩三维结构芯层保持为三维结构。结构。结构。