一种低频隔声用轻质非对称薄膜超材料

1.本发明涉及低频隔声降噪技术领域，尤其涉及一种低频隔声用轻质非对称薄膜超材料。

背景技术：

2.多年以来，由于工业技术的飞速发展，许多工业领域都产生了噪声问题，并且这个问题还对人们的生活产生困扰，正是由于噪声对人们的身体和心理健康有着严重的危害，对噪声的控制也已经成为保护环境的一个重要指标。隔声作为一个重要的降噪手段在生活中和工业中有广泛的应用，通过加装隔声材料，可以将噪声的传播进行阻隔，使噪声无法传入人耳。但是隔声领域仍存在诸多问题，例如低频噪声传播能力极强，普通的隔声材料对其阻隔能力微弱，而为了阻隔低频噪声，往往需设计很厚很重的隔声结构，因此如何在轻量化的前提下实现高性能隔声成为了一个难题。
3.近年来，声学超材料的出现为隔声开辟了一条新的途径，声学超材料是一种人工构造的周期性结构，它区别于自然界的传统材料,能够打破质量定律，产生特殊的物理特性。薄膜超材料作为典型的隔声超材料，通过构造局部共振结构，能够在特定频率声波的激励下展现出负等效质量特性，在低频段展现良好的隔声效果，对特定频段的声波几乎实现完全阻隔，且其质量轻，体积小，已经成为了近年来备受瞩目的研究对象。然而传统薄膜声学超材料也存在着明显的不足：隔声效果突出的频率范围窄，而在其余频率范围效果不佳；反共振模态单一，只能在特定的频带起到效果。

技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，通过将质量块构造成非对称圆环形式，产生多个隔声峰，拓宽了隔声频带，克服了传统薄膜超材料隔声频域窄的缺点，并且满足轻质、体积小的要求。
5.为了解决本发明提出的技术问题，本发明所采用的技术方案为：
6.一种低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，包括薄膜，粘贴在所述薄膜同侧表面的作为此声学超材料质量块的非对称圆环，粘贴在所述薄膜两侧表面的框架；其中四个相同的所述非对称圆环个呈十字型对称分布于所述薄膜同侧表面，方向一致，所述薄膜张紧粘贴在两个相同的所述框架之间；以上结构组成所述超材料的一个胞元，所述超材料由所述胞元在平面上沿横纵方向均匀紧密周期性排列而成。
7.上述方案中，所述薄膜的形状为正方形，边长为l，厚度为d＝0.02-0.03mm，四周与所述框架通过张紧粘贴连接形成固定约束，所述薄膜因张紧而导致内部作用有大小为t的均匀张紧力。
8.上述方案中，所述非对称圆环为一个外圆柱中间减去一个非同心内圆柱的圆环，外圆柱与内圆柱之间有一定的偏心距离，其中外圆柱半径为r，内圆柱半径为r，大圆柱和小圆柱的圆心偏心距离为l0，圆环整体高度为hk；所述非对称圆环质量为0.15-0.25g。
9.上述方案中，四个相同的所述非对称圆环偏心方向一致，且相邻两个所述非对称圆环之间的横向和纵向的距离相等，距离均为x0；所述四个相同的所述非对称圆环整体置于所述薄膜的正中间位置。
10.上述方案中，所述框架为正方形，外边长为l＝19-34mm，内边长为l＝15-30mm，内外边长差为4mm，厚度为h；所述框架的外边长与所述薄膜的边长相等，两个所述框架分别相对粘贴在所述薄膜两侧表面，粘贴时能够完全重合。
11.上述方案中，所述薄膜与所述非对称圆环和所述框架均通过胶水粘贴连接。
12.上述方案中，所述薄膜为聚醚酰亚胺膜与聚乙烯中的一种。
13.上述方案中，所述非对称圆环为钢制非对称圆环与铜制非对称圆环中的一种。
14.上述方案中，所述框架为铝制框架与铝合金框架中的一种。
15.优选地，所述胞元结构具有很强的可调性，薄膜的长度、厚度以及非对称圆环的大小可根据具体隔声频带要求进行调节，以满足不同频率噪声条件的隔声需求。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.(1)本发明提供的低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，采用薄膜与质量块作隔声主体，采用框架满足强度与刚度要求，制备的超材料整体结构面密度小，可在实现轻质、小体积的前提条件下产生良好的隔声效果。
18.(2)本发明中的质量块通过构造成非对称圆环的方式达到非对称的效果，且方便调节结构非的对称程度，这一构造使得超材料整体结构在低频段产生新的非对称模态，反共振模态增加，从而使隔声峰的数量增加，拓宽了低频隔声频带，隔声适用条件更广。
19.(3)本发明中的薄膜与非对称质量块在一起构成了弹簧振子系统，通过调节质量块与薄膜的参数，可以改变弹簧振子系统的反共振模态频率，对隔声峰大小与位置进行调谐，可达到不同的使用要求。
附图说明
20.图1为实施例1低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的胞元结构示意图；
21.图2为实施例1低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的胞元结构俯视图；
22.图3为实施例1低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的胞元中薄膜、非对称圆环、框架的侧视图；
23.图4为实施例1低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的胞元结构的理论计算隔声量与仿真计算隔声量对比图；
24.图5为实施例1低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的胞元结构的5个本征模态图；
25.图6为实施例1低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的胞元结构与质量定律的隔声量对比图；
26.图7为实施例1低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的胞元结构与传统薄膜超材料结构的隔声量对比图；
27.附图标记说明
28.1薄膜；2非对称圆环；3框架。
具体实施方式
29.为了更好地理解本发明，下面结合附图和实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
30.实施例1
31.一种低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，包括聚醚酰亚胺膜1，通过胶水粘贴在聚醚酰亚胺膜1同侧表面的四个相同钢制非对称圆环2，通过胶水粘贴在在聚醚酰亚胺膜1两侧表面的两个相同的铝制正方形框架3。如图1-3所示，四个钢制非对称圆环2呈十字型对称分布于聚醚酰亚胺膜1同侧表面，偏心方向一致，聚醚酰亚胺膜1张紧粘贴在两个铝制正方形框架3之间，其中聚醚酰亚胺膜1的形状为正方形，边长为l＝24mm，厚度为d＝0.025mm，内部张紧力为t＝120n/m；钢制非对称圆环2由一个外圆柱中间减去一个非同心内圆柱的圆环，外圆柱与内圆柱之间有一定的偏心距离l0＝0.5mm，每个钢制非对称圆环质量为0.2g，2其中外圆柱半径为r＝2.5mm，内圆柱半径为r＝1.5mm，圆环整体高度为hk＝2mm，四个钢制非对称圆环2方向一致，且相邻两个钢制非对称圆环2之间的横向和纵向的距离相等，距离均为x0＝10mm；铝制正方形框架3外边长为l＝24mm，内边长为l＝20mm，厚度为h＝2mm；铝制正方形框架3的外边长与聚醚酰亚胺膜1的边长相等，两个铝制正方形框架3相对粘贴在聚醚酰亚胺膜1两侧表面，粘贴时能够完全重合；可知实施例1中低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的单个胞元结构是不对称的。
32.本实施例的材料参数如表1所示：
33.表1 低频隔声用轻质非对称薄膜超材料所使用材料及参数
[0034][0035]
为了进一步理解本发明，利用matlab软件对实施例1描述的低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的单个胞元结构进行理论计算，并使用comsol multiphysics软件进行仿真计算对比验证，计算频率范围为50-1000hz。
[0036]
由质量定律得到的隔声量计算公式为：
[0037][0038]
其中ρ0和c0分别是空气的密度和声速；m’是超材料的等效质量密度，可以通过下式计算：
[0039][0040]
其中b为膜激励向量；b是由这个质量负载膜的振动方程组得到的标准本征值方程ax＝k2bx中的一个矩阵；标准特征值问题可以用arnoldi方法求解并得到耦合系统的特征值和特征向量；λ是由特征值组成的对角矩阵，x是将特征向量排列在其中的矩阵；i是单位矩阵。
[0041]
图4为实施例1低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的胞元结构的理论计算隔声量与仿真计算隔声量对比图，其中实线为理论计算隔声量曲线，虚线为仿真计算隔声量曲线。由图4可以看出，理论曲线和仿真曲线在大部分范围内都是较为吻合的，趋势十分接近，说明理论公式的计算结果是可信的。该结构出现了三个隔声峰，分别位于500hz、617hz和674hz左右频率处，峰值分别达到了72.3db，74db和69.2db。其中第一个隔声峰为主峰，其出现的的原因是超材料本身弹簧振子系统所产生的反共振模态，另外还出现了两个隔声副峰，这是由于结构的非对称性产生了四个新的反共振模态。
[0042]
图5为实施例1低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的胞元结构的5个本征模态(铝制正方形框架假设为刚体，因此忽略其模态)，频率分别为192.72hz、571.13hz、575.69hz、632.59hz和644.25hz，这些频率与图4隔声量曲线中的隔声谷值频率很好地对应了起来。薄膜超材料的反共振模态是本征模态线性叠加，因此本征模态可以反应出反共振模态的特性。由图5可以看出，本征模态(b)和(c)、(d)和(e)分别具有正交对称性，这是由于两组质量块的布置形式具有正交对称性，因此两组模态虽然不同，但是其模态频率是相近的，表现结果为强化了相近位置处的隔声峰与隔声谷值，因此呈现出明显的隔声副峰为两个，隔声峰和隔声谷的总数量均为三个。
[0043]
图6为实施例1低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的胞元结构与质量定律的隔声量对比图，其中实线为低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的胞元结构隔声量曲线，虚线为质量定律隔声量曲线。该低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的面密度根据所选取的材料密度以及结构尺寸计算得到为3.539kg/m2，仅与厚度为1.31mm的铝板相当，十分轻质，将面密度代入质量定律公式中即可计算出质量定律隔声量。从图6可以看出，同等面密度的传统均质材料的低频隔声性能非常差，没有超过30db的频段，这也说明了在低频隔声降噪领域使用超材料的必要性，本发明设计的低频隔声用轻质非对称薄膜超材料正是由于能够打破质量定律，最高隔声峰达到70db以上，因此作为一种轻质低频隔声材料具有极高的应用价值。
[0044]
图7为实施例1低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的胞元结构与传统薄膜超材料的隔声量对比图，其中实线为低频隔声用轻质非对称薄膜超材料的胞元结构隔声量曲线，虚线为传统薄膜超材料隔声量曲线。传统薄膜超材料的质量块的是普通的圆柱体，此处作为对比将圆柱质量块设置为与非对称圆环质量块的材料、厚度和一致，从而重量也一致，质量块的数量与位置也相同。从图7可以看出，传统薄膜超材料相比于非对称超材料并没有呈现出较多的隔声峰，仅有一个大的主峰和一个小的副峰，这正是因为对称结构产生的限制。在总重量条件一致的情况下，非对称模型的隔声量明显在较多频段内高于传统模型，非对称模型在所示频段内平均隔声量达到了23.334db，相比传统模型的21.904db，高出了1db以上，效果十分明显。并且非对称模型隔声量高于30db的频段有422-536hz、587-644hz、660-827hz，总带宽为338hz，高于40db的频段有479-516hz、605-632hz、668-692hz、699-709hz，总带宽为98hz；传统模型隔声量高于30db的频段有398-605hz、625-668hz，总带宽为250hz，高于40db的频段有461-533hz、625-629hz，总带宽为76hz；非对称模型的低频隔声带宽明显大于传统模型，30db和40db以上带宽分别提升了约35.2％和28.9％，证明其性能具有显著优越性。
[0045]
本发明设计的低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，可应用于对结构轻质化要求较高的隔声结构中。本发明通过将声学超材料的质量块构造成非对称圆环的形式，突破传统
声学超材料结构中隔声频带窄的限制；并且还可以通过薄膜与质量块的结构参数，来实现对隔声频带的调谐作用。
[0046]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，其特征在于：所述超材料包括薄膜(1)，粘贴在所述薄膜(1)同侧表面的作为此声学超材料质量块的非对称圆环(2)，粘贴在所述薄膜(1)两侧表面的框架(3)；其中四个相同的所述非对称圆环(2)呈十字型对称分布于所述薄膜(1)同侧表面，方向一致，所述薄膜(1)张紧粘贴在两个相同的所述框架(3)之间；以上结构组成所述超材料的一个胞元，所述超材料由所述胞元在平面上沿横纵方向均匀紧密周期性排列而成。2.根据权利要求1所述的低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，其特征在于：所述薄膜(1)的形状为正方形，厚度为0.02-0.03mm，四周与所述框架(3)通过张紧粘贴连接形成固定约束，所述薄膜(1)因张紧而导致内部作用有均匀张紧力。3.根据权利要求1所述的低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，其特征在于：所述非对称圆环(2)为一个外圆柱中间减去一个非同心内圆柱而形成的圆环，外圆柱与内圆柱之间有一定的偏心距离，所述非对称圆环(2)质量为0.15-0.25g。4.根据权利要求1所述的低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，其特征在于：四个相同的所述非对称圆环(2)偏心方向一致，且相邻两个所述非对称圆环(2)之间的横向和纵向的距离相等，所述四个相同的所述非对称圆环(2)整体置于所述薄膜(1)的正中间位置。5.根据权利要求1所述的低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，其特征在于：所述框架(3)为正方形，外边长为19-34mm，内边长为15-30mm，内外边长差为4mm；所述框架(3)的外边长与所述薄膜(1)的边长相等，两个所述框架(3)分别相对粘贴在所述薄膜(1)两侧表面，粘贴时能够完全重合。6.根据权利要求1所述的低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，其特征在于：所述薄膜(1)与所述非对称圆环(2)和所述框架(3)均通过胶水粘贴连接。7.根据权利要求1所述的低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，其特征在于：所述薄膜(1)为聚醚酰亚胺膜与聚乙烯中的一种。8.根据权利要求1所述的低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，其特征在于：所述非对称圆环(2)为钢制非对称圆环与铜制非对称圆环中的一种。9.根据权利要求1所述的低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，其特征在于：所述框架(3)为铝制框架与铝合金框架中的一种。

技术总结

本发明涉及低频隔声降噪技术，具体为一种低频隔声用轻质非对称薄膜超材料，包括薄膜、粘贴在薄膜同侧表面的作为声学超材料质量块的非对称圆环，粘贴在薄膜两侧表面的框架；其中四个相同的非对称圆环呈十字型对称分布于薄膜同侧表面，方向一致，薄膜张紧粘贴在两个相同的框架之间；以上结构组成声学超材料的一个胞元，此声学超材料由胞元在平面上沿横纵方向均匀紧密周期性排列而成。该结构通过薄膜与质量块整体系统的局域共振特性产生反共振模态，并通过非对称质量块的构造，产生新的非对称反共振模态，使得隔声峰增多，能够扩宽有效隔声频带，还可以通过改变质量块和薄膜的尺寸参数来有效调节隔声峰的位置和密集程度，以满足不同的工作场景要求。足不同的工作场景要求。足不同的工作场景要求。