一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置，由格柵支架、粘彈性薄膜和配重塊組成；格柵支架由剛性輕質(zhì)材料制成，由正方形格子延x方向和y方向周期性延拓而成；所述的粘彈性薄膜張緊粘接在格柵支架上；所述的配重塊分別對應正方形格子呈周期性的附加設置在粘彈性薄膜上；正方形格子以及與其對應的粘彈性薄膜和配重塊構(gòu)成元胞，元胞為隔聲裝置中阻隔低頻噪音的最小聲學超材料單元。通過若干個聲學超材料單元周期排列構(gòu)成，能夠通過配置在相鄰元胞中不同質(zhì)量的配重塊實現(xiàn)對寬帶，也就是較寬的頻率范圍的覆蓋；在超材料單元受到聲波激勵時，不僅配重塊和張緊的粘彈性薄膜發(fā)生局域共振現(xiàn)象，使得整個元胞的平均位移為零，實現(xiàn)高效地阻隔聲音。
【專利說明】一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低頻噪聲阻隔技術(shù)，具體為一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]20世紀50年代以來，隨著航空航天、高速列車、輸變電工程等的飛速發(fā)展，噪聲問題日益嚴重，引起了人們的廣泛關(guān)注。在生活領(lǐng)域，噪聲干擾著人們的正常工作和生活，長期暴露在高噪聲環(huán)境下會對人的身體健康造成危害。在生產(chǎn)領(lǐng)域，強烈的噪聲會使儀器設備失效甚至損壞，從而導致事故的發(fā)生。在軍事領(lǐng)域，隨著各類武器裝備向高速、輕質(zhì)、大型、重載等極端運行環(huán)境發(fā)展，引發(fā)的噪聲問題更加突出，嚴重影響了某些技術(shù)兵器的作戰(zhàn)和聲隱身性能，降低了裝備的戰(zhàn)場生存能力。因此，噪聲控制在軍事和民用領(lǐng)域都是一項非常重要的工作。
[0003]采用傳統(tǒng)的吸隔聲技術(shù)，能夠有效隔離噪聲中的中高頻成分，而低頻噪聲具有傳播距離遠、透聲能力強、隔離難度大等特點，一直是噪聲控制的一項難題。傳統(tǒng)隔聲材料在低頻段的隔聲量受質(zhì)量密度定律控制，難以用輕質(zhì)材料實現(xiàn)低頻寬帶隔聲。研究表明，在航空航天、高速列車、輸變電工程等領(lǐng)域中普遍存在低頻噪聲突出的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置，能夠使得輕質(zhì)材料能夠突破質(zhì)量密度定律的限制，達到對低頻噪聲的高效阻隔。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0006]一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置，由格柵支架、粘彈性薄膜和配重塊組成；所述的格柵支架由剛性輕質(zhì)材料制成，由正方形格子延X方向和y方向周期性延拓而成；所述的粘彈性薄膜張緊粘接在格柵支架上；所述的配重塊分別對應正方形格子呈周期性的附加設置在粘彈性薄膜上；正方形格子以及與其對應的粘彈性薄膜和配重塊構(gòu)成元胞，元胞為隔聲裝置中阻隔低頻噪音的最小聲學超材料單元。
[0007]優(yōu)選的，元胞的隔聲峰值頻率與對應的粘彈性薄膜張緊力正相關(guān)，與對應的配重塊質(zhì)量負相關(guān)。
[0008]優(yōu)選的，格柵支架由有機玻璃或鋁或鋁合金制成；其中，正方形格子的邊長為l_5cm,壁厚為 2_8mm。
[0009]優(yōu)選的，粘彈性薄膜由硅橡膠制成。
[0010]優(yōu)選的，配重塊由磁鐵或銅制成，配重塊呈對稱的棱柱體。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0012]本發(fā)明輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置，由若干個聲學超材料單元周期排列構(gòu)成，能夠通過配置在相鄰元胞中不同質(zhì)量的配重塊實現(xiàn)對寬帶，也就是較寬的頻率范圍的覆蓋；在超材料單元受到聲波激勵時，不僅配重塊和張緊的粘彈性薄膜發(fā)生局域共振現(xiàn)象，使得整個元胞的平均位移為零，實現(xiàn)高效地阻隔聲音，還會有相鄰元胞中的配重塊和張緊的粘彈性薄膜發(fā)生反相振動現(xiàn)象，在更低頻的位置產(chǎn)生高效的隔聲能力，進而實現(xiàn)在較寬頻率范圍內(nèi)阻隔噪音。不僅能夠有效的阻隔一定頻率范圍內(nèi)的噪音，尤其是能夠阻隔采用傳統(tǒng)隔聲材料和技術(shù)無法隔離的低頻噪聲，同時在寬頻帶上的隔聲效果也能達到一般需求。做為最小聲學超材料的元胞能夠產(chǎn)生低頻共振，實現(xiàn)低頻聲波帶隙，高效的阻隔低頻聲波的傳播，突破質(zhì)量密度定律的限制。
[0013]進一步的，通過對元胞中歌組成結(jié)構(gòu)材料和尺寸的限定，提高了本發(fā)明阻隔低頻噪音的效果；其中，通過對格柵支架材料的限定，能夠保證格柵在保證強度的前提下，正方形格子擁有較小的壁厚，能夠減少格柵支架的質(zhì)量和噪音的穿透。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明所述隔聲裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為圖1中心提取中的四個元胞結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明實例中所述的實驗樣品結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明實例中所述不同質(zhì)量的配重塊實驗樣品結(jié)構(gòu)示意圖；a為樣品1，b為樣品2，c為樣品3。
[0018]圖5為用有限元軟件仿真得到的3種樣品的聲傳輸損失曲線對比圖。
[0019]圖6為用有限元軟件仿真得到的樣品I的聲傳輸損失曲線中隔聲谷和隔聲峰對應頻率的振動位移圖。
[0020]圖7為實際測量得到的3種樣品的聲傳輸損失曲線。
[0021]圖中:1為配重塊，2為粘彈性薄膜，3為格柵支架。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0023]本發(fā)明一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置，如圖1和圖2所示，由格柵支架3、粘彈性薄膜2和配重塊I組成；所述的格柵支架3由剛性輕質(zhì)材料制成，由正方形格子延X方向和y方向周期性延拓而成；所述的粘彈性薄膜2張緊粘接在格柵支架3上；所述的配重塊I分別對應正方形格子呈周期性的附加設置在粘彈性薄膜2上；正方形格子以及與其對應的粘彈性薄膜2和配重塊I構(gòu)成元胞，元胞為隔聲裝置中阻隔低頻噪音的最小聲學超材料單元。
[0024]進一步的，元胞的隔聲峰值頻率與粘彈性薄膜2張緊力正相關(guān)，與配重塊I質(zhì)量負相關(guān)；本優(yōu)選實例中，格柵支架3由有機玻璃或鋁或鋁合金制成；其中，正方形格子的邊長為l-5cm,壁厚為2-8_ ;粘彈性薄膜2由娃橡膠制成；配重塊I由磁鐵或銅制成，配重塊I呈對稱的棱柱體，優(yōu)選的采用圓柱體或長方體。
[0025]具體的，在元胞中剛性的格柵支架3主要起支撐作用，對整個輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置的隔聲性能沒有太大影響，因此在滿足一定彎曲剛度的前提下，通過控制優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠減輕格柵支架的質(zhì)量，從而減輕整個隔聲裝置的質(zhì)量。
[0026]在每個元胞內(nèi)的粘彈性薄膜2和配重塊I能夠等效成一個彈簧連接一個振子的局域共振結(jié)構(gòu)。調(diào)整粘彈性薄膜2的張緊力類似于改變彈簧的彈性系數(shù)，調(diào)整配重塊I的尺寸和材料類似于改變振子的質(zhì)量。對于由彈性系數(shù)為K的彈簧和質(zhì)量為m的振子組成的局
域共振結(jié)構(gòu)，其共振頻率為/ = &因此，能夠通過調(diào)整粘彈性薄膜2的張緊力和調(diào)整
In V m。
重物的尺寸和材料，控制本發(fā)明的隔聲峰值頻率。粘彈性薄膜2張緊力越大，隔聲峰值頻率越高，呈正相關(guān)；配重塊I質(zhì)量越大，隔聲峰值頻率越低，呈負相關(guān)。
[0027]如圖3所示，其為包含四個元胞的輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置的樣品實物圖。優(yōu)選的，格柵支架3的材料采用密度較輕、加工性能較好的鋁，由于駐波管尺寸限制，樣品整體為短圓柱形，直徑為100mm，厚度為15mm。鋁制的實驗樣品上加工有4個20X20mm的矩形小孔，小孔之間的壁厚為4mm，對應格柵支架3的壁厚為4mm，邊長為2cm ;粘彈性薄膜2采用彈性較大且撕拉強度較大的硅橡膠材料，厚度為0.2mm，密度為1000kg/m3，彈性模量為2X107Pa，薄膜張力為0.56X106Pa。配重塊I采用了能夠方便添減重量的磁鐵，半徑為2_，每個磁鐵的質(zhì)量為0.9g。通過增減磁鐵的個數(shù)調(diào)整元胞的局域共振頻率。
[0028]為了驗證本發(fā)明的隔聲效果，因此進行對比試驗，設計如圖4所示出的3種樣品，這3種樣品采用的格柵支架3的結(jié)構(gòu)尺寸、材料、粘彈性薄膜2的張緊力等與上述的樣品相同，只是配重塊I的質(zhì)量有所不同。圖4a所示的是樣品1，它含有兩種質(zhì)量的磁鐵，相鄰元胞之間分別放置質(zhì)量為0.18g和0.27g的磁鐵，其中0.18g的磁鐵用空心圓點表示，0.27g的磁鐵用實心圓點表示。圖4b所示的是樣品2,它的四個元胞均放置了質(zhì)量為0.18g的磁鐵。圖4c所示的是樣品3,它的四個元胞均放置了質(zhì)量為0.27g的磁鐵。
[0029]如圖5所示，通過有限元方法計算得到的3種樣品的聲傳輸損失曲線。從圖5中可以看出樣品2和樣品3的聲傳輸損失曲線有兩個隔聲谷和一個隔聲峰,而樣品I的聲傳輸損失曲線有三個隔聲谷和兩個隔聲峰。樣品I不僅能在樣品2與樣品3具有較好隔聲效果的頻帶內(nèi)產(chǎn)生阻隔聲音的效果，在更低的頻率處還能產(chǎn)生一個隔聲峰，從而拓展本發(fā)明所述元胞中隔聲頻率范圍。如果重物的質(zhì)量有更多種，那么隔聲頻帶必然會進一步拓寬，不僅具有良好的目標性，而且能夠方便的通過結(jié)構(gòu)調(diào)整，適應寬范圍的隔聲需求。
[0030]如圖6所示，通過有限元法計算得到的樣品I的聲傳輸損失曲線中隔聲谷和隔聲峰對應頻率的振動位移圖，顯示了其良好的隔聲效果和交寬的隔聲頻率范圍，在較寬的隔聲頻帶上實現(xiàn)隔聲。圖6a示出了第一個隔聲谷對應頻率的振動位移圖，可以看出質(zhì)量為
0.27g的磁鐵與其所在單元的粘彈性薄膜2往同一個方向振動，而質(zhì)量為0.18g的磁鐵與其所在單元的粘彈性薄膜幾乎不振動。圖6b示出了第二個隔聲谷對應頻率的振動位移圖，可以看出質(zhì)量為0.18g的磁鐵與其所在單元的粘彈性薄膜2往同一個方向振動，而質(zhì)量為
0.27g的磁鐵與其所在單元的粘彈性薄膜2幾乎不振動。圖6c示出了第三個隔聲谷對應頻率的振動位移圖，可以看出質(zhì)量為0.27g的磁鐵與質(zhì)量為0.18g的磁鐵幾乎不參與振動,而四個單元的粘彈性薄膜往同一個方向振動。圖6d示出了第一個隔聲峰對應頻率的振動位移圖，可以看出質(zhì)量為0.27g的磁鐵與其所在單元的粘彈性薄膜往一個方向振動，而質(zhì)量為0.18g的磁鐵與其所在單元的粘彈性薄膜往另一個方向振動。圖6e示出了第二個隔聲峰對應頻率的振動位移圖，可以看出質(zhì)量為0.27g的磁鐵與質(zhì)量為0.18g的磁鐵往一個方向振動，而四個單元的粘彈性薄膜2往另一個方向振動。
[0031]如圖7所示，為實驗測量得到的3種樣品的聲傳輸損失曲線。能夠看出實驗測量得到的曲線與圖5中用有限元方法計算的曲線形狀大體一致，隔聲峰和隔聲谷對應的頻率也是一致的。但是實驗測得的聲傳輸損失比有限元法計算得到的要高一些，這是因為由于阻抗管是圓的，樣品也必須制作成圓的，所以在四個元胞周圍是15_厚的鋁，其具有較高的隔聲能力，從而使整體的聲傳輸損失提高了。因此完全能夠通過有限元分析代替實驗測量，而且準確度更好，速度快，節(jié)省成本，圖5、圖6所述的有限元分析的實驗結(jié)果真實可靠。
【權(quán)利要求】
1.一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置，其特征在于，由格柵支架(3)、粘彈性薄膜(2)和配重塊(I)組成；所述的格柵支架(3)由剛性輕質(zhì)材料制成，由正方形格子延X方向和I方向周期性延拓而成；所述的粘彈性薄膜(2)張緊粘接在格柵支架(3)上；所述的配重塊(I)分別對應正方形格子呈周期性的附加設置在粘彈性薄膜(2)上；正方形格子以及與其對應的粘彈性薄膜(2)和配重塊(I)構(gòu)成元胞，元胞為隔聲裝置中阻隔低頻噪音的最小聲學超材料單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置，其特征在于，元胞的隔聲峰值頻率與對應的粘彈性薄膜(2)張緊力正相關(guān)，與對應的配重塊(I)質(zhì)量負相關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置，其特征在于，所述的格柵支架(3)由有機玻璃或鋁或鋁合金制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置，其特征在于，所述的正方形格子的邊長為l_5cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置，其特征在于，所述的正方形格子的壁厚為2-8mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置，其特征在于，所述的粘彈性薄膜(2)由硅橡膠制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置，其特征在于，所述的配重塊(I)由磁鐵或銅制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或7所述的一種輕質(zhì)低頻寬帶薄膜超材料隔聲裝置，其特征在于，所述的配重塊(I)呈對稱的棱柱體。
【文檔編號】G10K11/162GK103594080SQ201310513807
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】吳健, 王剛, 白曉春, 耿明昕, 呂平海, 溫激鴻, 安翠翠, 趙宏剛, 樊創(chuàng) 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學研究院