[发明专利]一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构

说明书

【技术领域】

本发明属于弹性薄层低频轻质隔声材料技术领域，具体涉及一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构。

【背景技术】

现有的隔声材料一般都是硬度较大的材料，如钢板等。这些隔声材料在高频段隔声较好，但在低于500Hz的低频段，隔声性能非常差，有时甚至会因为自身的共振，导致对噪声产生放大。这严重制约了载运工具隔声部件和厅堂隔声材料的设计，对低频隔声技术提出了挑战。一般情况下，要隔离低频段的声波，就需要隔声部件的厚度尺寸与声波波长相匹配，如果要隔离100Hz以下的声波，就需要厚度超过1m的隔声部件，这显然是不现实的，因此需要开发新型的低频隔声材料。

舰船、飞机、列车和汽车等设备中存在较为显著的低频振动噪声，严重制约了这些设备的性能发挥和乘坐舒适性品质。这些低频振动噪声主要是由于薄壁板件和内饰件在低频段的共振引起的，因此抑制薄壁板件的低频共振和增加内饰件的低频隔振隔声性能，是降低这些系统中低频振动噪声的关键。声学超材料可以通过毫米级厚度的结构实现对低频机械波的控制，在低频减振降噪中具有很强的应用前景。而全面研究基于声学超材料的低频减振降噪技术，解决其中的关键性科学问题，拓宽工程应用范围，这在工程实践中具有极其关键的作用。

声学超材料和电磁波超材料相对应，是指具有负等效质量密度和负等效模量的人工亚波长结构。它能够实现声波的负折射，声聚焦，超透镜，隐身等许多新奇特性。2000年，刘正猷等人通过研究局域共振声子晶体，首次实现了声学超材料。该局域共振理论实现了比声子晶体布拉格散射机理频率低两个数量级的人工带隙，而该带隙所对应的声学等效参数——等效质量密度为负。声学超材料发展十余年，吸引了大量物理学，材料学等学科的学者，已经从实现单一负等效质量密度或负等效模量，到同时具备负等效质量密度和负等效模量材料，成为人工结构研究领域不可去少的一部分。

刘正猷等把普通的声子晶体带隙频率降低了两个数量级，突破了布拉格散射的限制，实现了小尺寸控制大波长的目的，这为声子晶体低频研究开辟了新的道路和方法。他们是通过在低频处引入局部共振单元，实现等效负质量密度。他们将用硅橡胶包裹的铅块，按立方晶格结构嵌入到环氧树脂的基体中，此时铅块充当质量块，硅橡胶起到弹簧的作用，环氧树脂作为基体。在低频处，就会出现铅块和基体运动失谐的情况，产生了负等效质量密度，同时由于铅块运动能吸收声波所传递的能量而在低频处产生禁带。

2012年，我们所设计的折叠梁结构的局域共振声子晶体结构，用质量较轻、价格较低的有机玻璃薄板制成，厚度在mm量级，低频带隙范围到达了18-200Hz，对次声频段都有一定的控制效果，为声子晶体解决目前普遍存在的钣金件低频段振动噪声控制提供了较为完整的解决方案。

上述薄板型声子晶体主要在控制薄板平面的波传播方面效果较好，对应垂直入射的波则效果较差，这对于用声子晶体来进行低频隔声隔振是不利的。后来，我们又设计了螺旋梁声子晶体结构，结构由有机玻璃薄板基体和金属柱散射体构成，该局域共振声子晶体结构的低频带隙达到了42-250Hz，在目前比较关注的垂向低频减振降噪提供了新丝路。当然，由于该结构的金属柱散射体质量，即使进行等比例缩小，其应用范围也有一定的限制，比如该结构很难用在对重量限制较严格的航空航天和汽车领域。但对于建筑物、船舶等水下武器、列车和前面讲到的减振工地混凝土泵车外壳的减振降噪提供了一种方案。

为了获得更低的带隙，及在实验上容易获得等效负质量，2008年，杨志宇等制作出了薄膜型等效负质量密度超材料。他们在圆形弹性薄膜上固定质量块，并将薄膜固定在框架上。该薄膜超材料在200-300Hz的频率范围内，都能形成等效负质量密度。

当声波垂直于薄膜平面入射时，只要入射频率和质量块在薄膜上的共振频率相匹配，就能够使得声波被完全反射，而不能透过。因此可以通过调整质量块和薄膜的弹性模量，就可以调整等效负质量密度出现的频率，实现对某个较窄频段声波的衰减。然而，由于质量块的共振频率为单一频率，要想实现宽频的降噪，可根据条件设计多层的薄膜材料来共同实现。