[发明专利]声波与振动能量吸收超材料

说明书

本发明利用了大致上对声波透明的平面刚性框架来构建吸声板，其中该框架被分割成多个大致上二维的独立单元。具有柔韧性的薄膜被固定在刚性框架上，并在柔性材料薄膜上固定多个薄片，由此每个单元具有各自的薄片，从而建立了共振频率，以增强吸声板的吸声系数。柔性材料可以有褶皱或是皱纹，从而使有效弹性系数减小。褶皱或皱纹可使弹性材料具有超过同样类型的平面材料可承受的变形，并保证足够的机械强度来支撑多个薄片。

技术领域

本发明涉及能量吸收材料，特指吸收声波能量并提供屏蔽或声波障碍，而且还涉及可利用的声波吸收系统，尽管该系统在几何形状上保持开放。

背景技术

一直以来，低频声波和振动的衰减都是一项挑战性的工作，主要原因在于耗散系统的耗散机理受到线性响应原理的支配，该原理清晰地表明了摩擦力和能量流都与速率呈线性比例关系。耗散能量和速率存在二次方的函数关系，因此，对均匀材料而言，其对低频声波的吸收率差。为了能够提高低频下的耗散，通常需要增大相关材料内的能量密度，比如说，通过共振的方式来达到此目的。

发明内容

吸声板由大致上对声波透明的平面刚性框架构成，该框架被分割成多个独立的大致上二维的单元。弹性材料薄膜被固定在刚性框架上，并且多个薄片固定在此弹性材料薄膜上。从而得到这样的配置，其中每个单元具有各自的薄片，由此建立了共振频率。此共振频率由各独立单元的平面结构、弹性材料的弹性、以及位于弹性材料上的各薄片共同决定，它们将会共同带来吸声板吸声系数的增加。弹性材料可拥有褶皱或皱纹结构而扭曲变形，从而可以减低材料的弹性。褶皱或皱纹结构可以允许此类弹性材料承受比同类型平面材料更大的扭曲变形，但仍然可以保持力学强度以支撑多个薄片。

在另外一种配置中，一种声波/振动能量吸收超材料具有附加至封闭的平面框架的弹性薄膜，所述弹性薄膜上附加有一个或多个刚性薄片。刚性薄片均具有非对称的形状，其与弹性薄膜相连的一些地方具有基本上呈直线的边界，由此刚性薄片构成了具有预设质量的单元。所安装的刚性薄片的位移引起弹性薄膜施加弹性回复力。结构的振动形式包含了多个共振频率可调的共振模态。

附图说明

图1A示出了单元的吸声系数。

图1B表示图1A的样品在172Hz频率处，位置与振幅的对应关系。

图1C表示图1A的样品在340Hz频率处，位置与振幅的对应关系。

图1D表示图1A的样品在710Hz频率处，位置与振幅的对应关系。

图1E为图1A-1D中样品单元的照片。

图2给出了杨氏模量的值

图3给出了样品薄膜位移与吸声系数的关系。

图4给出了计算得到的弹性势能分布密度(左列)，应变张量的迹(中列)，xy平面内的位移w(右列)。

图5A给出了两层薄膜的样品的测量吸声系数。

图5B为两层薄膜的样品的照片。

图6A和6B表示了172Hz频率附近吸声峰频率与质量平方根倒数(图6A)以及813Hz频率附近与片间距倒数(图6B)的关系。

图7A和图7B分别给出了单层反射类型的薄膜反共振吸声系数(图7A)以及5层反射类型的薄膜反共振吸声系数(图7B)。

图8为45°声波斜入射时的实验装置图。

图9给出了声波在不同入射角度时测得的吸声系数：0°(图9A)，15°(图9B)，30°(图9C)，45°(图9D)，60°(图9E)。

图10A-10C给出了第一种侧面安装超结构的示意图。图10A是俯视图，图10B是前视图，图10C是侧视图。