CN102317118A - 交通工具隔音方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种隔音方法，该方法包括(a)提供至少一种包含至少一个声屏障的隔音设备，所述声屏障包括至少一个设置在具有第一密度的第一介质中的大致周期性的结构阵列，所述结构由具有不同于所述第一密度的第二密度的第二介质制得，其中所述第一和第二介质中的一个是具有纵向声波传播速度和横向声波传播速度的粘弹性介质，所述纵向声波传播速度是所述横向声波传播速度的至少约30倍，并且其中所述第一和第二介质中的另一个是粘弹性或弹性介质；和(b)将所述隔音设备设置在交通工具的声源区域和声接收区域之间。
Description
优先权声明
本专利申请要求2008年12月23日提交的美国临时专利申请No.61/140,413的优先权，该临时专利申请的内容在此以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及可用于交通工具(例如，飞机、机动车、火车和船)的隔音方法，在另一方面，涉及在其中用于提供消音或隔音的设备。
背景技术
隔音材料和结构在运输业中具有重要应用。例如，通常认为交通工具乘客室内的噪音水平需要降低。噪音(例如公路噪音、风噪音、发动机噪音、振动等，以及发自乘客室的噪音)可以通过使用各种声学吸收或反射材料来减弱。此类材料可以包括在(例如)顶篷、机动车行李箱衬垫、机罩衬垫、仪表盘护罩、内侧板或地毯料和其他装饰性或功能性车辆覆面材料，从而在车辆内部得到增强的降噪效果。
在隔音行业中使用的传统材料，诸如吸收器和反射器，通常在一个宽的频率范围内有效而不能提供频率选择性声控。有源噪音消除设备容许进行频率选择性声衰减，但其通常在密闭空间最有效并且要求对电子设备进行投资和操作以便提供电源和控制。
传统吸声材料(例如，泡沫或纤维材料)一般重量相对较轻并且多孔，用于消散在其相对较大表面积上的声波振动能。Helmholtz共振器(具有例如置于两个弹性基板之间的一层空气)也可用作吸声器。然而，对于两种类型的吸收器，一般需要相对较厚的结构以便在相对较低可听频率获得相对良好的吸收特性(例如，对小于约500赫兹(Hz)的频率而言，大约需要50毫米(mm)厚度)，而此类厚结构可能会对在有限车辆空间内的使用造成问题。
与吸收器相比，传统声音屏障往往相对较重并且不透气，这是因为材料的声音传输损耗通常为其质量和硬度的函数。所谓的“质量法则”(适用于某些频率范围的很多传统声屏障材料)指出当材料单位面积的重量加倍，穿过材料的传输损耗增加6分贝(dB)。可以通过使用更致密的材料或增加屏障的厚度来增加单位面积的重量。然而，增加重量在许多运输应用中可能是不可取的。
发明内容
因此，我们认识到需要隔音方法，该隔音方法可以通过使用外部尺寸相对较小和/或重量相对较轻的隔音设备在交通工具中提供相对较高水平的消音或隔音(降低或优选地消除声音传输)。优选地，该设备可在相对较宽范围的可听音频上至少部分地有效和/或可以较简单并且有成本效率地制备。
简而言之，在一个方面，本发明提供这样的隔音方法，其包括(a)提供至少一种包含至少一个声屏障的隔音设备，所述声屏障包括至少一个设置在具有第一密度的第一介质中的大致周期性的结构阵列，所述结构由具有不同于第一密度的第二密度的第二介质制得，其中第一和第二介质中的一个是具有纵向声波传播速度和横向声波传播速度的粘弹性介质，该纵向声波传播速度是横向声波传播速度的至少约30倍，并且其中第一和第二介质中的另一个是粘弹性或弹性介质；和(b)将隔音设备置于交通工具(例如，飞机、机动车、火车或船)的声源区域(优选地，可听音频的源)和声接收区域之间。优选地，该大致周期性的结构阵列是呈多层结构的形式的一维阵列，该多层结构包括第一和第二介质的交替层。隔音设备优选还包含至少一种耐高温材料(如下所述)。
已经发现，通过选择具有某些特征的粘弹性材料并将其与粘弹性或弹性材料组合来形成空间上周期性阵列，可以在可听范围(即20赫兹(Hz)到20千赫(kHz)的范围)的至少一些部分中得到声子晶体结构带隙或至少明显的传输损耗(例如大于20分贝(dB))。此类声屏障或声子晶体结构在重量上可以相对较轻，并且相对较小(例如，外部尺寸约几厘米或更小)。通过控制诸如材料的选择、晶格结构的类型、不同材料的间距等等之类的设计参数，带隙的频率、间隙的数量以及它们的宽度可以进行微调，或者至少可根据频率调整传输损耗水平。
声子晶体结构可以以无源但频率选择性的方式产生声学带隙。不同于声学工业中使用的大多数普通吸音器，声子晶体以传输模式控制声音。在带隙的频率范围之内，入射声波可能基本上没有传输穿过结构。带隙不总是绝对的(即，没有声音传输)，但声音传输损耗通常可为大约20分贝(dB)或更高。在声学工业中，3dB左右的衰减被认为是明显的，所以20+dB是非常明显的传输损耗，接近声功率百分之百的减少。
声子晶体结构可放置在声源和接收器之间以只允许选定的频率通过结构。这样接收器听到滤过的声音，而不需要的频率被阻止。通过适当配置声子晶体结构，传输的频率可以集中在接收器，或者不希望的频率可以反射回声源(很像频率选择镜)。与现在的声学材料不同，声子晶体结构可以用来实际管理声波而不是简单地衰减或反射它们。
出人意料地，包含此类声屏障或声子晶体结构的隔音设备，尽管相对较薄且重量相对较轻，但被包括在交通工具内时可以在高于约300Hz的频率下提供大于约20dB的声音传输损耗。与常规的交通工具隔音器(其一般遵守上述质量法则)相比，本发明的方法中所用的隔音设备在约150Hz及以上的频率下所提供的传输损耗可超出质量法则所预测的传输损耗达约3-4dB。该设备可在环境温度下有效，在显著低于或高于环境的温度下也可有效(例如，约-80℃到约+150℃范围的温度，相对于约23℃室温，性能损耗仅几分贝)。另外，还包含至少一种耐高温(优选阻燃；更优选抗火焰传播和抗火焰穿透；最优选抗烧穿；如下所述)材料的隔音设备可以用于非常关心阻燃性的运输应用(例如，空中运输和轨道运输)并且仍提供有效隔音。
因此，在至少一些实施例中，本发明的方法可以满足上述对隔音方法的需要，所述隔音方法在交通工具中在可听音频下(出人意料地，甚至在低于约1000赫兹的可听频率下)可以至少部分地有效，同时使用外部尺寸相对较小和/或重量相对较轻的隔音设备。本发明的隔音方法可用于在各种不同运载工具环境中提供隔音，在这些环境中，重量减轻、厚度降低和/或耐高温性可能十分重要。例如，此类用途可以包括将该隔音设备放置于飞机(例如，用于机身周围的隔音和用于乘客室面板中)、机动车(例如，用于地板、仪表盘、轮舱和顶篷中)等等中的内部或外部运载工具部件(或两者)中。
在另一方面，本发明还提供一种隔音设备，该设备包括：(a)至少一个包含至少一个大致周期性的结构阵列的声屏障，所述大致周期性的结构阵列设置在具有第一密度的第一介质中，所述结构由具有不同于所述第一密度的第二密度的第二介质制得，其中所述第一和第二介质中的一个是具有纵向声波传播速度和横向声波传播速度的粘弹性介质，所述纵向声波传播速度是所述横向声波传播速度的至少约30倍，并且其中所述第一和第二介质中的另一个是粘弹性或弹性介质；和(b)至少一种耐高温(优选阻燃；更优选抗火焰传播和抗火焰穿透；最优选抗烧穿；如下文所述)材料。优选地，该大致周期性的结构阵列是呈多层结构的形式的一维阵列，该多层结构包括第一和第二介质的交替层。
附图说明
参照以下描述、所附权利要求书和附图，将会更好地理解本发明的这些和其他特征、方面以及优点，其中：
图1是实例2和3中所述的本发明方法的实施例的传输损耗(单位dB)与频率(单位Hz)关系的曲线图。
图2是实例4和5中所述的本发明方法的实施例的传输损耗(单位dB；测量值和理论(质量法则)值)与频率(单位Hz)关系的曲线图。
图3是实例4中所述的本发明方法的实施例的传输损耗(单位dB；在两个不同温度下)与频率(单位Hz)关系的曲线图。
图4是实例5中所述的本发明方法的实施例的传输损耗(单位dB；在两个不同温度下)与频率(单位Hz)关系的曲线图。
具体实施方式
定义
本专利申请中使用的：
“耐高温材料”意指在最高达至少约500℃的温度下不会熔化、流动、分解或者以别的方式显著改变形状的材料；
“阻燃材料”意指满足在14 C.F.R.第25部分25.853(a)章和25.855(d)章(其参考附录F的I部分到第25部分)(其内容以引用方式并入本文中)中规定的联邦航空局易燃性要求的材料；
“抗火焰传播材料”意指满足在14C.F.R.第25部分25.856(a)章(其参考附录F的VI部分到第25部分)(其内容以引用方式并入本文中)中规定的联邦航空局易燃性要求的材料；
“抗火焰穿透材料”意指满足在14C.F.R.第25部分25.856(b)章(其参考附录F的VII部分到第25部分)(其内容以引用方式并入本文中)中规定的联邦航空局易燃性要求的材料；和
“抗烧穿材料”意指满足在14C.F.R.第25部分25.853(a)章和25.855(d)章(其参考附录F的I部分到第25部分)中以及在14C.F.R.第25部分25.856(a)章(火焰传播)和25.856(b)章(火焰穿透)(其分别参考附录F的VI部分和VII部分到25部分)(其内容以引用方式并入本文中)中规定的联邦航空局易燃性要求的材料。
声屏障材料
适合用作本发明方法中所用声屏障的上面提到的粘弹性组分的材料包括这样的粘弹性固体和液体，其(优选地，至少在音频的可听范围内)纵向声波的传播速度是横向声波的传播速度的至少约30倍(优选地，至少约50倍；更优选地，至少约75倍；最优选地，至少约100倍)。可用的粘弹性固体和液体包括那些在室温下(例如约20℃)具有小于或等于约5×106帕斯卡(Pa)的稳态剪切平台模量(G°N)的粘弹性固体和液体，稳态剪切平台模量优选从约30开氏度延伸到约100开氏度，高于材料的玻璃化转变温度(Tg)。优选地，在声屏障中至少一种粘弹性材料在室温下(例如约20℃)具有小于或等于约1×106Pa(更优选，小于或等于约1×105Pa)的稳态剪切平台模量。
这样的粘弹性材料的例子包括各种形式的橡胶状聚合物组合物(例如，包括轻度交联或半结晶聚合物)，该橡胶状聚合物组合物包括弹性体(包括(例如)热塑性弹性体)、弹粘性液体等以及它们的组合(优选地，对于至少一些应用，弹性体和它们的组合)。可用的弹性体包括均聚物和共聚物(包括嵌段、接枝和无规共聚物)、无机和有机聚合物以及它们的组合、还有直链或支链的和/或互穿或半互穿网络或其他复合物形式(例如星型聚合物)的聚合物。可用的弹粘性液体包括聚合物熔体、溶液和凝胶(包括水凝胶)。
优选的粘弹性固体包括硅橡胶(优选地，具有约20A到约70A的硬度测验器硬度；更优选地，约30A到约50A)、(甲基)丙烯酸酯(丙烯酸酯和/或甲基丙烯酸酯)聚合物(优选地，丙烯酸异辛酯(IOA)和丙烯酸(AA)的共聚物)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)共聚物、嵌段共聚物(优选地，包括苯乙烯、乙烯和丁烯)、纤维质聚合物(优选软木)、有机聚合物(优选聚氨酯)和聚二有机硅氧烷-聚酰胺嵌段共聚物(优选硅氧烷聚乙二酰胺嵌段共聚物)的共混物、氯丁橡胶以及它们的组合。优选的粘弹性液体包括矿物油改性的嵌段共聚物、水凝胶以及它们的组合。
通过已知的方法可以制备这类粘弹性固体和液体。很多是市售的。
适合用作本发明声屏障的上面提到的弹性组分的材料包括基本上所有的弹性材料。然而，优选的弹性材料包括那些具有至少约2000米每秒(m/s)的纵向声音速度的弹性材料。
弹性固体的可用类别包括金属(和其合金)、玻璃态聚合物(例如，固化环氧树脂)、复合材料(例如聚合物基体中的玻璃、金属或碳纤维(或另一种颗粒形式，例如薄片或粉末))等等以及它们的组合。优选的弹性固体类别包括金属、金属合金、玻璃态聚合物以及它们的组合(更优选地，铜、铝、环氧树脂、铜合金、铝合金，以及它们的组合；甚至更优选地，铜、铝、铜合金、铝合金，以及它们的组合；还更优选地，铝、铝合金以及它们的组合；最优选铝)。
通过已知的方法可以制备或得到这类弹性材料。很多是市售的。
如果需要，本发明的方法中的声屏障可任选地包含其他成分材料。例如，声屏障可以包括多于一种粘弹性材料(包括一种或多种不具有纵向声波传播速度是其横向声波传播速度至少约30倍的粘弹性材料，前提条件是声屏障中至少一种粘弹性材料满足这个标准)和/或多于一种上述的弹性材料。该声屏障可以任选地包括一种或多种非粘性流体。
声屏障的制备
如上所述，本发明的方法中所用的声屏障包括设置在具有第一密度的第一介质中的大致周期性(一、二或三维)阵列结构，所述结构由具有不同于第一密度的第二密度的第二介质制得。可通过使用上述的粘弹性材料或上述的弹性材料(或者不同的第二粘弹性材料，作为弹性材料的替换)作为第一介质并且使用这两种材料中的另一个作为第二介质，来形成这样的阵列。
所得的结构或声子晶体可以是宏观构造(例如具有量级为厘米或毫米或更小的尺度)。如果需要，声子晶体可以呈现空间上周期性晶格的形式，在其晶格位点具有尺寸一致和形状一致的内含物，周围包围着在内含物之间形成基质的材料。这种结构的设计参数包括晶格类型(例如正方形、三角形等等)、晶格位点之间的间距(晶格常数)、单位晶胞的构成和形状(例如，被内含物占据的单位晶胞的面积分数-也被称为f，即所谓的“填充因数”)、内含物和基质材料的物理特性(例如密度、泊松比、模量等等)、内含物的形状(例如棒、球、中空棒、方柱等等)等。通过控制这样的设计参数，所得带隙的频率、间隙的数量和它们的宽度均可以微调，或者至少可根据频率调整传输损耗水平。
优选地，大致周期性的结构阵列是呈多层结构的形式的一维阵列，该多层结构包括第一和第二介质的交替层(并且，如果需要，还进一步包括呈一层或多层的形式的一种或多种上述任选组分；例如“ABCD”结构、“ACDB”结构、“ACBD”结构等等可以由第一(A)和第二(B)介质以及两种附加组分C和D来形成)。多层结构的总层数可以在一个较宽的范围内变化，这取决于使用的具体材料、层的厚度以及具体声学应用的要求。
例如，多层结构的总层数可以在从少至两层到多至数百层或更多的范围内变动。层的厚度也可以在很宽范围内改变(取决于，例如，所需的周期性)但优选地为厘米量级或更小(更优选地，毫米量级或更小；最优选地，小于或等于约10mm)。这样的层厚度和层数量可以提供具有大小在厘米量级或更小(优选地，小于或等于约100mm；更优选地，小于或等于约50mm；甚至更优选地，小于或等于约10mm；最优选地，小于或等于约5mm)的声子晶体结构。如果需要，可以在结构的组装之前对这些层进行清洁(例如，使用表面活性剂组合物或异丙醇)，并且可以任选地使用一种或多种连接媒介物(例如，粘合剂或机械紧固件)(前提条件是对希望的声学效果和/或阻燃特性无明显影响)。
多层结构优选的实施例包括从约3层到约10层(更优选地，从约3层到约5层)的粘弹性材料(优选地，硅橡胶、丙烯酸酯聚合物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、或它们的组合)和弹性材料(优选地，铝、环氧树脂、铝合金、或它们的组合)的交替层，所述粘弹性材料层厚为约0.75mm到约1.25mm，所述弹性材料层厚为约0.025mm到约1mm。这可以提供优选的尺寸在约1mm到约10mm(更优选地，约2mm到约4mm；最优选地，约2mm到约3mm)量级的声子晶体结构。
耐高温材料
用于本发明方法中所用的隔音设备的合适耐高温材料包括陶瓷纸(例如，硅铝酸盐陶瓷纤维纸，以商品名KAOWOOL纸购自ThermalCeramics，Inc.(Augusta，GA)和以商品名LYTHERM纸购自Lydall，Inc.(Rochester，NH)，以及聚酰亚胺膜封装的陶瓷纤维纸，可以商品名3MNEXTEL火焰罩AL-1购自3M公司(St.Paul，MN))、织造陶瓷纤维(例如，以商品名NEXTEL 312 AF-10航空织物购自3M公司(St.Paul，MN)的织物)、织造纤维玻璃纤维(例如，以商品名SILTEMP硅石织物84CH型购自Ametek(Wilmington，DE)的织物)、陶瓷非织造纤维织品(例如，由以商品名NEXTEL 312陶瓷纤维购自3M公司(St.Paul，MN)的陶瓷氧化物纤维制备的纤维织品)以及纤维玻璃非织造纤维织品。此类材料可以通过已知方法制备。合适的耐高温材料包括美国专利No.6,670,291(Tompkins等人)中所述那些，该专利的描述内容以引用方式并入本文中。
优选的耐高温材料为阻燃材料(例如，硅铝酸盐陶瓷纤维纸和S-玻璃纸)。更优选的耐高温材料是抗火焰传播和抗火焰穿透的材料。最优选的耐高温材料是抗烧穿材料(例如，陶瓷纸，如得自3M公司(St.Paul，MN)的3M NEXTEL挡焰点纸，和以商品名3M NEXTEL挡焰涂布纸购自3M公司的蛭石涂覆陶瓷纸，以及得自DuPont(Richmond，VA)的NOMEX 418型纸张)。
隔音设备的制备和使用
适用于本发明方法的隔音设备包括那些包含(a)上述声屏障中的至少一种；和(b)任选地(但优选)至少一种耐高温材料的设备。优选地，隔音设备的声屏障的大致周期性的结构阵列是呈多层结构的形式的一维阵列，该多层结构包括第一和第二介质的交替层。
如果需要，隔音设备可以包含一层或多层耐高温材料。当使用时，耐高温材料(例如，片材形式)优选施加到声屏障的最外表面中的一个或多个(优选作为多层声屏障结构的最外层)。另外，其他通常存在于交通工具部件中的材料和/或层也可被包括在隔音设备中。
例如，该设备还可以包含一种或多种粘合剂组合物或膜(其可用于例如将耐高温材料附接到声屏障)、一种或多种纤维织品(例如，机织聚合物型织物)、一种或多种斥水涂层、一种或多种膨胀添加剂或涂层和一种或多种聚合物膜(其可任选地被金属化)，以及阻燃剂、抗静电剂、抗霉剂等等。此类其他材料和/或层可以被附接到声屏障的外部，或声屏障本身可以包含此类材料和/或层，前提条件是在任一种情况下声屏障的大致周期性和声学特性均不会受到无法接受的破坏或改变。当需要无外壳的隔音设备时，优选对额外的材料和/或层进行选择，使得不显著提高设备的水分摄取和保持特性。
通过将隔音设备置于或放在交通工具的声源区域(优选地，可听音频的源)和声接收区域(优选地，可听音频的接收器)之间，可将该设备用于本发明的隔音方法。可用的声源包括公路噪音、风噪音、发动机噪声等(优选地，具有可听组分的噪音或其他声音；更优选地，具有约500Hz到约1500Hz范围内的频率组分的噪音或其他声音)。
隔音设备可以显著减弱从运载工具声源区域(例如，发动机室、传动系统、轮胎、外板等)传播到运载工具接收区域(例如，防火板、底板、门板、顶篷、其他内部装饰等)的声波。可将该设备定位于源区域和接收区域之间，使得设备的声屏障的主表面拦截并因此减弱从源区域传播到接收区域的声波。
本领域的技术人员将熟悉可如此定位此类设备的各种方式。一般优选声波垂直入射(相对于该设备的声屏障的主表面)，但场入射条件(随机取向)也可提供相当有效的声学衰减(例如，当使用一维多层声屏障时，相对于垂直入射条件，传输的增加不超过约5dB)。如果需要，隔音设备的声屏障可以用作吸声器(例如，通过相对于基板(例如，地板或面板)定位声屏障，使得其可以用作Helmholtz共振器型吸收器)。通过基本上任何已知的或此后开发的不会无法接受地破坏或改变设备的声屏障的大致周期性或其声学特性的方法(例如，使用粘合剂、机械紧固件、形状配合等等)，可将隔音设备直接或间接附接到交通工具部件或悬置于交通工具部件内。
本发明的隔音方法和设备可以用来在可听范围的相对较大的部分上实现传输损耗(优选的实施例在约800Hz到约1500Hz的范围提供大于或等于约20dB的传输损耗；更优选的实施例在约500Hz到约1500Hz的范围提供大于或等于约20dB的传输损耗；甚至更优选的实施例在约250Hz到约1500Hz的范围提供大于或等于约20dB的传输损耗；最优选的实施例在约500Hz到约1500Hz的范围的至少一部分上提供大致完全传输损耗)。可在维持声子晶体结构大小在厘米量级或更小(优选地，小于或等于约20cm；更优选地，毫米量级或更小；最优选地，约1到约3mm量级)的同时，实现这样的传输损耗。
除了一个或多个上述的声屏障外，隔音设备还可以任选地进一步包括一个或多个常规的或在此后开发的隔音器(例如，常规的吸收器、屏蔽等)。如果需要，这样的常规隔音器可进行层叠，例如以拓宽设备的频率有效性范围。
实例
下面的实例进一步说明本发明的目的和优点，但这些实例中列举的具体材料及其量以及其他条件和细节不应被解释为是对本发明的不当限制。除非另有说明，否则实施例中的所有份数、百分比、比率等均是按重量计。除非另有说明，否则溶剂和其他试剂均得自Sigma-Aldrich Chemical公司(St.Louis，MO)。
测试方法
传输损耗测量
通过使用Brüel &
阻抗管系统4206型(100mm管，Brüel &
Sound & Vibration Measurement A/S，丹麦)来进行传输损耗测量。使用了四传声器传递函数测试方法来测量频率范围50Hz到1.6kHz的传输损耗。
简言之，该管系统由内径100mm的声源管、支撑管和接收管组成。每个试验样本是用两个橡胶O形环设立在位于声源管和接收管之间的支撑管内。安装于源管末端的扩音器(4欧姆(Ω)阻抗，80mm直径)用作声平面波的发生器。四个4187型的0.64cm(1/4英寸)电容传声器用来测量试验样本两侧的声压水平(两个在声源管两个在接收管)。声源管中的两个传声器用来确定进来的和反射的平面波。位于接收管中的其他两个传声器用来确定吸收的和传输的部分。
通过测量四个传声器位置处的声压并根据Olivieri，O.、Bolton，J.S.和Yoo，T.在“Measurement of Transmission Loss of Materials Using aStanding Wave Tube”《使用驻波管来测量材料的传输损耗》(INTER-NOISE2006，2006年12月3-6日，Honolulu，Hawaii，USA)中所描述的程序使用四通道数字频率分析器计算复传递函数，确定试验样本的传输损耗。采用了PULSE版本11数据采集和分析软件(Brüel&)。
对于每种结构，制备了试验样本。所有试验样本用直径99.54mm精密模具切削。对于每个试验样本重复测量传输损耗三次。以三次测量的算术平均值来计算每种结构的所得传输损耗。
流变学测量
流变性(例如，稳态剪切平台模量)是通过在市售的ARES动态流变仪(可购自TA Instruments(New Castle，Delaware))中以延伸模式在材料试验样本上进行线性、等温扫频动态力学分析(DMA)测试来测定。然后，使用时间-温度叠加原理偏移所得数据以在选定的参考温度(取室温22.7℃)下产生动态总曲线。检查用于动态总曲线的偏移的水平偏移因子，发现其遵守Williams-Landel-Ferry(WLF)形式。最终，通过Ninomiya-Ferry(NF)程序将所得动态总曲线转变为室温(22.7℃)下的稳态线性延伸模量总曲线。橡胶拉伸模量平台的值是由稳态线性延伸模量总曲线来确定，并且材料的稳态剪切平台模量被取为橡胶延伸模量平台值的三分之一。(参见例如，John D.Ferry在ViscoelasticProperties of Polymers《聚合物的粘弹性特性》(第2版，JohnWiley &Sons，Inc.(纽约)(1980年))中关于流变学数据分析技术的讨论。)
联邦航空法规隔热/隔声火焰传播测试(FAR 25.856-1)
使用辐射面板测试来测定在暴露于辐射热源和火焰时本发明的隔音设备的易燃性和火焰传播特性。该测试是根据联邦航空局在14C.F.R.的25部分第25.856(a)章(其参考附录F的VI部分到第25部分)(其内容以引用方式并入本文中)中提出的方法进行。测试方法的完整细节可得自美国交通部的联邦航空局(FAA)咨询通告AC No：25.856-1(日期6/24/05；www.fire.tc.faa.gov)。
材料
硅橡胶No.1：项目号86915K24，可得自McMaster-Carr Inc.(Elmhurst，IL)，硬度测验器硬度40A，厚度0.8mm，带丙烯酸类粘合剂背衬，室温22.7℃下稳态剪切平台模量4.3×105Pa(基本上如上所述测定)
硅橡胶No.2：项目号86915K14，可得自McMaster-Carr Inc.(Elmhurst，IL)，硬度测验器硬度40A，厚度0.8mm，无粘合剂背衬
铝：铝箔，厚度0.03mm，以商标Reynolds WrapTM市售，可得自Alcoa Corp.(Pittsburgh，PA)
耐高温材料：3MTM NextelTM火焰罩AL-1，包含聚酰亚胺膜封装的陶瓷纤维纸的火焰屏蔽，得自3M公司(St.Paul，MN)
粘合剂No.1：3MTM Scotch-WeldTM 7246-2 B/A FST两部分结构的环氧树脂粘结剂，得自3M公司(St.Paul，MN)
粘合剂No.2：Dow CorningTM Q2-7406高温硅树脂压敏粘合剂(PSA)，聚二甲基硅氧烷胶和树脂，55％固体，得自Dow Chemical公司(Midland，MI)
实例1
通过如下表1所示组装上述材料的层，构建了五层结构。首先，通过使用两片(尺寸均为0.8mm×305mm×305mm)硅树脂No.1各自的粘合剂背衬将硅树脂No.1层和铝层层合到一起。硅树脂片被层合到插入的铝片(尺寸0.03mm×305mm×305mm)以提供三层结构。
三层结构的背面(在易燃性测试期间相背于火焰放置的那一面)用粘合剂No.1涂布。将粘合剂No.1的部分A和部分B以1∶1比率混合，使用木棍将所得粘合剂混合物均匀分配于该结构背面上(从而得到小于1mm的涂层厚度)。将所得的经涂布的背面附接于一片耐高温材料。
基本如上所述，将该结构的正面(在易燃性测试期间暴露于火焰的那一面)用粘合剂混合物涂布，并附接于另一片耐高温材料。这提供了以耐高温材料作为最外层的五层结构。将该五层结构保持于4kg重量下过夜，然后修整成203mm×203mm(8英寸×8英寸)的最终尺寸用于进行可燃性测试。
根据以上提到的FAR 25.856(a)测试程序测试所得结构的易燃性。该结构通过了测试(从而满足相关FAA法规的要求)。
实例2和3
对于实例2，通过如下表1所示组装上述材料的层，构建了五层结构。首先，通过将10重量％过氧化苯甲酰的甲苯溶液与粘合剂No.2混合以提供1.5重量％过氧化物浓度(基于粘合剂固体计)，制备粘合剂/催化剂溶液。通过使用#48 Meyer棒涂覆粘合剂/催化剂溶液到两片硅树脂No.2(尺寸均为0.8mm×305mm×305mm)上(0.109mm(4.3密耳)湿膜厚度)，将硅树脂No.2和铝层层合到一起。将所得被涂布硅树脂片在60℃下加热10分钟以除去溶剂。然后，将被涂覆的硅树脂片层合到插入的铝片(尺寸0.03mm×305mm×305mm)，并且将所得的三层结构在100℃下加热以固化粘合剂。
三层结构的背面(在易燃性测试期间相背于火焰放置的那一面)用粘合剂/催化剂溶液涂布，并且如上所述那样将溶剂除去。黄色防潮纸通过以下方式从耐高温材料片两侧上移除：迅速将其表面暴露于火焰(丙烷喷枪)，然后将该纸剥离以提供裸露的陶瓷织物。将裸露的陶瓷织物附接于三层结构的被涂覆背面，并且将所得四层结构在100℃下加热10分钟以固化粘合剂。
如上所述，将该结构的正面(在易燃性测试期间暴露于火焰的那一面)用粘合剂/催化剂溶液涂布，并且将溶剂除去。然后，将所得结构在100℃下加热3分钟以固化粘合剂，随后施加另一片耐高温材料，这如上文所述那样来进行。这提供了以耐高温材料作为最外层的五层结构。然后，将该五层结构修整成203mm×203mm(8英寸×8英寸)的最终尺寸用于进行可燃性测试。
根据以上提及的FAR 25.856(a)测试程序测试实例2的所得结构的易燃性。该结构通过了测试(从而满足相关FAA法规的要求)。
对于实例3，基本上重复实例2，例外的是没有将耐高温材料层(或它们相邻的粘合剂层)加入该三层结构(见下表1)。根据上述程序测试实例2和3的多层结构的声音衰减或传输损耗特性，以模拟交通工具中的声学性能，结果示于图1中。相对于实例3的多层结构(其未包含耐高温材料)，实例2的多层结构中耐高温材料的存在没有显著改变其声衰减性质。
实例4和5
对于实例4，基本上重复实例1，例外的是没有将耐高温材料层(或它们相邻的粘合剂层)加到三层结构(见下表1)。对于实例5，基本上如实例4所述那样制备三层结构。然后，通过以下方式修饰该结构：使用丙烯酸类粘合剂(厚度0.127mm的3MTM 9472LE-LSE丙烯酸粘合剂转移带，得自3M公司(St.Paul，MN))将铝片(与先前相同尺寸)粘附到该结构最外层之一(硅树脂No.1)，然后使用硅树脂No.1的粘合剂背衬将另一片硅树脂No.1(与先前相同尺寸)粘附到所得铝层。这提供了以硅树脂No.1作为最外层的五层结构(见下表1)。
根据上述程序测量实例4和5的多层结构的垂直入射传输损耗，以模拟交通工具中的声学性能，结果示于图2中。将这些实验传输损耗与各自的理论垂直入射质量法则值进行比较。后一值是根据公式(参见例如R.F.Barron，“Industrial Noise Control and Acoustics，”《工业噪音控制和声学》(Marcel Dekker，Inc.(纽约)，(2003年)，第112页))计算：
其中TLn是垂直入射传输损耗(单位dB)，log10是以10为底数的对数，π是约等于3.14的数学常数，Ms是多层结构每单位面积的质量(单位kg/m2)，ρ1和c1分别是密度(单位kg/m3)和在围绕多层结构的空气中的声速(单位m/s)，f是频率(单位Hz)。所得的计算值TLn也示于图2中。
根据上述程序也测试了实例4和5的多层结构的传输损耗特性，以模拟各种温度条件下(室温(约23℃)以及低温(约-79℃)或高温(约+100℃))下交通工具中的声学性能。对于低温测试，将该结构置于两个干冰板(固态二氧化碳)之间冷却。通过热电偶检查这两个干冰板间的温度(≈-79℃)。对于高温测试，将该结构在烘箱(ThermolyneTM 1300型炉，型号#F-B 1315M，140系列，得自ThermolyneSybron Corporation(Dubuque，Iowa，USA))中加热到+150℃。刚进行了传输损耗测量之后的受热结构的温度为约+100℃(通过红外(IR)温度计测得)。总测试时间(从干冰板之间或烘箱中取出结构，将结构定位于B&K阻抗管中，并且进行测量)为约50秒。结果示于图3和图4中。
表1.
将本文所引述的专利、专利文献、出版物中包含的参考说明内容以引用的方式全文并入本文，就如同将每个参考说明内容单独引入本文一样。在不脱离本发明的范围和精神的前提下，对本发明的多种不可预见的修改和更改对本领域技术人员来说将是显而易见的。应当理解，本发明不旨在不当地受限于本文所述的示例性实施例和实例，并且这些实例和实施例仅以举例的方式给出，本发明的范围旨在仅受下文所述的权利要求书的限制。
Claims (20)
1.一种方法，该方法包括(a)提供至少一种包含至少一个声屏障的隔音设备，所述声屏障包括至少一个设置在具有第一密度的第一介质中的大致周期性的结构阵列，所述结构由具有不同于所述第一密度的第二密度的第二介质制得，其中所述第一和第二介质中的一个是具有纵向声波传播速度和横向声波传播速度的粘弹性介质，所述纵向声波传播速度是所述横向声波传播速度的至少30倍，并且其中所述第一和第二介质中的另一个是粘弹性或弹性介质；和(b)将所述隔音设备设置在交通工具的声源区域和声接收区域之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述粘弹性介质选自粘弹性固体、粘弹性液体以及它们的组合。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述粘弹性固体和所述粘弹性液体选自橡胶状聚合物组合物以及它们的组合。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述橡胶状聚合物组合物选自弹性体、弹粘性液体以及它们的组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二介质中的所述另一个是弹性介质。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述弹性介质为选自金属、金属合金、玻璃态聚合物、复合材料以及它们的组合的弹性固体。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述大致周期性的结构阵列是呈多层结构形式的一维阵列，所述多层结构包括所述第一和第二介质的交替层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述多层结构包括粘弹性介质和弹性介质的交替层，所述粘弹性介质选自弹性体以及它们的组合，并且所述弹性介质选自金属、金属合金、玻璃态聚合物以及它们的组合。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述粘弹性介质选自硅橡胶、(甲基)丙烯酸酯聚合物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、嵌段共聚物、纤维质聚合物、有机聚合物和聚二有机硅氧烷-聚酰胺嵌段共聚物的共混物、氯丁橡胶以及它们的组合；并且所述弹性介质选自铜、铝、铜合金、铝合金以及它们的组合。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述多层结构包括3至10层的层厚0.75mm至1.25mm的粘弹性材料和层厚0.025mm至1mm的弹性材料的交替层，所述多层结构的尺寸在1mm至10mm的范围。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述多层结构包括3到5层的所述粘弹性材料和所述弹性材料的交替层；所述粘弹性材料选自硅橡胶、丙烯酸酯聚合物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物以及它们的组合；所述弹性材料选自铝、环氧树脂、铝合金以及它们的组合；并且所述多层结构的尺寸在2mm到4mm的范围。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述声屏障在800Hz到1500Hz的范围提供大于或等于20dB的传输损耗并且在大小方面全部尺寸小于或等于20cm。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述声屏障在800Hz到1500Hz的范围提供大于或等于20dB的传输损耗并且在大小方面全部尺寸小于或等于20cm。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述隔音设备还包含至少一种耐高温材料。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述耐高温材料是抗火焰传播和抗火焰穿透的材料，或者是抗烧穿的材料。
16.一种方法，该方法包括(a)提供至少一种包含至少一个声屏障的隔音设备，所述声屏障包括至少一个呈多层结构形式的一维大致周期性的结构阵列，所述多层结构包括具有第一密度的第一介质和具有不同于所述第一密度的第二密度的第二介质的交替层，其中所述第一和第二介质中的一个是具有纵向声波传播速度和横向声波传播速度的粘弹性介质，所述纵向声波传播速度是所述横向声波传播速度的至少30倍，并且其中所述第一和第二介质中的另一个是粘弹性或弹性介质；和(b)将所述隔音设备设置在选自飞机、火车、机动车、船和它们的组合的交通工具的声源区域与声接收区域之间。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一介质为硅橡胶并且所述第二介质为铝；和/或其中所述隔音设备还包含至少一种耐高温材料。
18.一种隔音设备，其包含(a)至少一个包括至少一个大致周期性的结构阵列的声屏障，所述大致周期性的结构阵列设置在具有第一密度的第一介质中，所述结构由具有不同于所述第一密度的第二密度的第二介质制得，其中所述第一和第二介质中的一个是具有纵向声波传播速度和横向声波传播速度的粘弹性介质，所述纵向声波传播速度是所述横向声波传播速度的至少约30倍，并且其中所述第一和第二介质中的另一个是粘弹性或弹性介质；和(b)至少一种耐高温材料。
19.根据权利要求18所述的隔音设备，其中所述大致周期性的结构阵列是呈多层结构形式的一维阵列，所述多层结构包括所述第一和第二介质的交替层。
20.根据权利要求18所述的隔音设备，其中所述耐高温材料是抗火焰传播和抗火焰穿透的材料，或者是抗烧穿的材料。
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