CN102460565A - 用于可听声频管理的声屏障 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种声屏障，所述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阵列结构，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，其中所述第一介质和所述第二介质中的一者为不同于多孔金属的多孔介质，所述多孔介质的孔隙率为至少约0.02，并且其中所述第一介质和所述第二介质中的另一者为粘弹性介质或弹性介质。

Description

用于可听声频管理的声屏障
优先权声明
本专利申请要求2009年6月25日提交的美国临时专利申请号61/220,261的优先权，将其内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及声屏障，并且在其他方面涉及用于制备声屏障的方法以及在声绝缘中它们的使用方法。
背景技术
隔音材料和结构在声学工业中具有重要应用。该工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有选择性的声控。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。亥姆霍兹共振器(具有例如置于两个弹性基板之间的空气层)也可用作吸音器。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空间内的使用造成问题。
与传统吸音材料相比，传统声屏障往往相对较重并且气密，这是因为材料的声传输损耗通常取决于其质量和硬度。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，在很多应用中增加的重量可能是不可取的。
人们已经提出将声子晶体(即通常以弹性/弹性或弹性/流体构造的形式的周期性非均匀介质)用作带有声学通带和带隙的声屏障。这样的结构可以以无源但频率选择性的方式产生声学带隙，无需依靠粘性耗散或共振作为主导的物理机理。相反，传输损耗是由于布拉格散射，其是由于非均匀多相空间周期性结构的两个或更多个组分之间的声速对比形成的。
例如，空气中铜管的周期性阵列，具有弹性软材料覆盖(从而得到局部共振结构的阵列)的高密度中心的复合元件的周期性阵列，以及已经提出的使用空气中水的周期性阵列来产生带有频率选择性特征的声屏障。然而，这些方法通常具有缺点，例如生产的带隙较窄，在过高的频率(例如20kHz或更高的超声频率)下生产带隙，和/或需要大并且/或重的物理结构(例如阵列中布置的具有几厘米直径的金属管，其外部尺寸达数分米或数米)。
发明内容
这样，我们认识到需要可以在可听声频(减少或，优选地，消除传声)上至少部分地有效而在外部尺寸较小和/或在重量上较轻的声屏障。优选地，声屏障可在相对较宽范围的可听频率上至少部分地有效和/或可以较简单并且低成本地制备。
简而言之，在一个方面，本发明提供这样的声屏障，其包括设置在具有第一密度的第一介质中的大致周期性阵列结构，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，其中第一和第二介质中的一者为不同于多孔金属的多孔介质，所述多孔介质的孔隙率为至少约0.02，并且其中第一和第二介质中的另一者为粘弹性或弹性介质。优选地，粘弹性或弹性介质为基本上无孔介质(即，所述介质的孔隙率小于约0.02)，和/或大致周期性阵列结构是多层结构形式的一维阵列，所述多层结构包括第一介质和第二介质的交替层。声屏障还可任选包括与第一和/或第二介质不同的其他多孔、弹性和/或粘弹性介质。
已经发现，通过选择具有某些特征的多孔材料并将其与粘弹性或弹性材料组合来形成空间周期性阵列，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))。出乎意料地是，这种结构提供的传输损耗可以超过它们的理论质量法则传输损耗值(基于每单位面积的结构重量)。
所述结构可以在重量上相对较轻并且相对较小(例如具有几厘米量级或更小的外部尺寸)。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。
这样，在至少一些实施例中，本发明的声屏障可以满足上述对声屏障的要求，该声屏障可在可听声频至少部分地有效而在外部尺寸上相对较小和/或重量上相对较轻。本发明的声屏障可以用来在包括建筑物的各种不同环境(例如家庭、办公室、医院等等)、公路声屏障、运输车辆、听力保护装置等中提供声绝缘。
在另一个方面，本发明也提供了用于制备声屏障的方法。所述方法包括：(a)提供具有第一密度的第一介质；(b)提供具有不同于第一密度的第二密度的第二介质；以及(c)形成设置在第一介质中的大致周期性阵列结构，所述结构由第二介质制得；其中第一和第二介质中的一者为不同于多孔金属的多孔介质，所述多孔介质的孔隙率为至少约0.02，并且其中第一和第二介质中的另一者为粘弹性或弹性介质。
在另一个方面，本发明进一步提供了声绝缘方法。所述方法包括：(a)提供包括大致周期性阵列结构的声屏障，所述大致周期性阵列结构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者为不同于多孔金属的多孔介质，所述多孔介质的孔隙率为至少约0.02，并且其中第一和第二介质中的另一者为粘弹性或弹性介质；以及(b)在声源(优选地，可听声频源)和声学接收器(优选地，可听声频接收器)之间插入声屏障。
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1a和1b为实例1中所描述的本发明声屏障的实施例的传输损耗(按dB计；测得的和理论的质量法则值)和传输系数(计算的)相对于频率(按Hz计)的图。
图2a和2b为实例2中所描述的本发明声屏障的实施例的传输损耗(按dB计；测得的和理论的质量法则值)和传输系数(计算的)相对于频率(按Hz计)的图。
图3a和3b为实例3和4中所描述的本发明声屏障的实施例的传输损耗(按dB计；测得的和理论的质量法则(3a中为垂直入射；3b中为场入射)值)相对于频率(按kHz计)的图。
图4a和4b为比较例1中所描述的对比声屏障和实例5中所描述的本发明声屏障的实施例的传输损耗(按dB计；测得的和理论的质量法则(垂直入射)值)相对于频率(按Hz计)的图。
具体实施方式
粘弹性和弹性材料
适合用作本发明声屏障的上面提及的粘弹性组分的材料包括粘弹性固体和液体。粘弹性材料可以是多孔的，但优选基本上无孔的(即，孔隙率小于约0.02)。这类基本上无孔的材料可以显示具有一些例如表面缺陷或偶尔内含物形式的多孔性，但一般是无孔的。优选的粘弹性材料包括(优选地，至少在声频的可听范围内)纵向声波的传播速度是其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)的那些粘弹性材料。
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(Go 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，硬度测验器硬度为约20A至约70A；更优选地，约30A至约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)、纤维素聚合物(优选地，软木)、有机聚合物(优选地，聚氨酯)和聚二有机硅氧烷-聚酰胺嵌段共聚物(优选地，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述弹性组分的材料包括基本上所有的弹性材料。弹性材料可以是多孔的，但优选为基本上无孔的(即，孔隙率小于约0.02)。这类基本上无孔的材料可以显示具有一些例如表面缺陷或偶尔内含物形式的多孔性，但一般是无孔的。优选的弹性材料包括纵向声速为至少约2000米每秒(m/s)的那些弹性材料。
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。优选种类的弹性固体包括金属、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；最优选地，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。
多孔材料
适合用作本发明声屏障的上述多孔组分的材料包括多相材料(不同于多孔金属)，所述多相材料包含固体或液体基质材料或其组合(例如，凝胶)并且孔隙率为至少约0.02，所述固体或液体基质材料或其组合包含含真空-或流体的孔(例如，腔体、间隙、内含物等)。优选地，基质材料为固体或凝胶(更优选地，固体)，和/或孔被至少一种流体(即，液体或气体；优选地，气体)至少部分地填充(更优选地，完全填充)。可用的流体包括空气、水蒸汽、氮气、二氧化碳、液态水等以及它们的组合。多孔材料还可任选包括含真空-或流体的材料(例如，为可含有气体的玻璃或聚合物微球的形式)。
固体基质材料可包括基本上任何的粘弹性或弹性材料，前提条件是单质金属可以仅作为填料存在于聚合物基质中。优选地，粘弹性或弹性材料在使用条件下可以基本上不呈现出蠕变或仅呈现出最少的蠕变(优选地，呈现的稳态剪切蠕变柔量J(t)小于约10-6Pa-1，更优选小于约10-7Pa-1)，从而避免基质材料对孔的大量填充。
可用的粘弹性和弹性材料包括上述那些。优选的弹性材料包括纵向声速为至少约2000米每秒(m/s)的那些弹性材料。优选的弹性基质材料包括无机材料(例如，诸如结晶氧化物之类的陶瓷(包括例如基于氧化铝或二氧化硅的那些以及更传统的基于粘土的陶瓷)和玻璃(包括例如基于二氧化硅的玻璃)；固化、玻璃态或结晶的聚合物树脂(例如，固化环氧树脂)；相对高度交联的弹性体(例如，硬度测验器硬度值为至少约邵氏60A的橡胶，包括丙烯腈丁二烯橡胶、乙烯丙烯二烯M-类橡胶(EPDM橡胶)、氯丁橡胶、苯乙烯丁二烯橡胶、和相对高度硫化的烯烃橡胶)；在使用条件(例如，在环境条件(例如，约23℃，约1个大气压)下)下相对玻璃态、结晶、或其组合的热塑性聚合物、诸如聚丙烯之类的聚烯烃；聚苯乙烯；聚碳酸酯；和聚酯)等等；以及它们的组合。优选的粘弹性基质材料包括相对中等交联的弹性体(例如，硬度测验器硬度值为至少约邵氏40A至约邵氏59A的橡胶，包括有机硅和丙烯酸酯)；在使用条件(例如，在环境条件(例如，约23℃，约1个大气压)下)相对橡胶态的热塑性聚合物，聚乙烯；和乙烯与乙酸乙烯酯共聚物(EVA共聚物)等等；以及它们的组合。如果需要，可以采用弹性和粘弹性材料的组合。
固体基质材料内的孔可具有基本上任意形状和尺寸。孔的形状和/或尺寸可以相同或者可以不同。可用的尺寸例如可以为约10微米至几毫米；可用的形状包括球形、椭球形、具有平面或曲面以及具有尖锐或弯曲顶点的多边形等等以及它们的组合。此外，孔在固体基质材料内的空间排列可以是完全随机的或者可以是部分或完全周期性的(优选地，部分周期性的)。孔的形状、尺寸或间距的任何改变可以在基质材料内不对称或对称(优选地，对称)。部分或所有的孔可以是封闭的或被固体基质材料完全包围(例如，作为“闭孔泡沫”中的内含物)或者略微较不优选地，可以与部分或所有的其他孔和/或与基质的外表面接触(例如，如在“开孔泡沫”中)。
固体基质材料可以是连续的或不连续的。例如，不连续的固体基质材料可以包含离散粒子(例如，纤维或粉末)，所述离散粒子相互接触以形成间隙形式的孔。粒子的尺寸、形状和/或化学组成可以相同或可以不同，并且它们的空间排列可以是随机的或者可以是部分或完全周期性的。粒子可以是多孔粒子、基本上无孔的粒子、或者它们的组合。
多孔介质的总的孔体积除以总的孔体积和总的固体基质材料体积之和(即，多孔基质的总体积)定义了介质的“孔隙率”。孔隙率为0至1的无量纲数(不包括分别对应于纯固体和气体相的限值)。可用于制备本发明的声屏障的多孔介质包括孔隙率为约0.02至约0.99(优选地，约0.02至约0.65；更优选地，约0.03至约0.2以及约0.4至约0.65；甚至更优选地，约0.04至约0.18以及约0.42至约0.62；最优选地，约0.05至约0.15以及约0.45至约0.6)的那些多孔介质。
多孔介质的“堆积密度”可以定义为多孔介质的总质量除以其总体积。堆积密度(ρ)通过如下公式与固体密度(ρs)、流体密度(ρg)和孔隙率(φ)有关：
ρ＝φρg+(1-φ)ρs
可用于制备本发明的声屏障的多孔介质包括堆积密度大于0且小于约3000kg/m3(优选地，大于约1.0且小于约2900kg/m3；更优选地，大于约1.5且小于约2800kg/m3；最优选地，大于约2.0且小于约2600或2700kg/m3)的那些多孔介质。
上述多孔材料或介质可以通过已知方法来制备，并且一部分是市售的。优选的多孔介质包括聚合物泡沫(优选地，闭孔聚合物泡沫；例如，闭孔聚乙烯泡沫)、聚合物非织造材料(例如，聚烯烃非织造材料)、多孔二氧化硅材料(例如，珍珠岩和气凝胶)、多孔复合材料(例如，珍珠岩或在聚合物基质中含有气体的聚合物微球)以及它们的组合。更优选的多孔介质包括闭孔聚合物泡沫、聚合物非织造材料、多孔二氧化硅材料以及它们的组合(甚至更优选地，闭孔聚合物泡沫、聚合物非织造材料以及它们的组合；最优选地，聚合物非织造材料以及它们的组合)。
如果需要，本发明的声屏障可以可选地包括其他组分材料。例如，声屏障可以包括不止一种粘弹性材料(包括一种或多种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，其可以用作第一和第二介质中之一或者用作另外的介质)、不止一种弹性材料、和/或不止一种多孔材料(包括一种或多种不同于上述多孔材料的多孔材料(例如，多孔金属)，前提条件是上述多孔材料中的至少一者包含在如上所述的声屏障中)。
声子晶体结构的制备
本发明的声屏障包括如上所述设置在具有第一密度的第一介质内的大致周期性(一、二或三维)阵列结构，该结构由具有不同于第一密度的第二密度的第二介质制得。可通过使用上述多孔材料或上述粘弹性或弹性材料的任一者作为第一介质并且使用这两种材料中的另一者作为第二介质，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。这样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，大致周期性阵列结构是多层结构形式的一维阵列，该多层结构包括第一和第二介质的交替层(并且，如果需要，还包括为一层或多层形式的一种或多种上述的任选组分；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尺寸在厘米量级或更小(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30mm；最优选地，小于或等于约20mm)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)。
多层结构的优选实施例包括多孔材料(优选地，闭孔聚合物泡沫、聚合物非织造材料、多孔二氧化硅材料或它们的组合)和弹性材料(优选地，铝、环氧树脂、铝合金或它们的组合)的约3层至约10或20层(更优选地，约3层至约5层)的交替层，所述多孔材料的层厚度为约5mm至约10mm，所述弹性材料的层厚度为约0.025mm至约1mm。这可以提供具有优选尺寸为约5mm至约100mm(更优选地，约10mm至约60mm；甚至更优选地，约10mm至约50mm；最优选地，约10mm至约30mm)量级的声子晶体结构。
声屏障及其用途
本发明的声屏障可以用于声绝缘方法，该方法包括在声源(优选地，可听声频的来源)和声接收器(优选地，可听声频的接收器)之间插入或放置声屏障。可用的声源包括交通噪音、工业噪音、谈话、音乐等(优选地，具有可听成分的噪音或其他声音；更优选地，具有范围在约500Hz至约1500Hz的频率成分的噪音或其他声音)。声频接收器可以是(例如)人耳、任何各种录音装置等(优选的是人耳)。如果需要，声屏障可以用作吸声器(例如，通过相对于基板定位声屏障使得其可以作为亥姆霍兹共振型吸收器)。
本发明的声屏障可以用来在整个相对较大部分的可听范围实现传输损耗(优选的实施例在整个约800Hz到约1500Hz的范围提供大于或等于约20dB的传输损耗；更优选的实施例在整个约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整个约250Hz到约1500Hz的范围提供大于或等于约20dB的传输损耗；并且最优选的实施例在整个至少一部分的约500Hz到约1500Hz的范围提供大致全部的传输损耗)。在维持声子晶体结构尺寸在厘米量级或更小(优选地，小于或等于约20cm；更优选地，约10cm量级或更小；最优选地，约10mm至约30mm量级)的同时，可以实现这样的传输损耗。
除了一个或多个上述的声子晶体结构，本发明的声屏障可以可选地进一步包括一个或多个常规或在下文中提到的隔音器(例如，常规的吸收器、屏蔽等)。如果需要，这样的常规吸收器被分层，例如来拓宽声屏障的频率效力范围。
实例
下面的实例将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。除非另外指明，否则实例中的所有份数、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
50Hz到1.6kHz频率范围内的传输损耗测量
通过使用Brüel&
Figure BDA0000124816700000121
阻抗管系统4206型(100mm管，Brüel&声音&振动测量A/S，Denmark)进行传输损耗测量。采用四传声器传递函数测试方法来测量50Hz到1.6kHz频率范围的传输损耗。
简言之，管系统由声源、夹持器和内径100mm的接收管组成。每个测试样本用两个位于声源和接收管之间夹持器管内的橡胶o-环来建立。安装在声源管末端的扬声器(4欧姆(Ω)阻抗，直径80mm)用作声音平面波发生器。4187型的四个0.64cm(1/4英寸)电容式传声器用来测量测试样本两侧(两个在声源管两个在接收管)的声压级。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-NOISE 2006，2006年12月3-6日，Honolulu，Hawaii，USA)所描述的步骤使用四通道数字频率分析器计算复传递函数，确定测试样本的传输损耗。采用PULSE版本11数据采集和分析软件(Brüel&
Figure BDA0000124816700000131
)。
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。
1,000Hz到25,000Hz频率范围内的传输损耗测量
通过使用由测试室(包括声源、样本夹持器和传声器)、数字模拟转换器(DAC)、功率放大器、传声器前置放大器、模拟数字转换器(ADC)和个人电脑(PC)组成的声音测试台式箱(ATB)进行1,000-25,000Hz频率范围的传输损耗测量。LabViewTM8.0软件(可得自National Instruments，Austin，TX)用作数据采集程序。ATB设计为具有4个互连的高水平系统，各个系统具有其自己详细的子系统。所述4个高水平系统为用户界面、信号处理、音频硬件和测试室。
用户界面包括担负用户和测试室之间信息传递的所有部件，包括测试设置、测试结果和用于启动和停止测试的控制机制。信号处理系统担负产生、采集和处理信号。其产生部将恒定频率和振幅的数字信号传送至数字模拟转换器(PCI-6711型，可得自National Instruments，Austin，TX)以转化成模拟信号。其接收部接收来自模拟数字转换器(PCI-4472型，可得自National Instruments，Austin，TX)的数字信号，采用带通滤波器滤除任意噪音，并且对所得的来自校准数据的信号归一化。
音频硬件担负物理产生、测量、并放大移动通过测试室的声波。将数字信号从信号处理系统传送至DAC，在DAC其被转化成模拟信号。模拟信号被传送至增益为10X的定制功率放大器。放大器向全频程扬声器(FostexTMFE-126E全频程扬声器，能够产生从79Hz至25kHz的声音，可得自www.fostex.com)提供动力，该扬声器使测试室充满声波。传声器的阵列策略地放置在整个测试室中以测量和记录声波。使用两种类型的传声器：EarthworksTMM50测量传声器(可得自Earthworks，Inc.，Milford，NH)和DPA 4021紧凑心形传声器(可得自DPA Microphones，Longmont，CO 80501)。传声器通过专业级传声器前置放大器(MilleniaTMHV-3D型，具有48V幻象电源，可得自MilleniaMusic and Media Systems，Placerville，CA)放大。前置放大器将其信号送入ADC，ADC将信号从模拟转化成数字并且将它们送回信号处理系统。
测试室为容纳所有的传声器、扬声器和测试样本的物理室。其由0.0191米(3/4英寸)胶合板构造而成，尺寸为0.514米/1.212米/0.572米(20.25英寸/47.75英寸/22.5英寸)(高/长/宽)。所述室包括在一端的扬声器箱(由0.0191米(3/4英寸)胶合板构造而成，尺寸为0.228米/0.165米/0.127米(9英寸/6.5英寸/5英寸)(高/长/宽))、安装在另一端的传声器、用于悬挂传声器的6个位置、立式传声器安装座和样本夹持器的导标(由0.0191米(3/4英寸)胶合板构造而成，尺寸为0.393米/0.457米(15.5英寸/18英寸)(高/宽))。测试室的前面板和后面板均是可移除的，以易于更换扬声器和传声器。测试室和各个样本夹持器的内部全部带3MTMThinsulateTM声绝缘(非织造聚合物垫，0.025米厚，可得自3M公司，St.Paul，MN)衬里，用于声音绝缘。
在测试室内，各个测试样本用两个橡胶O形环夹持在合适的位置或者用石油凝胶密封在位于声源(扬声器)和接收传声器之间的样本夹持器的内部。对于各个不同的结构，制得测试样本。所有试验样本用直径99.54mm精密模具切削。对于每个测试样本重复测量传输损耗6次。以6次测量的算术平均值来计算每种结构的所得传输损耗。
声速测量
通过使用定制的脉冲发生器/接收器系统进行声速测量。在该系统中，采用声音系统构造的透传(through-transmission)速度。将测试样本放置在作为发射器和接收器换能器的两个声波换能器(V101-RB型Panametrics-NDT接触换能器，纵波，0.5MHz，可得自Olympus NDT，Waltham，MA)之间。对于每个测试样本，将VASELINETM石油凝胶施加在各个换能器的表面上以确保良好连接。将发射器和接收器换能器连接至脉冲发生器/接收器(5077PR型超声脉冲发生器/接收器，可得自Olympus NDT，Waltham，MA)，所述脉冲发生器/接收器连接至数字示波器(DSO6054A 500MHz型，4通道，6000系列示波器，可得自Agilent Technologies，Inc.，Colorado Springs，CO)。通过飞行时间技术在100kHz下测量声速。对于每个测试样本，声速重复测量3次。计算3次测量的算术平均值作为声速值。
流变学测量
通过在商用ARES动态流变仪(可得自特拉华州纽卡斯尔的TAInstruments公司)中以伸展模式对材料的测试样本进行线性、等温频率扫描动态力学分析(DMA)测试来确定流变特性(例如，稳态剪切平台模量)。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22.7℃为室温)下产生动态主总曲线。检查用于动态总曲线的偏移的水平偏移因子，并发现其遵守Williams-Landel-Ferry(WLF)的形式。最终，通过Ninomiya-Ferry(NF)程序将所得动态总曲线转变为室温(22.7℃)下的稳定线性伸展模量总曲线。从稳定线性伸展模量总曲线中确定橡胶态拉伸模量平台的值，并且材料的稳态剪切平台模量视为橡胶态拉伸模量平台的值的三分之一。(参见例如，John D.Ferry在Viscoelastic Properties of Polymers，第2版，John Wiley&Sons，Inc.，New York(1980)中的流变学数据分析技术讨论。)
材料
材料A：
聚乙烯(PE)泡沫1号；项目号8722K26，闭孔泡沫，可得自McMaster-Carr Inc.，Elmhurst，IL，厚度6.35mm。
材料B：
聚乙烯(PE)泡沫2号；项目号8722K27，闭孔泡沫，可得自McMaster-Carr Inc.，Elmhurst，IL，厚度9.53mm。
材料C：
VHB泡沫：3MTMVHBTM丙烯酸系泡沫带材4611，闭孔泡沫，可得自3M Company，St.Paul，MN，厚度1.14mm。
材料D：
铝1号：铝片材，可得自Alcoa Corp.，Pittsburgh，PA，厚度0.5mm。
材料E：
铝2号：铝箔，以商标名Reynolds WrapTM市售，可得自Alcoa Corp.，Pittsburgh，PA，厚度0.03mm。
材料F：
硅橡胶：项目号86915K24，具有丙烯酸类粘合剂背衬，可得自McMaster-Carr Inc.，Elmhurst，IL，硬度测验器硬度40A，厚度0.8mm，基本上如上所述测定室温22.7℃下稳态剪切平台模量4.3×105Pa。
材料G：
热塑性聚合物：线性低密度聚乙烯，可以商品名DOW DNDA-1081NT 7从The Dow Chemical Company，Midland，MI得到。
材料H：
聚烯烃弹性体：乙烯和辛烯-1的共聚物，可以商品名ENGAGE8401聚烯烃弹性体从Dow Chemical公司(Midland，MI)得到。
材料I：
非织造垫：基本上如美国专利No.6,133,173(Riedel等人)的实例1所述制得的聚烯烃非织造材料，区别在于实例1中提及的送料区块组件通过两股聚合物熔体流送料，一股为实例3所述的200℃下的PSA熔体流，而另一股为20/80重量比的材料G和H的熔体流(其形成聚烯烃共混物)，以获得10mm的垫厚度。调节实例1的齿轮泵以产生PSA与聚烯烃共混物的比率20/80。所得的非织造垫的基重为约3200g/m2。
材料J：
多孔二氧化硅材料：膨胀珍珠岩粉末，中值粒度为约0.5mm，可以商品名RyolexTMGrade 3-S从Silbrico Corporation，Hodgkins，IL得到。
材料K：
聚合物微球；ExpancelTM091DE 80d30微球(包封异戊烷的丙烯酸类共聚物)，平均直径＝75微米，可得自Eka Chemicals Inc.，Expancel，Duluth，GA。
材料L：
丙烯酸类粘合剂：丙烯酸异丁酯/丙烯酸异辛酯(IBA/IOA)50/50共聚物粘合剂，除了使用1∶1的IBA/IOA单体比率外，基本上如美国专利No.5,708,110(Bennett等)的实例3中所述制得。
材料M：
多孔复合材料1号：重量百分比为90/10的丙烯酸类粘合剂(材料L)和多孔二氧化硅材料(材料J)的混合物；通过合并材料并且用木质棒手动混合约5分钟、将所得的混合物在两个聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬垫之间压成约5mm厚的片材、然后通过紫外(UV)辐射所得结构的两面约2小时使所述结构固化而制得。
材料N：
多孔复合材料2号：丙烯酸类粘合剂(材料L)和聚合物微球(材料K)的混合物；通过以93/7的重量百分比合并材料并且用木质棒手动混合5分钟、将所得的混合物在两个PET衬垫之间压成约8mm厚的片材、然后通过UV辐射所得结构的两面约2小时使所述结构固化而制得。
实例1
通过组装非织造垫(材料I)和铝1号(材料D)的交替层来构造6层结构。通过遵循上述程序测量所得结构(IDIDID)的传输损耗性能和组分材料的纵向声波速度。将组分材料的所得纵向速度(c1)以及其厚度(d)和密度(ρ)用来计算(采用J.M.Bendickson和J.P.Dowling在“Analytical expressions for the electromagnetic mode density in finite，one-dimensional，photonic band-gap structures，”Physical Review E，第53卷，第4期，第4107-4121页(1996)中所描述的分析模型)6层结构的期望带隙分布。(用于计算的参数：非织造垫：C1＝200m/s，ρ＝260kg/m3，d＝10mm；铝1号：C1＝6342m/s，ρ＝2799kg/m3，d＝0.5mm。)
最后，基于结构的所测量的每单位面积的重量，还根据下式计算垂直入射(对于B&K数据)和场入射(对于ATB Box数据)质量法则值(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、113页)：
其中TLn和TLf分别是垂直入射传输损耗和场入射传输损耗(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)。在图1a和1b中示出了所得到的计算和/或测量的传输损耗/传输系数相对于频率的曲线。
实例2
通过组装聚乙烯(PE)泡沫2号(材料B)和铝1号(材料D)的交替层构造6层结构。通过遵循上述程序测量所得结构(BDBDBD)的传输损耗性能和组分材料的纵向声波速度。将组分材料的所得纵向速度(c1)以及其厚度(d)和密度(ρ)用来计算(采用J.M.Bendickson和J.P.Dowling在“Analytical expressions for the electromagnetic mode densityin finite，one-dimensional，photonic band-gap structures，”Physical ReviewE，第53卷，第4期，第4107-4121页(1996)中所描述的分析模型)6层结构的期望带隙分布。(用于计算的参数：PE泡沫2号：C1＝310m/s(选定的保守值，因为已测得268m/s的速度)，ρ＝50kg/m3，d＝9.53mm；铝1号：C1＝6342m/s，ρ＝2799kg/m3，d＝0.5mm。)
最后，基于结构的所测量的每单位面积的重量，还计算垂直入射(对于B#K数据)和场入射(对于ATB Box数据)质量法则值，如以上实例1中所述。在图2a和2b中示出了所得到的计算和/或测量的传输损耗/传输系数相对于频率的曲线。
实例3和4
通过组装VHB泡沫(材料C)和铝2号(材料E)的交替层构造3层和5层结构。通过遵循上述程序测量所得结构(CEC作为实例3，CECEC作为实例4)的传输损耗性能。最后，基于结构的所测量的每单位面积的重量，还计算垂直入射(对于B&K数据；图3a)和场入射(对于ATB Box数据；图3b)质量法则值，如以上实例1中所述。在图3a和3b中示出了所得到的计算和测量的传输损耗相对于频率的曲线。
实例5和比较例1
组装硅橡胶(材料F)和铝2号(材料E)的交替层作为比较例1(5层结构)并且组装非织造垫(材料I)和铝1号(材料D)的交替层作为实例5(6层结构)，构造了两种不同的多层结构。通过遵循上述程序测量所得结构(FEFEF和IDIDID)的传输损耗性能。最后，基于结构的所测量的每单位面积的重量，还计算了垂直入射质量法则值，如以上实例1中所述。图4a和4b中示出了所得的计算和测量的传输损耗相对于频率的曲线(主要为了比较其相对传输损耗性能与其各自的质量法则)。
实例6和7
组装丙烯酸酯粘合剂(材料L)和多孔复合材料1号(材料M)的交替层作为实例6并且组装丙烯酸酯粘合剂(材料L)和多孔复合材料2号(材料N)的交替层作为实例7，构造了两种不同的3层结构。通过遵循上述程序测量所得结构(LML和LNL)的声速，发现实例6的结果为288m/s而实例7的结果为276m/s。
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，就如同将每一个参考说明内容都单独引入本文一样。对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，可对本发明作出各种无法预见的修改和更改。应该理解的是，无意使本发明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，本发明的范围仅旨在受限于如下文所述的权利要求书。

Claims (25)

1.一种声屏障，所述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阵列结构，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，其中所述第一介质和所述第二介质中的一者为不同于多孔金属的多孔介质，所述多孔介质的孔隙率为至少0.02，并且其中所述第一介质和所述第二介质中的另一者为粘弹性介质或弹性介质。
2.根据权利要求1所述的声屏障，其中所述多孔介质为包含固体基质材料的多相材料，所述固体基质材料包含含真空的孔或含流体的孔。
3.根据权利要求2所述的声屏障，其中所述孔至少部分地填充有至少一种气体。
4.根据权利要求3所述的声屏障，其中所述气体选自空气、水蒸汽、氮气、二氧化碳以及它们的组合。
5.根据权利要求2所述的声屏障，其中所述固体基质材料包含粘弹性材料或弹性材料或它们的组合。
6.根据权利要求5所述的声屏障，其中所述粘弹性材料或所述弹性材料呈现出小于10-6Pa-1的稳态剪切蠕变柔量。
7.根据权利要求5所述的声屏障，其中所述固体基质材料选自无机材料；固化的、玻璃态或结晶的聚合物树脂；交联的弹性体；热塑性聚合物；以及它们的组合。
8.根据权利要求1所述的声屏障，其中所述多孔介质选自聚合物泡沫、聚合物非织造材料、多孔二氧化硅材料、多孔复合材料以及它们的组合。
9.根据权利要求1所述的声屏障，其中所述多孔介质的孔隙率为0.02至0.65。
10.根据权利要求1所述的声屏障，其中所述粘弹性介质或所述弹性介质的孔隙率小于0.02。
11.根据权利要求1所述的声屏障，其中所述第一介质和所述第二介质中的所述另一者为粘弹性介质。
12.根据权利要求11所述的声屏障，其中所述粘弹性介质具有纵向声波传播速度和横向声波传播速度，所述纵向声波传播速度为所述横向声波传播速度的至少约30倍。
13.根据权利要求1所述的声屏障，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。
14.根据权利要求13所述的声屏障，其中所述粘弹性固体和所述粘弹性液体选自橡胶态聚合物组合物以及它们的组合。
15.根据权利要求1所述的声屏障，其中所述第一介质和所述第二介质中的所述另一者为弹性介质。
16.根据权利要求15所述的声屏障，其中所述弹性介质具有至少2000米每秒的纵向声速。
17.根据权利要求15所述的声屏障，其中所述弹性介质为选自如下的弹性固体：金属、金属合金、玻璃态聚合物、复合材料以及它们的组合。
18.根据权利要求1所述的声屏障，其中所述大致周期性阵列结构是多层结构形式的一维阵列，所述多层结构包括所述第一介质和所述第二介质的交替层。
19.根据权利要求18所述的声屏障，其中所述多层结构包括多孔介质和弹性介质的交替层，所述多孔介质选自聚合物泡沫、聚合物非织造材料、多孔二氧化硅材料、多孔复合材料以及它们的组合，并且所述弹性介质选自金属、金属合金、玻璃态聚合物、复合材料以及它们的组合。
20.根据权利要求19所述的声屏障，其中所述多孔介质选自闭孔聚合物泡沫、聚合物非织造材料、多孔二氧化硅材料以及它们的组合；并且所述弹性介质选自铜、铝、铜合金、铝合金、环氧树脂以及它们的组合。
21.根据权利要求18所述的声屏障，其中所述多层结构包括层厚为5mm至10mm的多孔材料和层厚为0.025mm至1mm的弹性材料的3到20层的交替层，所述多层结构具有5mm至100mm范围的尺寸。
22.根据权利要求21所述的声屏障，其中所述多层结构包括所述多孔材料和所述弹性材料的3到5层的交替层；所述多孔材料选自闭孔聚合物泡沫、聚合物非织造材料、多孔二氧化硅材料以及它们的组合；所述弹性材料选自铝、环氧树脂、铝合金以及它们的组合；并且所述多层结构具有10mm至30mm范围的尺寸。
23.根据权利要求1所述的声屏障，其中所述声屏障在整个800Hz到1500Hz的范围提供了大于或等于20dB的传输损耗并且具有小于或等于20cm的全部尺寸大小。
24.一种用于制备声屏障的方法，所述方法包括：(a)提供具有第一密度的第一介质；(b)提供具有不同于所述第一密度的第二密度的第二介质；以及(c)形成设置在所述第一介质中的大致周期性阵列结构，所述结构由所述第二介质制得；其中所述第一介质和所述第二介质中的一者为不同于多孔金属的多孔介质，所述多孔介质的孔隙率为至少0.02，并且其中所述第一介质和所述第二介质中的另一者为粘弹性介质或弹性介质。
25.一种声绝缘方法，所述方法包括：(a)提供声屏障，所述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阵列结构，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，其中所述第一介质和所述第二介质中的一者为不同于多孔金属的多孔介质，所述多孔介质的孔隙率为至少0.02，并且其中所述第一介质和所述第二介质中的另一者为粘弹性介质或弹性介质；以及(b)在声源和声学接收器之间插入所述声屏障。
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