CN103996396A - 一种轻质二组元软性薄层局域共振声学材料结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料结构，其设计了一种用同种轻质柔性材料提供质量和弹性，另一种轻质材料提供局域化刚度的二组元软薄型局域共振单元。局域共振单元可以控制比结构尺寸大两到三个数量级的机械波传播，而且具有较宽的带隙。这类结构不但能在500Hz以下的低频段打开完全带隙，而且能在低于100Hz的超低频段形成垂向带隙，能很好的满足载运工具等薄壁件低频减振降噪的要求。所设计结构具有厚度薄、质量轻、柔软、垂向带隙宽、加工方便、材料成本低廉等优点，方便在汽车和列车等载运工具上直接布放，对实际载运工具低频减振降噪问题提供了有效的解决方案。

Description

一种轻质二组元软性薄层局域共振声学材料结构

【技术领域】

本发明属于轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料技术领域，具体涉及一种轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料结构。

【背景技术】

现有隔声材料一般都是硬度较大的材料，如钢板等。首先，这些材料较硬，重量也较大，很难解决航空航天等对轻量化要求较高的领域的实际降噪要求。此外，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，对低频隔声提出了技术提出了挑战。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。

声子晶体从1993年正式提出，到2000年之前，主要在Bragg型声子晶体方面取得了大量的研究成果，但由于没有打破传统减振降噪中的波长定格，无法用于低频段的减振降噪。2000年，刘正猷等人发现了带隙对应波长大于晶格尺寸两个数量级的全新物理现象，由此提出了局域共振单元。局域共振单元的提出，实现了小尺寸控制大波长，对解决低频振动噪声问题提供了新的思路。

除了刘正猷等提出的三维三组元立方晶格局域共振单元外，研究者们设计了大量的局域共振单元，有一维的扭转轴型、弯曲梁型局域共振单元，二维二组元和二维三组元的薄板型局域共振单元。2013年，我们分别提出了二维螺旋梁和折叠梁结构的局域共振单元，低频带隙范围分别是42-250Hz和18-200Hz，在低频乃至超低频段起到了很好的减振效果。然而，在实际汽车等载运工具中，主要起噪声作用的是轻质柔软的内饰件，因此目前研究中提出的结构都由于太脆、太硬、质量太大或太厚等原因，无法用作内饰件。

2008年，杨志宇等提出了一种具有动态负质量的薄膜型声学超材料，并于2012年完成了基于驻波管法的斜入射吸声系数测试，表明可以在100-1000Hz内获得较高的吸声系数，对减振降噪提供了一种适用性更强的解决方案。这种薄膜型声学超材料也具有局域共振单元的特性，是一种二维三组元薄膜局域共振单元。虽然这种薄膜型声学超材料较以往的局域共振单元有很突触的优势，低频吸声性能好，而且厚度和面密度也不大，但是采用了密度较大的硬质铁片作为质量块，总体上还无法很好的满足内饰件的轻质和柔软要求。

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思路。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、列车和前面讲到的建筑工地混凝土泵车外壳的减振降噪提供了一种可实现的方案。

为了获得更低的带隙，及在实验上容易获得等效负质量，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，并将薄膜固定在骨架上。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。

薄膜型超材料能够在200-300Hz的频率范围内有效地衰减声波。而根据已有的质量定律，降低这个频段的声波所要求结构的尺寸及质量要远大于薄膜型超材料，实现了声波在亚波长尺度的衰减。

在声学超材料方面，目前有望应用于减振降噪的主要是香港科技大学沈平课题团队提出的薄膜型超材料，而研究较多的地毯型超材料目前禁带频率远高于可听声频率范围。梅军等进行了试验验证，他们的试件结构由一层金属支架、一层0.2mm厚的橡胶薄膜和若干周期分布的1mm厚的半圆型金属片构成。从吸声系数来看，在1100Hz以内，最低吸声系数都大于0.3，而且在很宽频段内，吸声系数都接近1，低频降噪效果非常显著，是目前最有望解决载运工具钣金件低频减振降噪问题的方案。由于局域共振型声子晶体也属于超常料的一种，因此，总体看来，要实现低频振动噪声的被动控制，声学超常料是一种非常好的选择。

无论局域共振型还是薄膜型超材料都是利用偶极共振原理，使得超材料的共振频率和声波频率相匹配实现负等效质量密度，达到降低噪声的目的。这两种声学超材料对于整体结构中单元排列方式等要求并不像布拉格散射声子晶体结构要求那么严格，而是更多强调了结构单元的设计。这两种声学超材料都能够实现声波在亚波长尺度衰减的目的，突破了质量定律的限制，对于低频降噪有着非常重要的意义。

综上所述，由于目前汽车、飞机和列车的车身或机身由于主要有薄壁板件构成，在500Hz以下的低频段，这些板件和起隔声作用的内饰件都存在较为明显的共振。共振就导致了这一频段车身的隔声量非常低，有时不但起不到隔声效果，还会将噪声放大。而现有的新型声学材料要么结构笨重，要么占用空间大、布置不灵活，要么结构太脆太硬，要么声学性能不稳定，或达不到很好的低频声学效果。因此，发明一种具有结构轻，布置区域灵活，结构柔韧性好，不会被踩碎，声学性能比较稳定、对较低频率的噪声有阻隔效果的声学材料是必要的。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料结构。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料结构，包括两个结构相同的框架以及布置在两个框架之间的硅橡胶弹性薄膜，该框架呈田字格状，硅橡胶弹性薄膜的一侧设置有若干质量块，并且若干质量块通过一侧框架的格子相互隔开，其中，硅橡胶弹性薄膜和质量块由同种材质制成一体。

本发明进一步改进在于：框架采用塑料、有机玻璃、树脂或EVA制成。

本发明进一步改进在于：框架的厚度不超过2mm。

本发明进一步改进在于：硅橡胶弹性薄膜的厚度为0.1-1mm。

本发明进一步改进在于：质量块的形状为半球形、圆柱形、圆环形或方形。

本发明进一步改进在于：质量块的厚度不超过2mm，半球形质量块的半径不超过5mm。

本发明进一步改进在于：质量块底面的边长或者直径小于对应格子所围薄膜的边长。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：

1、本发明试件的理论模型在200Hz以下的低频范围内有宽度为73.5Hz(膜厚1mm，半球形试件)的垂向禁带，满足低频隔声的要求；

2、所有部件均由密度不高于硅橡胶密度1300kg/m³的轻质材料组成，满足轻量化要求；

3、本发明试件总厚度处于mm量级，薄膜的厚度不超过1mm，满足薄层结构要求；

4、质量块可以选择多种形状，通过参数调整可使禁带落在所需频段内，灵活方便，且设计简单，易于加工和制造。

根据本发明一种轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料结构的上述特点，其可以用作飞机、汽车、列车等载运工具的内饰件材料和单独的隔声块，也可以用作建筑物内部的隔声材料，如KTV、大型歌剧院等。

【附图说明】

图1为局域共振单元结构示意图，其中，图1a为半球形结构；图1b为圆柱形结构，图1c为方块形结构；图1d为半球形结构阵列后的材料结构；

图2为几种形状质量块单元的能带结构，其中，图2a为半球型单元的能带结构与禁带(禁带宽度58.5Hz)，图2b为圆柱型单元的能带结构与带隙(禁带宽度17Hz)，图2c为方块型单元的能带结构与带隙(禁带宽度27.5Hz)；

图3为带隙上下边界和带隙宽度随薄膜厚度的变化关系。

【具体实施方式】

(一)同种轻质柔性材料作为弹性元件和质量元件

本发明采用弹性较好的硅橡胶作为弹性元件和质量元件，弹性元件设计为薄膜型，即硅橡胶薄膜，厚度不超过1mm；质量块设计为半球形、圆柱形、方块形等。其中，半球的半径不超过5mm，圆柱和方块的厚度不超过2mm。为了便于说明，设计了几种形状的二组元局域共振单元，元胞结构如图1所示。每个元胞由3部分组成，质量块、薄膜和框架。质量块和薄膜均采用柔性硅橡胶，框架采用韧性较好的塑料或较柔软的EVA(EVA(ethylene-vinyl acetatecopolymer，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)。质量块分三种形状，半球形、圆柱形和方块形。薄膜的厚度为h；半球形单元的晶格常数为a₁，其余两组单元的晶格常数为a₂；半球的半径为r₁；圆柱的半径为r₂，厚度为h₂；方块的边长为c，厚度为h_c；框架的棱宽和厚度均固定为b。框架主要起到对结构的支撑作用，要保证质量块有振动的空间，这从理论上讲，相当于提供了一个局域化的刚度。

图1为局域共振单元结构示意图(尺寸参数：a₁＝14mm；a₂＝24mm；b＝2mm；c＝14mm；h＝0.7mm；h₂＝2mm；h_c＝2mm；r₁＝5mm；r₂＝6mm.材料参数：硅胶[密度1300kg/m3；弹性模量E＝1.175e5Pa；泊松比0.469]；塑料[密度1190kg/m3；弹性模量E＝2.2e9Pa；泊松比0.375])

(二)低频隔声解决方案

根据图1的结构和选定的尺寸参数，得到了每个结构的能带结构，如图2所示。除了完全带隙外，通过对M点和Γ点的模态识别，得到了图示的完全Z模式带隙。

从图2可以看出，半球型结构能够在100-200Hz的频段内打开一个完全的带隙，并且与质量块Z向共振产生的弯曲波带隙连在一起，形成了一个带宽相对较大的带隙，禁带宽度为58.5Hz。圆柱型结构不能形成由质量块共振产生的弯曲波带隙，只能在200-250Hz的频段内打开一个完全带隙，带隙宽度为17Hz。而方块型单元只在150Hz以内形成了一个由质量块共振产生的宽度为27.5Hz的弯曲波带隙，没有打开完全带隙。因此，从三种质量块形状可以初步看出，半球型结构较其余两种结构在低频减振降噪方面性能要优越一些，事实上，这也可以从面密度的不均匀性看出。为了深入分析这种结构的带隙产生机理，需详细分析结构的模态振型。

由于质量块和框架之间反向振动，形成了动态负质量特性，从而可以阻碍Z方向的机械波传播。图2a中，位于禁带中间的两条平直带(完全带隙的下边界)分别对应结构在横向和纵向的平移振动模态。由于单元结构的对称性，横向和纵向两种振动模式是等效的，因此两种模态在离Γ点较远的倒格矢空间范围内发生了能带简并。结构在这种平移共振模态下具有相同的动力学特性，半球质量块带动薄膜运动，而四周框架几乎保持静止。这表明，框架可以看作刚性基础，它的存在使内部振动模式完全被单元所局域化，从而当框架与待减振的板件连接时，框架和板件不会振动，而是薄膜-质量块单元在振动耗能，达到减振的目的。

为了分析薄膜厚度对带隙的影响，计算了薄膜厚度分别为0.3mm，0.5mm，0.7mm，1mm和1.5mm时的能带结构，分析薄膜厚度对带隙特性的影响规律。通过能带结构，结合对模态的识别，得到了带隙上下边界和带隙宽度随薄膜厚度的变化关系如图3所示。

从图3可以看出，随着薄膜厚度的增加，带隙上下边界和带宽都在增加，但总体上带隙宽度变化越来越平缓，趋于稳定。在薄膜厚度为0.3mm时，带隙宽度为28.9Hz，当薄膜厚度增加到0.5mm时，带隙宽度为47.6Hz，薄膜厚度为1mm时为73.5Hz，1.5mm时达到了82.5Hz。由于质量块和薄膜都是采用轻质柔性材料的硅橡胶，所以在这么低的频段内，能达到这么宽的带隙，性能已经非常优越。以汽车为例，一般噪声较大的频率点都是相对单一的，最突出的是发动机的二倍频附近。因此，只要通过结构禁带设计，让噪声最大的频段落到所设计的结构的禁带范围内，则可以有效降低汽车的低频噪声。

该类结构具有布局灵活的优点，因为一般只要在平面内两个方向超过5-7个周期分布，就基本能达到禁带的效果，因此完全可以制造成100×100mm的小件，布置在结构低频振动较为剧烈的部位，即可实现低频减振和隔声。这就和传统减振降噪中经常使用的贴质量块和阻尼块的方式比较接近。除了利用局域共振特性实现低频减振和隔声外，由于这种结构主要由阻尼较大的硅橡胶构成，所以也能起到传统的阻尼衰减作用。换句话说，采用这种局域共振单元作为减振与隔声结构，可以起到双重的减振与隔声效果，对解决工程实际问题提供了有力保证。

事实上，我们通过设计采用金属作为质量块的三组元局域共振单元，采用B&K标准驻波管大管测试了试件的垂向隔声量，有效下限截止频率为200Hz，表明至少在200-500Hz的低频段，采用EVA作为框架能获得更好的隔声效果。也就是说，所设计的结构中唯一较硬的塑料框架，完全可以换为较软的EVA材料。这可以进一步拓宽这种结构在工程实践中的应用范围，可以作为地毯等部件，不会存在硬的试件那样容易被踩破坏等情况。

综上所述，本发明解决了以下的问题：

1、200Hz以下的低频隔声要求；2、结构柔软的要求；3、结构厚度薄、重量轻的要求；4、同种轻质柔性材料作为弹性元件和质量元件；5、设计加工容易、加工难度不大要求。

根据上述数据可以看出，本发明达到的技术效果：

1、本发明试件的理论模型在200Hz以下的低频范围内有宽度为73.5Hz(膜厚1mm，半球形试件)的垂向禁带，满足低频隔声的要求；

2、所有部件均由密度不高于硅橡胶密度1300kg/m³的轻质材料组成，满足轻量化要求；

3、本发明试件总厚度处于mm量级，薄膜的厚度不超过1mm，满足薄层结构要求；

4、质量块可以选择多种形状，通过参数调整可使禁带落在所需频段内，灵活方便，且设计简单，易于加工和制造。

根据本发明一种轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料结构的上述特点，它可以用作飞机、汽车、列车等载运工具的内饰件材料和单独的隔声块，也可以用作建筑物内部的隔声材料，如KTV、大型歌剧院等。

Claims (7)

1.一种轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料结构，其特征在于：包括两个结构相同的框架以及布置在两个框架之间的硅橡胶弹性薄膜，该框架呈田字格状，硅橡胶弹性薄膜的一侧设置有若干质量块，并且若干质量块通过一侧框架的格子相互隔开，其中，硅橡胶弹性薄膜和质量块由同种材质制成一体。

2.根据权利要求1所述的轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料结构，其特征在于：框架采用塑料、有机玻璃、树脂或EVA制成。

3.根据权利要求1或2所述的轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料结构，其特征在于：框架的厚度不超过2mm。

4.根据权利要求1所述的轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料结构，其特征在于：硅橡胶弹性薄膜的厚度为0.1-1mm。

5.根据权利要求1所述的轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料结构，其特征在于：质量块的形状为半球形、圆柱形、圆环形或方形。

6.根据权利要求5所述的轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料结构，其特征在于：质量块的厚度不超过2mm，半球形质量块的半径不超过5mm。

7.根据权利要求5或6所述的轻质二组元柔性薄层局域共振声学材料结构，其特征在于：质量块底面的边长或者直径小于对应格子所围薄膜的边长。