CN105118496A - 声学超材料基本结构单元及其复合结构和装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声学超材料基本结构单元，其包括边界约束框、在所述的边界约束框内设置有框内约束体，在边界约束框的上下表面的至少一个表面上覆盖有薄膜。本发明还提供含有声学超材料基本结构单元的声学超材料板以及含有声学超材料板的声学复合结构。另外，本发明还提供一种通过改变所述声学超材料的边界约束框、框内约束体及薄膜的结构尺寸和材料参数来实现声学超材料的工作频率调节隔声频段的方法。具有装配工艺简单、服役时间增长、同时约束薄膜振动模式的优势，使得隔声材料的性能稳定性加强。

Description

声学超材料基本结构单元及其复合结构和装配方法

技术领域

本发明涉及一种声学超材料基本结构单元及含有其的复合结构，适用于制作结构轻薄、低频隔声效果好的声屏障和隔声罩，属于材料领域。

背景技术

声学超材料，尤其是局域共振型声学超材料的出现突破了均匀隔声材料质量定理的限制，为人们利用小尺度结构有效控制低频声波的传播提供了有力工具(2000年，ZhengyouLiu等，LocallyResonantSonicMaterials，Science289,1734；2008年，Z.Yang等，Membrane-TypeAcousticMetamaterialwithNegativeDynamicMass，PhysicalReviewLetters101,204301.)。

典型的局域共振型声学超材料基本结构单元的三种组元包括：硬质基体、弹性填充物或膜片以及配重质量块。其工作机理在于基本结构单元将整块板分隔为单个不连通的小区域，每个小区域内部由于配重质量块在入射声波激励下产生强烈振动，使得在特定频率下产生的法向振动位移求和为零，从而实现对入射声波的全反射。由于传统的局域共振型声学超材料主要通过改变配重质量块的重量来设计工作频率。因此，在专利(CN1664920A，CN103996395A，CN103594080A，CN103810991A，CN104210645A，US007395898B2，US20130087407A1，US20150047923A1)中公开的声学超材料结构形式中均包含配重质量块或刚性质子。专利(CN101908338B，US20140339014A1)中公开了采用无配重质量块的声学超材料结构，主要依靠每个基本结构单元的软质材料/弹性膜片自身的局域振动模式，实现对特定频率入射声波的反弹。传统的局域共振型声学超材料在结构形式及工作方式方面主要存在以下几种技术缺陷：

1.配重质量块的采用，不但增加了装配工艺的复杂程度，而且质子在工作过程中由于振动强烈，极易造成脱落成为异物，因此材料的稳定性差，无法在环境条件苛刻的工程应用中长期服役；

2.除了通过改变配重块的重量来设计超材料的工作频率外，还可以通过改变施加给弹性膜片的预拉力来实现(专利CN103594080A)。由于弹性膜片的预张力在长时间振动过程中会缓慢释放松弛，因此该种类型材料的工作有效时间较短。

3.基本结构单元的三种组元在特定频率上形成全反射现象后，紧接着会出现全透射现象，造成该频段内的隔声效果远不如均匀材料。专利(CN101908338B，US20140339014)中公开的无配重质量块声学超材料由于仅依靠基本结构单元中的软质材料/柔性膜片自身振动模态，极易出现多个全透射频段。

4.全反射峰出现的频段较窄，在需要较宽频段隔声需求的应用中，只能依靠多个频率不同的全反射峰隔离声波，而无法有效弥补全反射峰间的隔声低谷，需要将多层声学超材料堆叠，从而重量代价极大，无法做到轻薄。

因此，开发一种新的能够抑制了低频全透射振动模式，而保留了低频全反射振动模式，从而实现对入射声波的轻薄高效隔离的声学超材料。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种能够克服现有技术声学超材料的缺陷，进而提供一种约束薄膜振动模式的声学超材料基本结构单元，其能够抑制低频全透射振动模式，而保留低频全反射振动模式，从而实现对入射声波的轻薄高效隔离。

进一步地，本发明还提供一种声学超材料复合结构，其通过将工作在不同频率的声学超材料与传统声学材料组合，在充分利用全反射振动模式产生的高隔声效果的同时，显著提高全反射峰间的隔声低谷的吸声性能，从而以极小的面密度代价，实现宽频段内优秀的降噪效果。

具体来说，本发明的技术方案如下：

一种声学超材料基本结构单元，其特征在于，其包括边界约束框、在所述的边界约束框内设置有框内约束体，在边界约束框的上下表面的至少一个表面上覆盖有薄膜。

其中，所述的边界约束框和其内的框内约束体刚性连接，薄膜覆盖在边界约束框上，并受框内约束体约束。

其中所述刚性连接可以一体成型(铣削加工而成)，也可采用铆接、黏贴等方式。

其中，所述边界约束框内至少有一个框内约束体。

其中，所述边界约束框的上下表面均覆盖有薄膜；优选两层薄膜的厚度及材料分别相同。

其中，在两层薄膜中间填充多孔吸声介质；优选所述多孔吸声介质为玻璃纤维棉或开闭孔泡沫。

其中，所述的边界约束框的形状使其在基本结构单元周期延拓方面实现最大面积占比；优选形状是矩形、正六边形或正方形。

其中，所述的框内约束体与边界约束框上下表面齐平。

其中，所述的框内约束体大小使其与薄膜接触面积最小；优选所述框内约束体与薄膜通过点、线、面接触；更优选接触形成的形状是对称规则的几何形状；更优选所述的几何形状为圆形、正方形或正多边形。

其中，所述的边界约束框和框内约束体的材料分别为密度低，杨氏模量高；优选边界约束框和框内约束体的材料分别铝材、钢材、橡胶、塑料、玻璃、高分子聚合物或复合纤维材料。

其中所述薄膜的材料为柔性材料；优选所述薄膜的材料为高分子聚合物薄膜材料；更优选所述薄膜的材料为聚氯乙烯(Polyvinylchloride)、聚乙烯(polyethylene)或聚醚酰亚胺(Polyetherimide)。

本发明还提供一种包含所述声学超材料基本结构单元的声学超材料板。

其中，所述声学超材料基本结构单元在面内方向排列分布。

其中，所述声学超材料基本结构单元的大小、材料和材料参数相同。

另外，所述声学超材料基本结构单元的大小、材料和材料参数可不相同，换言之，并不限制每个基本结构单元都一致，优选的是所述声学超材料基本结构单元的大小、材料和材料参数相同。

本发明还提供一种装配所述声学超材料板的方法，将所述的边界约束框和其内的框内约束体刚性连接，将薄膜在自由伸展状态下覆盖在边界约束框上。

本发明还提供一种含有所述声学超材料板的声学复合结构。

其中，所述声学复合结构进一步含有传统声学材料板。

本发明还提供一种调节所述声学超材料基本结构单元，所述声学超材料板或所述声学复合结构的隔声频段的方法，其特征在于，通过改变所述声学超材料的边界约束框、框内约束体及薄膜的结构尺寸和材料参数来实现声学超材料的工作频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)所述的声学超材料构成单元，不需要增加配重质量块/重物，简化了装配工艺，并且使得隔声材料的性能稳定性加强，服役时间增长。

2)所述的声学超材料构成单元，不同于简单的无配重质量块/重物的均匀薄膜声学超材料。通过与边界约束框刚性相连的框内约束体抑制薄膜的全透射振动模式，保留薄膜的全反射振动模式，实现对入射声波的高效隔离。

3)所述的声学超材料工作频段，即薄膜产生全反射振动模式时对应的频段，相较于两类传统的声学超材料更容易设计到200Hz以下的低频段，同时不会出现低频透射峰。

4)所述的声学超材料基本结构单元简单，可以进行模块化拼接装配，加工难度小，所述的边界约束框和框内约束体可采用筑模、冲压、化学腐蚀等批量化加工工艺。并且便于运输，可根据施工现场的要求进行裁剪装配。

5)所述的声学超材料与传统声学材料组成复合结构，可以显著提高全反射峰间频段的吸声效果，通过优化设计所述的框内约束体的个数及其几何形状，还可以进一步降低整体复合结构的面密度。从而以极小的面密度代价，实现宽频段内优秀的降噪效果。避免了传统声学超材料多层堆叠带来的空间及重量负担。

附图说明

图1为本发明声学超材料基本结构单元及其形成复合结构的结构示意图。

图2为本发明所述的声学超材料基本结构单元与薄膜-重物声学超材料结构单元以及无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元的低频透射振动模式示意图。其中，图2(a)所示为薄膜-重物声学超材料结构单元；图2(b)所示为无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元；图2(c)所示为本发明所述的声学超材料结构单元。图中三个竖向箭头代表声波的入射方向。

图3为本发明实施例1声学超材料基本结构单元的结构示意图；其中图3(a)为所述实施例1声学超材料基本结构单元的结构示意图；图3(b)为该结构基本结构单元的剖面图。

图4为本发明实施例1声学超材料基本结构单元在第一阶全反射工作频率的振动模式有限元仿真结果。

图5为本发明实施例1声学超材料基本结构单元与薄膜-重物声学超材料结构单元及无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元的隔声量有限元仿真曲线对比。

图6为本发明实施例1声学超材料基本结构单元与薄膜-重物声学超材料结构单元及无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元的法向位移求和的有限元仿真曲线对比。

图7为本发明实施例2声学超材料基本结构单元的结构示意图，其中图7(a)为所述实施例1声学超材料基本结构单元的结构示意图；图7(b)为该结构基本结构单元的剖面图。

图8为本发明实施例2声学超材料基本结构单元的驻波管隔声量试验测试结果。

图9为本发明实施例3所述声学复合结构的结构示意图。

图10为本发明实施例3所述声学复合结构的驻波管隔声量实测曲线。

图11为本发明实施例4所述的不同结构形式框内约束体的结构示意图，其中图11(a)中所述的框内约束体12具有一圈方形框；图11(b)中所述的框内约束体13与边界约束框1通过一根支柱刚性连接；图11(c)中将原本相邻的两个结构单元打通，使得边界约束框1成为一个长方形结构，所述的框内约束体14通过两个约束区域与薄膜相连。

图12为本发明实施例4所述的不同结构形式框内约束体的多点约束薄膜的声学超材料隔声量曲线以及全反射振动模式对应的有限元仿真结果。

其中，1-边界约束框，2-框内约束体，3-第一薄膜，4-声学超材料基本结构单元，5-声学超材料板，6-传统声学材料板，7-重物，8-玻璃纤维棉，9-第二薄膜，10-玻璃纤维棉板，11-铝合金板，12-具有一圈方形框的框内约束体，13-支柱形框内约束体，14-贯通两个约束区的框内约束体。

具体实施方式

为了充分说明本发明解决技术问题所实施使用的技术方案。下面结合实施例和附图对发明做详细说明,但本发明的技术方案、技术方案的实施方式以及保护范围并不仅仅限于此。

本发明提供一种约束薄膜振动模式的声学超材料基本结构单元，所述的声学超材料基本结构单元包括边界约束框、框内约束体和薄膜。所述的多个声学超材料基本结构单元在面内方向排列分布，优选的是多个声学超材料基本结构单元的构成尺寸及材料参数一致。

所述的边界约束框和框内约束体刚性连接，薄膜覆盖在边界约束框上，并受框内约束体约束。优选的是，所述的框内约束体与边界约束框上下表面齐平。其中所述刚性连接可以一体成型(铣削加工而成)，也可采用铆接、黏贴等方式。

所述的边界约束框不限制形状，优选的是矩形、正六边形等可以在基本结构单元周期延拓方面实现最大面积占比的形状。

所述的框内约束体不限制形状，尽量做到与薄膜的接触面积小，可以与薄膜实现点、线、面接触的任何形状。优选的是对称规则的几何形状，如圆形、正方形、正多边形等。

所述的框内约束体不限制数量。至少有一个框内约束体，该约束体作用在无框内约束时单元全透射振动模式的振动幅度最大区域附近。例如：薄膜-重物结构单元在第一个全透射峰处，重物的振动幅度最大，本发明引入框内约束体取代重物。由此产生的薄膜可自由振动部分的形状抑制了无框内约束体单元的全透射振动模式，但保留了它的低频全反射振动模式，从而实现对入射声波的轻薄高效隔离。而与本发明不同，专利(CN101908338B，US20140339014)中公开的无配重质量块的声学超材料结构，总是有一个无法避免的低频全透射峰，使得其低频隔声量出现极小值。

所述的边界约束框和框内约束体由铝材、钢材、橡胶、塑料、玻璃、高分子聚合物或复合纤维材料制成，用于满足结构自身强度及工作频段的结构刚性要求且优选为密度较低且杨氏模量较大的刚性材料。

所述的薄膜可以是任何适当柔软的材料，例如类似橡胶的弹性材料或者类似聚氯乙烯(Polyvinylchloride)、聚乙烯(polyethylene)和聚醚酰亚胺(Polyetherimide)等的高分子聚合物薄膜材料。

所述的薄膜在与边界约束框和框内约束体连接时，不需要施加一定的预拉力，薄膜在自由伸展状态下即可完成装配。

所述的声学超材料可以通过改变所述的边界约束框、框内约束体及薄膜的结构尺寸和材料参数实现工作频率的精确设计，实现材料隔声频段的可定制。

为了充分利用现有结构的空间，并且更好地提高降噪效果。所述的边界约束框上下表面均可覆盖薄膜，而且两层薄膜的厚度及材料参数均可不同，从而能够同时实现两种不同的主要工作频段。此外，两层薄膜中间可填充多孔吸声介质，如玻璃纤维棉、开闭孔泡沫等，进一步提升整体结构的吸声耗能性能。

所述的声学超材料与所述的传统声学材料组合构成声学复合结构。两种不同的声学材料板之间可以直接接触，并提供稍许挤压，也可采用弹性连接方式，如小块橡胶垫支承并隔离不同声学材料板。

其中，关于传统声学材料结构及物理参数一般选择本领域常规应用的即可，但应适当考虑传统声学材料结构的均匀隔声板的厚度，多孔吸声材料的特征阻抗和吸声性能，穿孔板的孔径、穿孔率以及与声学超材料的间距构成的亥姆霍兹共振腔的尺寸大小等参数，从而优选出与所述的声学超材料隔声工作频段相匹配的传统声学材料，进而达到将复合结构降噪效果提升的目的。

在所述的声学复合结构中，所述的薄膜不要求绝对密封，薄膜上可以通过打微孔与所述的传统声学材料，例如均匀隔声板，形成共振腔，从而提升特定频段内的吸声性能。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为本发明约束薄膜振动模式的声学超材料及其复合结构示意图。如图所示，一种约束薄膜振动模式的声学超材料及其复合结构，包括边界约束框1、框内约束体2和薄膜3构成的基本结构单元4。所述的基本结构单元4在面内方向(xy平面)排列分布，形成声学超材料板5。优选的是多个声学超材料基本结构单元4的构成尺寸及材料参数一致。所述的声学超材料板5与传统声学材料板6构成整体隔声结构。所述的传统声学材料板6包括均匀隔声板、多孔吸声材料和穿孔板等结构形式。

图2是本发明所述的声学超材料结构单元与薄膜-重物声学超材料结构单元及无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元的低频全透射振动模式示意图。其中，图2(a)所示为薄膜-重物声学超材料结构单元；图2(b)所示为无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元；图2(c)所示为本发明所述的声学超材料结构单元。图中三个竖向箭头代表声波的入射方向。如图2(a)所示，薄膜-重物结构单元在第一个全透射峰处，重物7的振动幅度最大。与之类似，图2(b)所示的无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元，其薄膜3中心区域的振动幅度最大。这样的结构形式使得该两类声学超材料单元总是有一个无法避免的低频全透射峰，使得其低频隔声量出现极小值。图2(c)所示的本发明所述的声学超材料结构单元引入框内约束体2作用在无框内约束时单元全透射振动模式的振动幅度最大区域附近。由此产生的薄膜3可自由振动部分的形状抑制了无框内约束体单元的全透射振动模式，但保留了它的低频全反射振动模式，从而实现对入射声波的轻薄高效隔离。

图3为本发明实施例1声学超材料基本结构单元示意图。其中，图3(a)为所述的实施例1声学超材料基本结构单元的结构示意图；图3(b)为该结构单元的剖视图。所述的边界约束框1与框内约束体2刚性连接，所述的薄膜3在自由伸展状态下与所述的边界约束框1和框内约束体2连接，所述的框内约束体2与所述的薄膜3中心区域贴合。该实施例是本发明所述的一种约束薄膜振动模式声学超材料的最基本结构形式之一。

所述的边界约束框1为正方形，内边长为26mm，外边长为29mm，高度为10mm；框内约束体2与薄膜3接触区域为圆形，半径为5mm；薄膜3的厚度为0.05mm。边界约束框1与框内约束体2的材料相同，均为FR-4玻璃纤维；薄膜3的材质为聚醚酰亚胺(Polyetherimide)。

图4为本发明实施例1结构单元在第一阶全反射工作频率的振动模式有限元仿真结果。该实施例结构单元的全反射工作频率为140Hz，在该工作频率下，所述的边界约束框1与框内约束体2同向振动，所述的薄膜3与上述两者反向振动。其中薄膜3的四个边角区域(图4中A～D所标)的振动幅度最大。

图5为本发明实施例1结构单元与薄膜-重物声学超材料结构单元及无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元的隔声量有限元仿真曲线对比。实线对应本发明实施例1结构单元；虚线对应薄膜-重物声学超材料结构单元；点划线对应无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元。

结合图2(a)，其中薄膜-重物声学超材料结构单元的边界约束框1同样为正方形，内边长为33mm，外边长为37mm，高度为10mm；重物7为圆柱形，半径为5mm，厚度为2mm；薄膜3的厚度为0.05mm。边界约束框1材质为FR-4玻璃纤维；重物材质为6063铝合金；薄膜3的材质为聚醚酰亚胺(Polyetherimide)。结合图2(b)，其中无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元的边界约束框1同样为正方形，内边长为58mm，外边长为62mm，高度为10mm；薄膜3的厚度为0.05mm。边界约束框1材质为FR-4玻璃纤维；薄膜3的材质为聚醚酰亚胺(Polyetherimide)。

由图5可见，三种声学超材料结构单元的隔声量曲线均在140Hz处出现尖峰，该尖峰对应着各结构单元的全反射振动模式。在140Hz以下频段内，本发明实施例1结构单元对应的隔声量曲线上无隔声低谷，而其他两类声学超材料结构单元对应的隔声量曲线上均出现了明显的隔声低谷，该隔声低谷的产生正是由于各自结构单元的低频全透射振动模式所导致的。

本发明实施例1结构单元与薄膜-重物声学超材料结构单元及无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元的法向位移求和的有限元仿真曲线对比如图6所示。在140Hz频率处三种声学超材料结构单元均出现全反射振动模式，此时各结构单元的法向振动位移求和均对应零值。同时发现，薄膜-重物声学超材料结构单元及无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元的法向振动位移和在频谱上分布波动较大，而本发明实施例1结构单元的法向振动位移和的频谱分布则相对平缓。这也是引入框内约束体将薄膜振动幅度最大的区域约束住所产生的效果。

为了充分利用现有结构的空间，并且更好地提高降噪效果，在实施例1的构型基础上拓展出实施例2。图7为本发明实施例2结构单元示意图。其中，图7(a)为所述的实施例2结构单元的结构示意图；图7(b)为该结构单元的剖视图。所述的边界约束框1上、下表面分别覆盖第一薄膜3和第二薄膜9，两层所述的第一薄膜3和第二薄膜9中间空隙填充玻璃纤维棉8。

所述的边界约束框1为正方形，内边长为30mm，外边长为33mm，高度为10mm；框内约束体2与薄膜3接触区域为圆形，半径为5mm；薄膜3和薄膜9的厚度均为0.05mm。边界约束框1与框内约束体2的材料相同，均为FR-4玻璃纤维；薄膜3和薄膜9的材质均为聚醚酰亚胺(Polyetherimide)。玻璃纤维棉8的流阻率为21000/Nsm^-4。

按照ASTM(美国材料与试验协会，AmericanSocietyforTestingandMaterials)标准E2611-09：“Standardtestmethodformeasurementofnormalincidencesoundtransmissionofacousticalmaterialsbasedonthetransfermatrixmethod”，在声学阻抗管中采用四传声器法测试声学超材料的隔声量。实测结果如图8所示。其中，三角框实线为本发明实施例2结构单元对应的隔声量曲线，圆框实线为本发明实施例2结构单元去掉内部填充的玻璃纤维棉8后对应的隔声量曲线；方框实线为本发明实施例2结构单元去掉薄膜9和内部填充的玻璃纤维棉8后对应的隔声量曲线，图中右上角为该样品实物照片。可以明显看出，方框实线对应构型的隔声量在三者中最小，而三角框实线，即本发明实施例2结构单元的隔声量在三者中最大。相较于方框实线，圆框实线对应的结构单元增加了一层薄膜9，不但可以充分利用边界约束框1和框内约束体2的另一个表面，而且又形成了一层振动单元。由此形成的两层振动单元可以实现多种振动模式的叠加组合，对声波进行更加有效的隔离，其在全频段内的隔声量整体抬升了约10dB。在圆框实线对应的结果单元基础上，内部填充玻璃纤维棉8，又可以整体提高隔声量3～5dB。本领域技术人员均知道薄层纤维棉(厚度10mm以下)的吸声系数在500Hz以下的中低频均很低，约在0.3以下，所以薄层玻璃纤维棉很难在500Hz以下频段有明显的吸声降噪效果。但是在本实施例中，薄膜3和薄膜9之间填充约10mm厚的玻璃纤维棉却能使得整体隔声量有3～5dB的提升，其原因在于，两层薄膜的互相贴近，利用产生的衰减波相互作用，使得两膜之间产生强烈耦合，将两膜之间的声压急剧升高，声能密度加大，即便是填充薄层的吸声材料，此时其吸声效率也将大幅增加，从而在不增加吸音材料厚度和重量的前提下大幅降低透射声能，收到超常的低频降噪效果。

图9为所述的声学超材料与所述的传统声学材料组合构成的声学复合结构示意图。本实施例中，传统声学材料选用1英寸厚的玻璃纤维棉板10和1mm厚的6063铝合金板11。所述的玻璃纤维棉板10的流阻率为21000/Nsm^-4。图中三个箭头的方向代表声波的入射方向，即声波先入射到铝合金板11之上。

图10为本发明实施例3样品的驻波管隔声量实测曲线。其中，圆点实线对应本发明实施例3样品的隔声量；十字实线对应1mm均匀6063铝合金板11的隔声量。本发明所述的实施例3样品为圆形，直径为225mm，其中样品中所采用的声学超材料5的尺寸和材料同所述的实施例1。据图可知，均匀6063铝合金板的隔声量曲线在100Hz附近出现了低谷，其原因是铝板在该频率产生了第一阶共振模式，从而导致了声波的全透射。(一层均匀的板在声波激励下产生第一阶共振时，大量的声能传递到板的另一侧，此时板的隔声量出现低谷，几乎没有隔声效果)在铝板构型的基础上铺设玻璃纤维棉板10及所述的声学超材料5后的隔声量正好将该频段的低谷进行了弥补和提升。由此可见，将本发明所述的声学超材料的工作频段设计在现有工程结构隔声薄弱的环节，可显著提升该频段内整体结构的隔声效果。

图11为本发明所述的不同结构形式框内约束体的示意图。其中，图11(a)中所述的框内约束体12除在中心区域提供约束外，还有一圈方形框用以约束薄膜的高阶振动模式；图11(b)中所述的框内约束体13与边界约束框1通过一根支柱刚性连接，此种连接方式尤其适合在边界约束框内径小的情况下采用，在保证边界约束框和框内约束体连接刚度的前提下进一步降低重量；图11(c)中将原本相邻的两个结构单元打通，使得边界约束框1成为一个长方形结构，所述的框内约束体14通过两个约束区域与薄膜相连，约束薄膜的振动模式。

选用图11(c)中所述的结构单元形式进行有限元仿真计算。其中，所述的边界约束框1内边长为63mm，外边长为66mm，高度为10mm；框内约束体14与薄膜的两个接触区域为圆形，半径均为5mm；薄膜厚度为0.05mm。边界约束框1与框内约束体14的材料相同，均为FR-4玻璃纤维；薄膜的材质为聚醚酰亚胺(Polyetherimide)。有限元仿真结果见图12。由图可见，该结构单元形式在0～500Hz频段内出现了两个隔声量尖峰，分别位于60Hz和380Hz处。图12中还给出了两个隔声量尖峰频率对应的结构单元振动模式。本发明可以通过人为设计框内约束体的位置和形状，实现对薄膜特定振动模式的约束，从而方便地定制声学超材料的隔声工作频率。

实施例

下面对本发明实施例中的测定方法以及材料来源进行说明。

驻波管隔声量试验测试方法：按照ASTM(美国材料与试验协会，AmericanSocietyforTestingandMaterials)标准E2611-09：“Standardtestmethodformeasurementofnormalincidencesoundtransmissionofacousticalmaterialsbasedonthetransfermatrixmethod”，在声学阻抗管中采用四传声器法测试声学超材料的隔声量。

声学超材料基本结构单元在特定频率下的振动模式有限元仿真的方法：

基于商用有限元软件COMSOLMultiphysics5.0的声-固耦合频率域分析模块(Acoustic-SolidInteraction,FrequencyDomainInterface)建立声学超材料基本结构单元的有限元计算模型。该仿真模型包括由边界约束框、框内约束体和薄膜构成的固体物理场及入射和透射空气腔构成的压力声学物理场，两个物理场区域通过声-固界面连续性条件相互耦合关联。基本结构单元的边界条件定义为Floquetperiodicity以模拟实际整体声学超材料板的安装条件。通过进行本征频率求解(Eigenfrequency)可以获得声学超材料基本单元的各阶固有振动频率值和对应的振动模式；当需要知道在特定频率声波激励下声学超材料基本结构单元的振动模式时，需在入射空气腔设置入射声波的波矢和幅值，并进行扫频计算(10～500Hz频段，扫频步长为10Hz)，在计算结果后处理中观察不同激励频率下声学超材料基本结构单元的振动模式。

声学超材料基本结构单元的隔声量有限元仿真曲线的测定方法。

在前述的声学超材料基本结构单元在特定频率下的振动模式有限元仿真方法基础上，在入射空气腔设置入射声波为平面声波(10～500Hz频段，扫频步长为10Hz)，该平面声波通过入射空气腔垂直激励基本结构单元后，一部分声能反射，另一部分声能透射进入透射空气腔，根据入射波及透射波能量计算的法向传声损失(NormalTransmissionLoss，简写为TL_n，如未特殊说明，本专利所述的隔声量均指法向传声损失)

TL_n＝10log₁₀(E_i/E_t)

式中，E_i为入射声能，E_t为透射声能，两者可通过获取入射和透射空气腔的声压来计算得到。

声学超材料基本结构单元的法向位移求和的有限元仿真曲线的测定方法。

在前述的声学超材料基本结构单元的隔声量有限元仿真曲线的测定方法基础上，通过将基本结构单元各节点处的法向位移(COMSOLMultiphysics5.0中默认变量名为w)进行提取并进行求和，然后绘制出以基本结构单元法向位移和作为纵坐标，横坐标为声波激励频率的曲线，即为所述的声学超材料基本结构单元的法向位移求和频谱曲线。

下述实施例中使用的高分子聚合物等材料均为市售购买得到的。

实施例1声学超材料基本结构单元的制备及性能测定

下面结合附图3-6说明声学超材料基本结构单元的制备及性能测定。

1.声学超材料基本结构单元样品的制备

使用FR-4玻璃纤维制成内边长为26mm，外边长为29mm，高度为10mm的正方形边界约束框1，使用FR-4玻璃纤维制成如图3所示的框内约束体2，将边界约束框1与框内约束体2通过一体成型而连接成所述形状。第一薄膜3选用厚度为0.05mm的聚醚酰亚胺(Polyetherimide)薄膜，所述的第一薄膜3在自由伸展状态下与所述的边界约束框1和框内约束体2连接贴合，所述的框内约束体2与所述的第一薄膜3中心区域贴合接触区域为半径为5mm的圆形。从而得到了一个如图3所示的声学超材料基本结构单元样品。

2.声学超材料基本结构单元样品的性能测试

将制成的声学超材料基本结构单元样品在第一阶全反射工作频率140Hz的振动模式下进行有限元仿真计算，结果如图4。通过该结果可以看出，在该工作频率下，所述的边界约束框1与框内约束体2同向振动，所述的第一薄膜3与上述两者反向振动。其中第一薄膜3的四个边角区域(图4中A～D所标)的振动幅度最大。

3.与现有技术的声学超材料对比

参照图2(a)，其中薄膜-重物声学超材料结构单元的边界约束框1同样为正方形，内边长为33mm，外边长为37mm，高度为10mm；重物7为圆形，半径为5mm，厚度为2mm；第一薄膜3的厚度为0.05mm。边界约束框1材质为FR-4玻璃纤维；重物材质为6063铝合金；第一薄膜3的材质为聚醚酰亚胺(Polyetherimide)。

参照图2(b)，其中无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元的边界约束框1同样为正方形，内边长为58mm，外边长为62mm，高度为10mm；第一薄膜3的厚度为0.05mm。边界约束框1材质为FR-4玻璃纤维；第一薄膜3的材质为聚醚酰亚胺(Polyetherimide)。

将制成的声学超材料基本结构单元样品与上述薄膜-重物声学超材料结构单元以及无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元的隔声量有限元仿真曲线对比如图5所示。实线对应本发明实施例1结构单元；虚线对应薄膜-重物声学超材料结构单元；点划线对应无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元。

上述结果说明三种声学超材料结构单元的隔声量曲线均在140Hz处出现尖峰，该尖峰对应着各结构单元的全反射振动模式。在140Hz以下频段内，本发明实施例1的声学超材料基本结构单元对应的隔声量曲线上无隔声低谷，而其他两类声学超材料结构单元对应的隔声量曲线上均出现了明显的隔声低谷，该隔声低谷的产生正是由于低频全透射振动模式所导致的。

另外，将本发明实施例1声学超材料基本结构单元与薄膜-重物声学超材料结构单元以及配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元的法向位移求和的有限元仿真曲线对比，结果如图6所示。在140Hz频率处三种声学超材料结构单元均出现全反射振动模式，此时各结构单元的法向振动位移求和均对应零值。同时发现，薄膜-重物声学超材料结构单元及无配重质量块的均匀薄膜声学超材料结构单元的法向振动位移和在频谱上分布波动较大，而本发明实施例1的声学超材料基本结构单元的法向振动位移和的频谱分布则相对平缓。这也是引入框内约束体将薄膜振动幅度最大的区域约束住所产生的效果。

实施例2具有两层薄膜的声学超材料基本结构单元的制备及性能测定

1.声学超材料基本结构单元样品的制备

使用FR-4玻璃纤维制成内边长为30mm，外边长为33mm，高度为10mm的正方形边界约束框1，使用FR-4玻璃纤维制成如图7所示的框内约束体2，将边界约束框1与框内约束体2通过一体成型而连接成所述形状。第一薄膜3和第二薄膜9均选用厚度为0.05mm的聚醚酰亚胺(Polyetherimide)薄膜，所述的第一薄膜3在自由伸展状态下与所述的边界约束框1和框内约束体2连接贴合覆盖到边界约束框1的上表面，所述的框内约束体2与所述的薄膜3中心区域贴合接触区域为半径为5mm的圆形，之后将流阻率为21000/Nsm^-4的玻璃纤维棉8填充进入到边界约束框1和框内约束体2所围成的空隙中。最后将所述的第二薄膜9在自由伸展状态下与所述的边界约束框1和框内约束体2连接贴合覆盖到边界约束框1的下表面，所述的框内约束体2与所述的薄膜9中心区域贴合接触区域为半径为5mm的圆形。从而得到了一个如图7所示的声学超材料基本结构单元样品。

2.声学超材料基本结构单元有关性能测试

按照ASTM(美国材料与试验协会，AmericanSocietyforTestingandMaterials)标准E2611-09：“Standardtestmethodformeasurementofnormalincidencesoundtransmissionofacousticalmaterialsbasedonthetransfermatrixmethod”，在声学阻抗管中采用四传声器法测试声学超材料的隔声量。实测结果如图8所示。其中，三角框实线为本发明实施例结构单元对应的隔声量曲线，圆框实线为本发明实施例2结构单元去掉内部填充的玻璃纤维棉8后对应的隔声量曲线；方框实线为本发明实施例2结构单元去掉薄膜9和内部填充的玻璃纤维棉8后对应的隔声量曲线，图中右上角为该样品实物照片。可以明显看出，方框实线对应构型的隔声量在三者中最小，而三角框实线，即本发明实施例2结构单元的隔声量在三者中最大。相较于方框实线，圆框实线对应的结构单元增加了一层薄膜9，不但可以充分利用边界约束框1和框内约束体2的另一个表面，而且又形成了一层振动单元。由此形成的两层振动单元可以实现多种振动模式的叠加组合，对声波进行更加有效的隔离，其在全频段内的隔声量整体抬升了约10dB。在圆框实线对应的结果单元基础上，内部填充玻璃纤维棉8，又可以整体提高隔声量3～5dB。

本领域技术人员均知道薄层纤维棉(厚度10mm以下)的吸声系数在500Hz以下的中低频均很低，约在0.3以下，所以薄层玻璃纤维棉很难在500Hz以下频段有明显的吸声降噪效果。但是在本实施例中，薄膜3和薄膜9之间填充约10mm厚的玻璃纤维棉却能使得整体隔声量有3～5dB的提升，其原因在于，两层薄膜的互相贴近，利用产生的衰减波相互作用，使得两膜之间产生强烈耦合，将两膜之间的声压急剧升高，声能密度加大，即便是填充薄层的吸声材料，此时其吸声效率也将大幅增加，从而在不增加吸音材料厚度和重量的前提下大幅降低透射声能，收到超常的低频降噪效果。

实施例3声学超材料复合结构的制备及性能测定

将实施例1制备声学超材料基本结构单元在面内方向(xy平面)排列分布，形成声学超材料板5。选用1英寸厚流阻率为21000/Nsm^-4的玻璃纤维棉板10和1mm厚的6063铝合金板11制成传统声学材料板。将声学超材料板和传统声学材料板直接接触并稍许挤压形成的如图9所示的声学复合结构。对其进行驻波管隔声量测定，实测曲线如图10。其中，圆点实线对应本发明实施例3样品的隔声量；十字实线对应1mm均匀6063铝合金板11的隔声量。本发明所述的实施例3样品为圆形，直径为225mm，其中样品中所采用的声学超材料5的尺寸和材料同所述的实施例1。据图可知，均匀6063铝合金板的隔声量曲线在100Hz附近出现了低谷，其原因是铝板在该频率产生了第一阶共振模式，从而导致了声波的全透射。在铝板构型的基础上铺设玻璃纤维棉板10及所述的声学超材料5后的隔声量正好将该频段的低谷进行了弥补和提升。由此可见，将本发明所述的声学超材料的工作频段设计在现有工程结构隔声薄弱的环节，可显著提升该频段内整体结构的隔声效果。

实施例4其他形状框内约束体的声学超材料基本结构单元的制备及性能测定

使用FR-4玻璃纤维制成内边长为63mm，外边长为66mm，高度为10mm的正方形边界约束框1，使用FR-4玻璃纤维制成如图11(c)所示的框内约束体14，将边界约束框1与框内约束体14通过黏贴连接，将原本相邻的两个结构单元打通，使得边界约束框1成为一个长方形结构，所述的框内约束体14通过两个约束区域与薄膜相连，约束薄膜的振动模式。第一薄膜3选用厚度为0.05mm的聚醚酰亚胺(Polyetherimide)薄膜，所述的第一薄膜3在自由伸展状态下与所述的边界约束框1和框内约束体14连接贴合，所述的框内约束体14与所述的第一薄膜3中心区域贴合的两个接触区域为半径为5mm的圆形。从而得到了一个如图11(c)所示的声学超材料基本结构单元样品。对其进行有限元仿真测试，结果见图12。由图可见，该结构单元形式在0～500Hz频段内出现了两个隔声量尖峰，分别位于60Hz和380Hz处。图12中还给出了两个隔声量尖峰频率对应的结构单元振动模式。

通过上述实施例可以看出，本发明可以通过人为设计框内约束体的位置和形状，实现对薄膜特定振动模式的约束，从而方便地定制声学超材料的隔声工作频率。

最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种声学超材料基本结构单元，其特征在于，其包括边界约束框、在所述的边界约束框内设置有框内约束体，在边界约束框的上下表面的至少一个表面上覆盖有薄膜。

2.如权利要求1所述的声学超材料基本结构单元，所述的边界约束框和其内的框内约束体刚性连接，薄膜覆盖在边界约束框上，并受框内约束体约束。

3.如权利要求1或2所述的声学超材料基本结构单元，其中所述边界约束框内至少有一个框内约束体。

4.如权利要求1-3所述的声学超材料基本结构单元，其中所述边界约束框的上下表面均覆盖有薄膜；优选两层薄膜的厚度及材料分别相同。

5.如权利要求4所述的声学超材料基本结构单元，其中在两层薄膜中间填充多孔吸声介质；优选所述多孔吸声介质为玻璃纤维棉或开闭孔泡沫。

6.如权利要求1-5任一项所述的声学超材料基本结构单元，其中所述的边界约束框的形状使其在基本结构单元周期延拓方面实现最大面积占比；优选形状是矩形、正六边形或正方形。

7.如权利要求1-6任一项所述的声学超材料基本结构单元，其中所述的框内约束体与边界约束框上下表面齐平。

8.如权利要求1-7任一项所述的声学超材料基本结构单元，其中所述的框内约束体大小使其与薄膜接触面积最小；优选所述框内约束体与薄膜通过点、线、面接触；更优选接触形成的形状是对称规则的几何形状；更优选所述的几何形状为圆形、正方形或正多边形。

9.如权利要求1-8任一项所述的声学超材料基本结构单元，其中所述的边界约束框和框内约束体的材料为铝材、钢材、橡胶、塑料、玻璃、高分子聚合物或复合纤维材料。

10.如权利要求1-9任一项所述的声学超材料基本结构单元，其中所述薄膜的材料为柔性材料；优选所述薄膜的材料为高分子聚合物薄膜材料；更优选所述薄膜的材料为聚氯乙烯、聚乙烯或聚醚酰亚胺。

11.一种包含权利要求1-10任一项所述声学超材料基本结构单元的声学超材料板。

12.根据权利要求11所述的声学超材料板，其中，所述声学超材料基本结构单元在面内方向排列分布。

13.根据权利要求11或12所述的声学超材料板，其中所含的声学超材料基本结构单元的大小、材料和材料参数分别相同。

14.一种装配权利要求1-10任一项所述声学超材料结构基本单元，装配权利要求11-13任一项所述声学超材料板的方法，其特征在于，将所述的边界约束框和其内的框内约束体刚性连接，将薄膜在自由伸展状态下覆盖在边界约束框上。

15.一种含有权利要求11-13任一项所述声学超材料板的声学复合结构。

16.根据权利要求15所述声学复合结构，其中所述声学复合结构进一步含有传统声学材料板。

17.一种调节权利要求1-10任一项所述声学超材料基本结构单元，权利要求11-13任一项所述声学超材料板或权利要求15或16所述声学复合结构的隔声频段的方法，其特征在于，通过改变所述声学超材料的边界约束框、框内约束体及薄膜的结构尺寸和材料参数来实现调节声学超材料的工作频率。