CN105551476B - 一种基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料 - Google Patents

一种基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料，其包括若干个吸声单元，每个吸声单元包括框架，柔性薄膜，以及八个质量均不相同的质量块；框架呈田字形设置；柔性薄膜张紧固定在框架上形成四个对等的消声单元；八个质量块两两分为一组，且分别一一对应的固定在消声单元的薄膜上；若干吸声单元在框架平面内向四周扩展拼接形成基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料。本发明整体结构主要由柔性薄膜和质量块系统组成的四边形吸声单元材料，质量块之间的非对称分布使得其动力学特性表现为具有多个等效质量密度为零的频率点，即具有多个吸声系数的峰值；在非对称模式的影响下，结构的总弹性应变能在全频段内高于对称模式的应变能。

Description

一种基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料
技术领域
本发明涉及用于低频减振降噪的吸声材料，具体为一种基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料。
背景技术
现代社会中噪声无处不在，既有来自高速公路、高速铁路的交通噪声，也有来自建筑工地的施工噪声和大型厂矿的工业噪声以及日常生活中的生活噪声等。人们想出了各式各样的办法来减振降噪，减小或消除噪声带来的不利影响。噪声不仅仅代表着无用，而且更重要的是对人体和机械都具有很严重的负面影响。其中低频噪声的危害更加严重，其控制长期以来都是一个很有挑战性的课题，由于普通材料在低频附近耗散率比较低，低频噪声传播过程中穿透力强，难以衰减。所以低频噪声的治理一直都备受关注。
形成结构振动并产生噪声辐射的本质原因通常可归结于结构中的弹性波传播效应，以及结构弹性波与周围声介质(如空气、水)的相互耦合作用。因此，对结构中的弹性波行为进行调控是实现结构减振降噪的一种有效手段。最近，在声物理发展的前沿，“声子晶体”和“声学超材料”等新概念的提出为实现“人为操控弹性介质及结构中的波传播”的研究工作掀开了崭新篇章。其中超材料是近年来发展起来国际学术界的一个研究热点。近年来，有关超材料的新思想、新成果和新应用领域层出不穷，使超材料的研究领域飞速发展。膜类声学超材料则是近年来在局域共振声子晶体和声学超材料的基础上发展起来的一类具有“双负”声学特性的材料。该超材料能够在一定的低频频率段内表现出一般材料所不具有的声学特性：梅军、Z.Yang等提出了一种薄膜型声学超材料，采用柔软膜类和小质量块的结构，使得在100Hz～1000Hz的频率范围内有着良好的隔声量，并在透射峰值处存在着负等效质量密度；ChristinaJ.Naify等提出一种基于局域共振机理的膜类声学超材料，在100Hz～1000Hz的一些频率打破了质量定理的预测，而且可以通过调节共振质量块的大小来改变隔声量峰值等。近年来的研究成果都说明了膜类声学超材料已经成为了新一代隔声吸声性能的研究对象，有着潜在的应用价值。
但在处理低频问题时，膜类声学超材料虽然有着良好的低频特性，但共振频率的降低是以牺牲共振带宽为代价的，大量学者提出的吸收型膜类声学超材料在中频段内有一个宽频吸声，但低频段只有一个较窄的带宽。怎样在保证低频吸声特性的同时，让结构也能具有一个宽频的特性，这是一个亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料，在保证吸声材料的低频特性上，通过结构设计使得材料同时具有宽频吸声的效果，较现有的吸声材料具有全面的低频宽带性能提升。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料，包括若干个吸声单元，每个吸声单元包括框架，柔性薄膜，以及八个质量均不相同的质量块；框架呈田字形设置；柔性薄膜张紧固定在框架上形成四个对等的消声单元；八个质量块两两分为一组，且分别一一对应的固定在消声单元的薄膜上；若干吸声单元在框架平面内向四周扩展拼接形成基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料。
优选的，质量块采用半圆铁片制成，半圆铁片的横截面相同，厚度均不一样。
进一步，每一组中的半圆铁片呈直径侧相邻的对称设置。
优选的，框架包括均呈田字形设置的两部分，薄膜层张紧固定在框架上下两部分的中间。
优选的，框架采用有机玻璃或金属材料制成。
优选的，柔性薄膜采用甲基乙烯基硅橡胶制成。
优选的，框架与柔性薄膜之间，以及柔性薄膜与质量块之间均采用粘结固定。
进一步，粘结采用单组份的瞬间固化粘合剂。
优选的，每个质量块的质量M与对应的吸声峰值频率f关系为，其中const为常数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明整体结构主要由柔性薄膜和质量块系统组成的四边形吸声单元材料，质量块之间的非对称分布使得其动力学特性表现为具有多个等效质量密度为零的频率点，即具有多个吸声系数的峰值；从弹性应变能的角度来看，在非对称模式的影响下，结构的总弹性应变能在全频段内高于对称模式的应变能，结构整体的吸声性能得到了极大的提高，吸声带宽从原来的窄频扩大为宽频。更为重要的是，吸声结构整体的面密度很低，材料便宜，易于实现。
进一步，该低频宽带吸声材料可以适应各种复杂环境的要求。其制造过程工艺快速简单，便于工业化批量生产。采用便于加工的金属和硅胶薄膜材料作为主要制备材料，重量小，可以在不影响设备整体性能的同时，达到减振降噪的要求。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图。
图2是本发明XY界面的结构示意图。
图3是本发明XZ界面的部分结构示意图。
图4是本发明实例所述低频宽带吸声材料的吸声系数
图中：1～8为八个质量不等的质量块；9层柔性薄膜；10框架。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供一种可以用于各种低频设备和场所的低频宽带吸声材料和结构，采用非对称质量块的布置方式，目的是将低频吸声结构的窄频特性扩大为宽频，所以该吸声材料不仅在低频段内有良好的吸声能力，更重要的是同时也具有宽频吸声的特性。柔性薄膜采用比较软的甲基乙烯基硅橡胶制成的薄膜，该材料通过粘结剂同质量块和框架粘结成为整体，构成了优良的低频宽带吸声材料。
如图1所示，具有低频宽带的吸声材料由框架10、柔性薄膜9和拥有不同质量的质量块1～8组成。优选的质量块采用半圆铁片制成，框架层10的材料是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的有机玻璃材料，柔性薄膜9是甲基乙烯基硅橡胶制成的薄膜，框架层10和柔性薄膜9之间通过单组份瞬间固化粘合剂粘合；半圆形铁片各自拥有不同的厚度，半圆形铁片和柔性薄膜9之间也通过该粘合剂粘合起来，进而形成一个整体。
该低频宽带吸声材料的每块质量块的横向面积保证一致，通过改变每块质量块的厚度来实现不同的质量分布。在工程实践中，也可以采用其他的质量块来代替铁片，但必须保证替换质量是一致的。其中该材料中的各个质量块的质量比如下所示：M1代表质量块1的质量，以此类推，每一个比例都根据质量比对吸声峰值的影响进行合理的调节，最终整理后的比例如下表1所示。
表1 低频宽带吸声材料的质量块比例表格
该低频宽带吸声材料的柔性薄膜9采用硅胶薄膜，在实际的运用当中需要预先加入一定的预应力来保证薄膜具备一定的刚度。该方法可以通过一些薄膜的拉伸装置，如行星轮拉伸装置等，来进行薄膜的拉伸张紧，优选的框架10呈两部分设置，将柔性薄膜9设置在框架10的中间，从两面看都是田字形，同时更好的保证了柔性薄膜9的张紧固定。
吸声材料的框架10可以采用附图中的“田”字形有机玻璃框架，也可以采用其他的框架材料如金属材料或者轻质合金等，但必须保证框架本身拥有足够的力学性能。其加工方法采用激光切割或者铣床。
粘结剂的材料采用单组份的瞬间固化粘合剂，也可以采用其他的工业用胶，注意质量块和柔性薄膜、框架和柔性薄膜的粘结要求。在室温下即25℃下将质量块1～8或者框架层和柔性薄膜9处理洁净，然后将两者然后粘在一起，粘合后固定2-5分种。粘结层的厚度不宜过大，在粘结过程中，注意涂抹均匀，务必保证质量块和框架层的边沿很好的粘接到薄膜上。
本发明利用结构的不对称性造成的多个共振模式，从而拓宽了低频段内的吸声效果；结构上设计简单，仅仅采用很薄的柔性薄膜和八块不相等半的圆形质量铁片就实现了用小尺寸结构达到低频段的吸声特性，并且更重要的是在整个低频段内都具有一个很高的吸声系数。既实现了低频的需求，也解决了宽频的难点问题，一举两得。具体的吸声曲线如图4所示，每个峰值都是由不同质量块产生的，相比于其他类型的吸声材料，在非对称模式的影响下，该结构的吸声明显具有宽频效果。本发明可以使用在船舶、航空器、工厂、公路、机动车辆、轨道交通、建筑工地以及各种公共场所和娱乐场所的低频噪声环境中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施方式而已，而不限于本发明的保护范围，凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应该包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料，其特征在于，包括若干个吸声单元，每个吸声单元包括框架，柔性薄膜，以及八个质量均不相同的质量块；框架呈田字形设置；柔性薄膜张紧固定在框架上形成四个对等的消声单元；八个质量块两两分为一组，且分别一一对应的固定在消声单元的薄膜上；若干吸声单元在框架平面内向四周扩展拼接形成基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料；
质量块采用半圆铁片制成，半圆铁片的横截面相同，厚度均不一样；每一组中的半圆铁片呈直径侧相邻的对称设置；
每个质量块的质量M与对应的吸声峰值频率f关系为其中const为常数。
2.根据权利要求1所述的一种基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料，其特征在于，框架包括均呈田字形设置的两部分，薄膜层张紧固定在框架上下两部分的中间。
3.根据权利要求1所述的一种基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料，其特征在于，框架采用有机玻璃或金属材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料，其特征在于，柔性薄膜采用甲基乙烯基硅橡胶制成。
5.根据权利要求1所述的一种基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料，其特征在于，框架与柔性薄膜之间，以及柔性薄膜与质量块之间均采用粘结固定。
6.根据权利要求5所述的一种基于非对称膜类亚波长结构的低频宽带吸声材料，其特征在于，粘结采用单组份的瞬间固化粘合剂。
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