CN105637580A - 声波与振动能量吸收超材料 - Google Patents

Abstract

本发明利用了大致上对声波透明的平面刚性框架来构建吸声板，其中该框架被分割成多个大致上二维的独立单元。具有柔韧性的薄膜被固定在刚性框架上，并在柔性材料薄膜上固定多个薄片，由此每个单元具有各自的薄片，从而建立了共振频率，以增强吸声板的吸声系数。柔性材料可以有褶皱或是皱纹，从而使有效弹性系数减小。褶皱或皱纹可使弹性材料具有超过同样类型的平面材料可承受的变形，并保证足够的机械强度来支撑多个薄片。

Description

声波与振动能量吸收超材料

技术领域

本发明涉及能量吸收材料，特指吸收声波能量并提供屏蔽或声波障碍，而且还涉及可利用的声波吸收系统，尽管该系统在几何形状上保持开放。

背景技术

一直以来，低频声波和振动的衰减都是一项挑战性的工作，主要原因在于耗散系统的耗散机理受到线性响应原理的支配，该原理清晰地表明了摩擦力和能量流都与速率呈线性比例关系。耗散能量和速率存在二次方的函数关系，因此，对均匀材料而言，其对低频声波的吸收率差。为了能够提高低频下的耗散，通常需要增大相关材料内的能量密度，比如说，通过共振的方式来达到此目的。

发明内容

吸声板由大致上对声波透明的平面刚性框架构成，该框架被分割成多个独立的大致上二维的单元。弹性材料薄膜被固定在刚性框架上，并且多个薄片固定在此弹性材料薄膜上。从而得到这样的配置，其中每个单元具有各自的薄片，由此建立了共振频率。此共振频率由各独立单元的平面结构、弹性材料的弹性、以及位于弹性材料上的各薄片共同决定，它们将会共同带来吸声板吸声系数的增加。弹性材料可拥有褶皱或皱纹结构而扭曲变形，从而可以减低材料的弹性。褶皱或皱纹结构可以允许此类弹性材料承受比同类型平面材料更大的扭曲变形，但仍然可以保持力学强度以支撑多个薄片。

在另外一种配置中，一种声波/振动能量吸收超材料具有附加至封闭的平面框架的弹性薄膜，所述弹性薄膜上附加有一个或多个刚性薄片。刚性薄片均具有非对称的形状，其与弹性薄膜相连的一些地方具有基本上呈直线的边界，由此刚性薄片构成了具有预设质量的单元。所安装的刚性薄片的位移引起弹性薄膜施加弹性回复力。结构的振动形式包含了多个共振频率可调的共振模态。

附图说明

图1A示出了单元的吸声系数。

图1B表示图1A的样品在172Hz频率处，位置与振幅的对应关系。

图1C表示图1A的样品在340Hz频率处，位置与振幅的对应关系。

图1D表示图1A的样品在710Hz频率处，位置与振幅的对应关系。

图1E为图1A-1D中样品单元的照片。

图2给出了杨氏模量的值

图3给出了样品薄膜位移与吸声系数的关系。

图4给出了计算得到的弹性势能分布密度(左列)，应变张量的迹(中列)，xy平面内的位移w(右列)。

图5A给出了两层薄膜的样品的测量吸声系数。

图5B为两层薄膜的样品的照片。

图6A和6B表示了172Hz频率附近吸声峰与质量平方根倒数(图6A)以及813Hz频率附近与片间距倒数(图6B)的关系。

图7A和图7B分别给出了单层反射类型的薄膜反共振吸声系数(图7A)以及5层反射类型的薄膜反共振吸声系数(图7B)。

图8为45°声波斜入射时的实验装置图。

图9给出了声波在不同入射角度时测得的吸声系数：0°(图9A)，15°(图9B)，30°(图9C)，45°(图9D)，60°(图9E)。

图10A-10C给出了第一种侧面安装超结构的示意图。图10A是俯视图，图10B是前视图，图10C是侧视图。

图11A-11C给出了第二种底部安装超结构的示意图。图11A是俯视图，图11B是前视图，图11C是侧视图。

图12A-12C给出了第三种侧面安装超结构的示意图。图12A是俯视图，图12B是前视图，图12C是侧视图。

图13A-13C给出了第四种底部安装超结构的示意图。图13A是俯视图，图13B是前视图，图13C是侧视图。

图14给出了某个测量样本的示意图。

图15给出了分别利用包装塑料膜和橡胶薄膜作为弹性薄膜材料的两种样品的吸声系数的频谱图。

图16给出了包含两个单元的结构的前三个最低特征频率的有限元仿真结果。

图17A和17B给出了包含褶皱薄膜的声衰减结构示意图，该结构可用于声屏蔽，该结构的每个单元内包含一个薄片。图17A为侧视图，17B为俯视图。

图18A和18B给出了包含褶皱薄膜的声衰减结构示意图，该结构可用于声屏蔽，其中褶皱或皱纹薄膜上包含了多个薄片。图18A为侧视图，18B为俯视图。

具体实施方式

概述

术语“超材料”从性质上来讲，是一种与入射波耦合并具有共振特征的结构。在一个开放系统里，辐射和共振的耦合可以作为另一种有效降低耗散的方式。尽管声学超材料的出现拓宽了材料特性的可能领域，但迄今为止，还没有发现可以有效吸收低频声波的亚波长尺度共振结构。与此同时，各种各样的用于吸收的电磁超材料不断涌现，借助超材料引导入射波进入耗散性空洞的“光学黑洞”也已经实现。

现在已经证实，利用弹性薄膜材料和预先设计的刚性薄片结构而构造的声学超材料可以在170Hz频率处吸收86％的声波能量，而对于的两层此类结构，无论在最低频的共振模态，或者在较高频率的共振模态上则可吸收高达99％的声波能量。因此，在这些频率处，样品在声学意义上的“暗”材料。有限元仿真得到的共振频率和共振模态与实验高度吻合。值得一提的是，激光多普勒测振仪测量的共振模态位移场显示在薄片周围其斜率是不连续的，这就表明，曲率能量在此类小区域得到了极大的增强，但却很小与辐射模态耦合；因而，尽管系统本身是几何开放结构，但此类结构所产生的强吸收效果却和封闭空腔系统类似。

需要指出的是，本专利提出的薄膜型超材料，其工作原理和先前的研究工作是不同的，先前的工作原理主要利用在两个本征共振频率之间的反共振频率处，结构本身和声波脱耦(还伴随着动态质量密度发散)，进而导致强反射。没有耦合，在反共振频率处自然也就几乎没有吸收。但即使在共振模态的情形下，耦合虽然较强，测量得到的吸声系数仍然比较小，这主要是因为此时共振模态和辐射模态的强耦合导致了较高的透射。而与此形成鲜明对比的是，暗声超材料的高能量密度区域与辐射模态的耦合很小，因而虽然是个开放的空腔系统，也可以实现全吸收。

在这种配置方式下，反共振并没有显著的吸声作用。只有在用作声屏障时，反共振才会占据主导地位，但对于声吸收来讲，反共振则显得不重要了。

在包括附加了刚性薄板或薄片的弹性薄膜的装置中，其振动能量可以高度集中于某个特定区域，例如薄片的边缘，从而可以通过薄膜的内部摩擦将振动能量不断地转化为热能而耗散掉。因此该装置能够有效吸收传递至其上的振动能量；即，可以用作吸收固体中弹性波的振动阻尼器。无论是空气中的声波或者是固体中的弹性波，振动波都将激励薄膜振动，进而被该装置极大地耗散掉。而此类装置的工作频带可以通过适当地设计而予以调整，从而可以吸收不同环境下不同振动源所产生的振动波能量。当此类装置附加于某需要减振的主固体结构上时，比如长梁，板块(例如，汽车底板或车身)，主结构的振动波会通过结构框架引起附加的薄膜装置的共振，从而引发机械能量的耗散。例如，当此类装置安装在空腔结构里埋置于地下，则可以吸收来自于过往火车所产生的地表弹性振动波，甚至于地震波。现有技术处理建筑物隔振时，需要将整栋建筑建造在振动吸收器之上，而此类吸收器一般均包含了大量的钢加强橡胶垫和/或阻尼弹簧。并且，隔离器和建筑要同步设计施工。而本发明所公开的装置可以无需改变已有建筑的基础，只需围绕建筑四周埋置此类装置即可。例如，围绕火车站周围同样可以做一个隔离带，从而可以将过往火车的振动予以吸收。

本振动吸收装置包含了一系列固定在刚性框架上的二维单元网格结构。此外，本结构和先前装有刚性薄片的弹性薄膜结构的主要区别在于，刚性薄片之间装有摩擦铰链结构，用来吸收振动能量。在一种配置中，所述装置基本上与装有刚性薄片的弹性薄膜的配置相同，不同之处在于不再需要硬质薄片。或者，可通过摩擦铰链连接薄片。在这两种配置中，弹性薄膜可装在薄片的边缘或底部。

例子

图1A-1D给出了在图1E所示出的单元阵列中所使用的某一单元的吸声系数特性。图1A给出了图1E中示出的单元的吸声系数。在图1A中，曲线111代表了样本A的测量吸声系数。其中，在172Hz、340Hz和813Hz处的吸声峰值分别用箭头在底部横轴上标识出来。而在172Hz、340Hz和710Hz处的其他箭头表示有限元仿真所预测的吸收峰频率的位置。实测得到的吸声系数曲线111处的D点表示在813Hz有一吸声峰值。而710Hz处的箭头代表了理论计算得到的理论峰位置。理想情况下，710Hz和813Hz这两个值应完全吻合，两者的不一致也说明，理论计算结果不能精确地预测出样本A的吸声特性，这可能是由于样品本身的物理特征没有用模型清晰地表示出来。

图1A中吸声单元包含一长方形弹性薄膜，尺寸为31mm×15mm、厚度0.2mm。弹性薄膜固定在一相对较硬的刚性框架上，其上放置两片半圆形铁片，铁片的半径为6mm，厚度是1mm。铁片有意设计为非对称形状，目的在于引入“摆动”模式，如下所示。相对较硬的网格可以被视作一个封闭的平面框架，其尺度可从数十厘米延展至数十米不等。此外，铁片可以被其他任何刚性或半刚性的非对称薄片代替。样本A即具有此种结构，在图1A中，xy平面刻画了此种结构，在y方向有两个分离的铁片。声波沿z方向入射。这个简单的单元主要被用来理解有关的机理，以及和理论预测结果作对比。

如图1B,1C，和1D所示，三个横截面剖图表示结构的振动模式。上述三个截面图取自结构的中心线，分别代表了图1A中的B、C、D三个频率点。图1B、1C和1D中示出的截面图表示了吸声单元纵向位移w沿x轴方向的分布。截面图中的直线部分(7.5mm≤|x|≤13.5mm)表示了薄片的位置，该薄片可视为是刚性的。在截面图1B，1C，和1D中，圆串曲线131，132，133表示激光测振仪的测量结果。而实曲线141，142，143代表有限元仿真结果。图1E给出样本A的照片。

图1A中给出了样本A的吸声系数实测曲线，在172Hz，340Hz，813Hz三个频率附近取得吸收峰值。其中，最为引人注目的是在172Hz处的吸收峰，超过70％的入射声波能量被耗散，对于仅有200微米厚度的吸声薄膜来讲，在如此低的频率取得这样的效果是令人难以置信的，因为此时空气中的波长大约为2米。图1A显示出这种现象直接来自于薄膜的共振模式。

图1A中，172Hz，340Hz，710Hz处的箭头表示计算的吸收峰值频率。计算中所用橡胶薄膜的杨氏模量取值为1.9×10⁶Pa，泊松比为0.48。

实验中，薄膜的制造材料为硅橡胶Silastic3133。薄膜的杨氏模量和泊松比分别通过实验测量得到。

图2给出了杨氏模量的数值。圆圈211，222，223分别表示了不同频率处的杨氏模量E的实测值。虚线表示了在所考虑的频率范围内杨氏模量的平均值1.9×10⁶Pa。

杨氏模量的测量采用了“ASTME-756三明治梁”结构，利用钢基梁(无膜)和含有夹心层薄膜材料(梁之间夹有薄膜)时的性能差异得到薄膜材料的动态力学参数。实验中，得到了不同频率处薄膜材料的剪切模量μ。薄膜的泊松比μ大约为0.48。因此，根据不同弹性系数之间的关系式，杨氏模量为：

E＝2μ(1+ν),(1)

不同频率处的杨氏模量(E)由如图2中圆圈211，222，223所示。对样本所采用的材料而言，其杨氏模量值E在所关心的频率范围内从1.2×10⁶Pa变化到2.6×10⁶Pa。为了简化模型分析，采用了与频率无关的杨氏模量值E＝1.9×10⁶Pa(如图2中虚线所示)。

杨氏模量的虚部采用了Im(E)≡ωχ₀的形式，通过拟合吸声系数得到χ₀＝7.96×10²Pa·s。仿真得到了许多本征模态。其中，只选用了左右对称的模态，因为非对称模态不会与正入射的平面声波发生耦合。计算得到的吸收峰值频率分别为172，340，和710Hz，(如图1A箭头标识)，与实验观测得到的峰值频率吻合很好。

图1B，1C和1D分别给出了单元三个吸声峰值频率处，沿x轴分布的z向位移w的剖面图。其中，圆形表示激光测振仪的实验测量结果，实线表示有限元仿真结果。二者吻合良好。然而，剖面图中最突出的特征是，虽然z向位移w在薄片周长的位置上是连续的(其位置为剖面图中的直线部分，其曲率为零)，但w的垂直于周边的一阶空间导数却存在尖锐的断点。对于低频共振，这种不连续性来自两个相对于y轴对称的半圆薄片的“摆动”；而在712Hz频率共振时，中心薄膜区域振动很大，而两个半圆薄片却像“锚”一样固定不动。

薄片的摆动模式并非单纯地沿z轴的平向运动(垂直于薄膜平面)。以摆动模式振动的薄片，其各个部分相对于平衡位置具有不同的位移(相对于平衡位置而言)。从物理上来讲，薄片的摆动模式可以看作沿z轴的平动和沿平行于x轴转动的叠加运动。

这些模态的特征决定了其共振频率的调节方式：如图1E所示，摆动模态的共振频率随着薄片质量平方根倒数而改变，而薄膜共振模态的频率随着图1E中所示的两个半圆形薄片间距离的改变而增加或减小。中间频率的模态同样是摆动模态，但是在两翼的末端呈反相。而薄片的非对称形状加剧了这一摆动模式。

另外一种类型的单元，即样本B，尺寸为159mm×15mm，由8片相同的薄片组成，每4片为一组，对称粘贴在薄膜上面(片间距离为15mm)，组间距离为32mm。样本B可以在很多低频处达到吸声系数接近1的吸声效果。

图3显示了样本B的吸声系数随薄膜位移变化的测量结果，通过在薄膜后面放置一铝反射板，可以改变薄膜的声阻抗。铝反射板可以放置在薄膜后面的不同距离的近场处，从而取得所需的吸声效果。圆曲线321-325给出了172Hz频率时，薄膜与铝反射板之间的距离由7mm变化至42mm时(步长为7mm)，试验测得的薄膜吸声系数与薄膜位移之间的关系。水平虚线341表示了移走铝板时的吸声系数，即薄膜与铝板之间的距离为无穷大。

图3中，给出了172Hz频率的入射声波在声压为0.3Pa时，所测得的薄膜最大的纵向位移与吸声系数的函数关系。圆曲线321-325分别表示了薄膜与铝反射板之间的距离由7mm变化至42mm(步长为7mm)时，吸声系数的变化。可以看到，空气垫可以增强吸收，当距离增大至42mm时，吸声系数可以高达86％。这个距离大约为波长的2％。当继续增大此距离时，吸声效果开始变弱，最终到达虚线341所示之值。

为了更深入的解释强吸收的原因，我们考察在固体弹性薄膜中传播的弯曲波(或柔性波)，其波场满足如下双调和方程：

${\▿}^{4}w-(\mathrm{\ρ}h/D){\mathrm{\ω}}^{2}w=0,$

式中，D＝Eh³/12(1-ν²)为抗弯刚度，h为薄膜的厚度。

对应的单位面积弹性曲率能量密度为：

$\mathrm{\Ω}=\frac{1}{2}D\[{\left(\frac{{\∂}^{2}w}{\∂x^2}\right)}^2+{\left(\frac{{\∂}^{2}w}{\∂y^2}\right)}^2+2v\frac{{\∂}^{2}w}{\∂x^2}\frac{{\∂}^{2}w}{\∂y^2}+2(1-v){\left(\frac{{\∂}^{2}w}{\∂x\∂y}\right)}^2\].---\left(2\right)$

由于Ω是法向位移w的二阶空间导数的函数，若w的一阶空间导数在铁片边缘不连续，那么很容易推断，面能量密度Ω在这些区域的数值会非常大(当薄膜厚度趋于0时会发散)。此外，由于二阶导数是二次方的，经面积分后得到的总势能也必然很大。随着厚度h趋于无穷小，薄膜系统的振动模式可以看作是壳模型的弱形式解。尽管在铁片边界上双调和方程无法严格成立(因为二阶空间导数不存在)，但除去这些测度为0的点集外，弱形式解仍然可以保证相应的拉格朗日量取得极小值。

图4为计算得到的弹性势能密度分布(左栏)，应变张量的迹ε＝ε_xx+ε_yy+ε_zz(中栏)，以及xy平面的位移w(右栏)。这些行为是铁片并非单纯的z向平移运动的后果。由于铁片发生拍动，因此不同部位相对于其平衡位置的位移是不同的。从物理上讲，铁片的拍动可以看作是铁片沿z轴方向的平移运动和绕平行于x轴的一个轴的旋转运动的叠加。从上到下的三排图分别对应三个吸声峰值频率，即190Hz，346Hz，和712Hz。左中栏的彩条表示相对幅值大小，数值以10为底的对数表示。右栏的彩条则是线性标度的。由于这些共振模式关于x轴是镜面对称的，为了获得更清晰的显示，我们只画出了左半部分。图中竖直的蓝色虚线代表镜面对称平面。

理论预测Ω在边界区域会有很大的数值，这可从图4中可以清楚地看出，图中分别画出了通过COMSOL软件模拟得到的3个吸声峰值频率处的弹性势能密度U(左列，其中不同的颜色代表取以10为底的对数后的数值)和xy平面内的法向位移w(右列)的分布(薄膜的中截面)，从上到下依次对应于190Hz，346Hz和712Hz。可以看出，在铁片边缘区域的能量密度比其他区域最大高出4个数量级，此外，在单元薄膜被固定住的上下边界附近，能量密度也很高。通过数值模拟结果还可以发现，弹性能密度U在这些边界区域内的积分分别占整个系统的总弹性能量的98％(190Hz)、87％(346Hz)和82％(712Hz)。由于局部能量耗散正比于能量密度与耗散系数的乘积，高能量密度所带来的乘法效应会使整个系统的总体吸声能力明显增强。这一事实可以从图4中列所示的3个吸声峰值频率附近的应变场分布看出。在铁片边缘区域的应变为10^-3到10^-4的量级，比薄膜其他部分的应变至少大1到2个数量级。

在通常的开放系统中，高能量密度除了被吸收掉以外，还可通过透射声波和反射声波的方式辐射出去。值得注意的是，本暗声学超材料包含大量弹性能量集中的小体积，因而可以看作是开放的共振腔：薄膜平面的横向约束通过垂直方向的约束而得到增强，铁片和薄膜之间的相对运动对薄膜的平均法向位移几乎没有贡献。因此，从空气中声波的色散关系可看出，薄膜与铁片间的相对运动一定发生在尺维度远小于样品尺寸的情况下，即d<<λ，其中下标(||)和(⊥)表示平行和垂直于薄膜表面方向上的波矢分量，所以铁片与薄膜之间的相对运动只能与垂直方向上的衰减波耦合，此时只有薄膜的平均法向位移(薄膜做类似活塞运动)才有取得零峰值的k_||分量，因而产生垂直方向的辐射。然而，由于高能量密度区域所占的横向面积很小，因此对整个系统的平均法向位移几乎没有贡献。

根据弹性波的Poynting定理，薄膜中耗散的能量可以用以下公式计算：

Q＝2ω²(χ_o/E)∫UdV.(3)

吸声系数定义为Q/(PS)，其中P＝p²/(ρc)表示入射声波Poynting矢量，S为薄膜的面积，p是压力幅值。根据这些物理参数，计算得到的三个共振频率处(按频率增加顺序)的吸声系数分别为60％，29％，和43％。它们之间的相对大小关系和实验数据相吻合，尽管绝对数值比实验数据低10％到20％。这一差异归咎于实际样品不可能具有完美的对称性，因而即使是正入射的平面波，依然可以激发一些非对称的振动模式。考虑到这些非对称振动模式的频谱宽度，最终会导致背景吸收，而这并未考虑在理论预测结果内。

需要指出的是，本发明的薄膜类型的超材料与以前的隔声材料是不同的，先前的隔声材料吸声机理基于在两个共振频率之间存在一个反共振频率，此时，结构本身与声波是解耦的(即动态质量密度是发散的)，这必将导致强反射的发生。当然，无耦合时自然不会有任何吸声效果。但即使在共振频率下，实测吸声系数仍然是相当低，原因在于与辐射模态的强耦合导致了声透射系数很高。与之形成对比的是，暗声学超材料的高能量密度区域与辐射模态耦合很小，因此，即使作为一个开放的空洞系统，其吸声系数仍然可以高达1。

图5A给出了两层样本B结构的实测吸声系数曲线。图5B为实际样品的图片。测试时，在样本的第二层后面28mm处放置一铝反射板，以此来调节整个结构的阻抗。样本的第一层和第二层的距离同样为28mm。可以看到，在164Hz,376Hz,511Hz,645Hz,827Hz和960Hz多个频率处出现了吸声系数峰值。其中，164和645Hz两个频率的吸声系数约为99％。利用COMSOL仿真软件计算了样本B单层结构的吸声峰值频率。其值分别为170Hz，321Hz,546Hz,771Hz,872Hz，和969Hz。在图3中用蓝色箭头标识了这些频率。无需任何可调整参数，计算结果和实验吻合良好。

曲线显示了两层样本B结构的实测吸声系数曲线。一铝反射板被放置在样本第二层后面28mm处，样本的第一层和第二层的距离同样为28mm。参考图5A，可以发现，在164Hz,376Hz,511Hz,645Hz,827Hz和960Hz多个频率处出现了吸声系数峰值。蓝色箭头用来标示有限元仿真计算得到的吸声系数峰频率。二者吻合良好。

图6A和图6B分别给出了172Hz附近的吸声峰值频率随铁片质量平方根倒数的变化规律(图6A)，以及在813Hz附近的吸声峰值频率随铁片间距离倒数的变化趋势(图6B)。图6A中，172Hz附近的吸声峰值频率随着铁片质量M平方根倒数的不断增加而移向高频。图6B中，813Hz附近的峰值频率随着两铁片间距离L倒数的变化而移动。在以上两图中，均采用三角形表示仿真结果，圆圈形表示实验测量结果。

本征模式频率

为了说明这种暗声学超材料与我们以往提出的在反共振频率处具有全反射特性的反射型薄膜声学超材料的不同之处，在此我们简要地描述一下反射型声学超材料的物理机制及其吸声性能。

图7A和7B给出了单层(图7A)和5层(图7B)反共振反射薄膜结构的吸声系数。图中幅值分别表示透射系数、反射系数和吸声系数。图7A中间的曲线为透射系数的幅值，除了最低频率处的中间曲线，图7B中最底端的曲线也是透射系数的幅值。图中顶部曲线(图7A和7B)为反射系数的幅值。图7A较低的曲线为吸声系数的幅值，除了最低频率处的中间曲线，图7B中的中间曲线也是吸声系数。(图7A中的水平直线为较低频率的峰值吸收，因为曲线在图中是重叠的。)

声波的强反射发生在两个相邻的本征共振频率之间。相反，在本征共振频率处，本征模式的激发会导致透射峰，而在反共振频率附近，两个相邻的共振模式的反相叠加导致薄膜系统与辐射模式几乎没有耦合作用。这同时伴随着系统的动态质量密度在此频率附近发散。因而在反共振频率处，声波几乎被完全反射。由于在反共振频率处结构与入射声波完全解耦，图7A中450Hz附近的吸声系数自然很低。但是，我们注意到即使在共振频率附近，该反射型声学超材料的吸声系数依然很低，在较高频率的1025Hz处勉强达到45％，这与暗声学超材料相差甚远。这是由于薄膜的活塞式运动使得薄膜与声波的辐射模式之间有较强的耦合作用，从而产生了较高的透射系数(260Hz处为0.88，1025Hz处为0.63)。

如图7B所示，即使对于5层的反射型薄膜声学超材料，平均吸声系数也只有0.22，最大吸声系数也不超过0.45。而且需要强调的是，我们还特地在5层样品的前后各放置一块带孔洞的软板，有意地增强它的吸收。然而，即使采取了以上有利措施，该系统的吸声表现依然与暗声学超材料相差甚远。

实验装置

样品的吸收系数是用改进的声阻抗管系统测量得到的，系统由两个Brüel&公司4206型阻抗管组成，样品夹在管之间。前管的一端有一个扬声器，以产生平面声波。前管装有2个传声器，以检测入射和反射声波，由此可获得反射振幅和相位。后面一个管子安装第3个传声器，管子尾端放置吸声海绵，用来检测透射声波，从而获得透射振幅和相位。通过3个传声器获得的信号足以确定反射波和透射波的振幅和相位。吸收系数可以根据公式A＝1-R²-T²求得，其中R和T分别表示测得的反射振幅和透射振幅。通过测量已知耗散的材料，已证实经校准的吸收系数的测量结果是准确可靠的。

在图1A中，我们通过激光测振仪(型号为GraphtecAT500-05)检测了3个共振吸收峰附近，样品A的一个结构单元中z方向位移沿x轴的剖面分布函数。

理论和仿真模拟

采用COMSOLMULTIPHYSICS有限元求解软件，得到的数值模拟结果如图1A，图2和图3所示。在模拟中，矩形薄膜边界固定。计算中用了可调的薄膜初始预应力，硅胶薄膜的质量密度、杨氏模量和泊松比分别为980kg/m³、1.9×10⁶Pa和0.48，铁片的质量密度、杨氏模量和泊松比分别为7870kg/m³、2×10¹¹Pa和0.30。空气标准大气压下的参数为密度ρ＝1.29kg/m³，声速c＝340m/s。声波入射、出射平面都设置了辐射边界条件。

声波斜入射下的吸声系数

暗声学超材料，特别是样品B，具有许多个共振模态。在垂直入射的情况下，只有左右对称的共振模式能与入射声波耦合。样品的缺陷会导致许多非对称模式与入射声波相耦合，获得比数值仿真更高的背景吸收，利用斜入射来激发样品B中更多的共振模式可使我们了解更多这类模式的吸收。

图8为45°斜入射实验设置图片。这种设置可以用来调整测试中的入射角度，如图9A到9E所示。图9为测试得到的不同入射角度下的吸声系数：0°(图9A)，15°(图9B)，30°(图9C)，45°(图9D)和60°(图9E)。

利用样本B测量了四个斜入射角度下的吸声系数，分别为15°、30°、45°、60°。斜入射的测量装置如图4F所示。图9A-图9E给出了四个斜入射角度下的吸声系数测量结果。结果显示，在不超过60°的斜角度入射下，吸声系数在650-950Hz和1000-1200Hz频率范围内均呈现出定性的相似性，且显著增大。这主要是由于在大角度斜入射时激发了更多的在垂直入射条件时无法激发的左右非对称的共振模态所致。

因此，在斜入射条件下，声学超材料可以作为有限带宽，接近全吸收的材料。

如前面所提到的，系统内有很多本征模态由于其左右非对称性而不与垂直入射声波相互作用。为了探讨此种对称性被破坏时的后果，我们利用样本B进行了斜入射条件下的吸声测量。结果显示，在不超过60°的几个斜入射角度下，吸声系数均在650-950Hz和1000-1200Hz频率范围内呈现出定性的相似性，且显著增大。因此，暗声学超材料在多角度入射条件下，吸声性能并未降低，反而有一定程度的提高。

铰链结构在超材料中的应用

图10-13给出了另外一种可替代的超结构，结构中的薄片或平面结构用摩擦铰链结构来连接。

图10A-10C给出了第一种侧面装配的超材料结构的示意图。图10A是该结构的俯视图，图10B是前视图，图10C是侧视图。其中，1011是薄膜体材料，1012是刚性薄片，1013是铰链。薄膜体材料可以是橡胶、塑料薄片、铝或者其他合适的材料，前提是该材料在经历垂直于薄膜表面的小位移时，可以提供弹性恢复力。刚性薄片1012和图1-9所描述的是类似的。铰链1013可以是金属制的，也可以是某些弹性构件，只需要该构件可以提供铰链的旋转运动，并引入某种耗散机理，比如类似遵循法拉第定律的涡流耗散(通过在邻近区域安装永磁铁或者电磁铁以引入涡流)，或者某些耗散性的胶液，从而在铰链旋转时，可以引入类似阻尼器的耗散机理。

图11A-11C给出了第二种底部安装的超材料结构的示意图。图11A是俯视图，图11B是前视图，图11C是该结构的侧视图。其中，1111是薄膜体材料，1112是刚性薄片，1113是铰链。这三者的构成材料与图10A-10C中超材料结构类似。

图12A-12C给出了第三种侧面安装的超材料结构的示意图。图12A是俯视图，图12B是前视图，图12C是该结构的侧视图。其中，1211是薄膜体材料，1212是刚性薄片，1213是铰链。这三者的构成材料与图10A-10C中超材料结构类似。

图13A-13C给出了第四种底部安装的超材料结构的示意图。图13A是俯视图，图13B是前视图，图13C是该结构的侧视图。其中，1311是薄膜体材料，1312是刚性薄片，1313是铰链。这三者的构成材料与图10A-10C中超材料结构类似。

我们可以把一系列二维网格单元固定在刚性框架上，从而形成振动阻尼吸收装置。本装置和先前通过在弹性薄膜上放置刚性薄片的结构的重要区别在于利用摩擦铰链结构吸收振动能量。从本质上来讲，图10-图13中的铰链结构和先前的弹性薄膜附加刚性薄片结构是相同的，只是本结构不再需要刚性铝板而已。

如图11至图13所示，小薄片通过摩擦铰链连接在一起。弹性薄膜可以被放置在薄片底部(底部安装，图10、图12)，或者置于侧边上(侧面安装，图11、图13)。小薄片的布局方式包括但不仅限于以下几种。在图10的结构中，每一对被铰链连在一起的薄片构成一单元，薄膜安装在薄片的侧边，与框架一起构成这个单元。在图11的结构中，整个薄膜被框架固定，而薄片单元放置于薄膜上面。在图12的结构中，4个薄片通过3个铰链连在一起组成一单元，然后通过安装在薄片边上的薄膜固定在外侧框架上。在图13的结构中，4个薄片组合方式跟图11中一样，但薄膜覆盖整个框架。薄片单元安装在薄膜上。

图10-13中结构的工作原理本质上跟之前结构(图1-9)所述一样。这些结构中，额外利用了铰链结构在噪音/振动吸收/阻尼上的功能。这是通过一个铰链连接薄片对、或者3个铰链连接4个薄片来抑制两个相互垂直方向的振动来实现的。当薄片围绕着铰链的轴转动时，铰链的摩擦提供了必要的能量耗散。当整个装置加载于需要消振的另一主结构上时，比如一根横梁上，或一块板上(比如汽车的底盘或车身)，主结构的振动将传递到框架上，从而造成整个薄膜-薄片体系的共振。由于薄片相对较硬而不会有明显的形变，因此体系的整个运动的能量将集中在铰链处并放大。而此处薄片的转动将会通过杠杆效应放大(就像门上的铰链一样)，铰链内由此产生的增力密度将有助于机械能量在此处被耗散。在之前所述结构中，薄片边缘会形成弯曲能量高度集中的区域，此外，铰链也提供了耗散。通过加入铰链，这部分薄片边缘的弯曲能量将被铰链的力矩取代。由于没有声学能量参与，此装置无需硬质反射板。

铰链可利用多种摩擦机制。其中一种是利用类似遵循法拉第定律的涡电流耗散。其他机制包括利用粘滞流体缓冲器，或者利用空气通过小孔的摩擦。此外，铰链应具有回复机制以用来在没有外部振动时保持薄片的平面状态。

在图10-13所示中，装置必须通过牢固的连接与目标振动源相连，并放置在目标振动源的一些选择点上。放置时必须保证薄片间的自由相对运动，从而能够提供足够的机械能量耗散。

使用铰链有以下优点。第一，铰链能够在更大的振动下提供能量耗散，比如地震波所引起的振动。第二，铰链经过设计不会有薄膜类材料的疲劳问题。第三，铰链能成为能量转换工具(比如引入磁场耗散)，将部分振动能量转换为存储电能。

非硅胶薄膜材料

图14-16展示了样品的简化模型，其中采用了包装塑料薄膜和橡胶薄膜作为薄膜。图14是所测试样品的结构示意图。图15是具有包装塑料薄膜和橡胶薄膜作为薄膜的这两类样品的吸收谱。图16绘制了有限元模拟出来的包含两个单元的结构单元的三个最低本征态频率。

在图14的结构中使用了与图1-9中相同类型的橡胶薄膜。图16中使用的三种薄膜材料分别是：图1-9中使用的橡胶1411，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)硬塑料(不同于图14-15中的包装塑料膜)，以及金属铝箔片。这些材料可能并非完全弹性材料，但具备足够的柔性使小薄片运动。此外，在该非限制性实例中，ABS材料的使用显示了此设计的灵活多样性。同样，其它常用材料诸如食品保鲜膜(例如，0.1mm厚的包装塑料膜)也能够用来作为薄膜材料。将橡胶换成铝之后，样品的本征态变化了两个数量级。对于相同的材料，本征频率f跟样品的横向尺寸D存在简单的比例关系。因此，可以通过调节样品的设计参数，从而实现比图1-9中更加宽的频率覆盖范围。样品的回复力来自于薄膜的形变。回复力随着横向尺寸的增加而减小。同时，薄片的质量会随其横向尺寸增加而变大，引起本征频率的降低。

在图1-9的装置中，超材料包括附加有刚性薄片的弹性薄膜。在这种配置中，振动能量将会高度集中在薄片的某些部分，例如周围区域，并借助于薄膜的内部摩擦通过热能方式耗散。根据固体材料的胡克定律，任何固体薄膜理论上都将和上述的橡胶薄膜类似，也就是说，当它们产生形变时，可为小薄片提供回复力，同时在薄膜内部以及与粘滞的空气产生摩擦。通过选择适当的厚度以及弹性参数(例如，薄膜的杨氏模量、泊松比)，薄片的质量和尺寸，以及单元尺寸，我们可以将样品的工作频率可覆盖由次低声(小于1Hz)到超声(大于1MHz)这一范围。这种配置的关键之处在于：当薄片发生位移时，存在通过薄膜施加的回复力。这可以通过张紧薄膜来获得，但不用与图1-9那样有预张力。在薄膜中不存在折痕时这种配置的性能优异，但是这种超材料的结构不受轻微折痕的影响。因此，当薄膜上的折痕足够小时，可以看做是一个毫不重要的制备缺陷。薄膜厚度可以在单元范围内变化，但基本工作原理仍旧适用。

这样的结构可以通过很多方式来实现。其中一种技术是通过在塑料膜或者金属薄膜上穿孔而不需要通过焊接，这技术同样适用于橡胶薄膜。或者通过一步成型和烧结，以及在结构足够小时通过光刻而成。

图15是包装塑料和橡胶两种材料构成薄膜的样品的吸收谱。包装塑料薄膜上薄半圆片的质量是230mg，而橡胶薄膜上小薄片是460mg。两条吸收曲线都体现了图1-9中超材料的特性。在200Hz以下有几个吸收峰，500Hz往上同样有一群吸收峰。由于包装塑料薄膜的弹性弱于橡胶薄膜，因此即便其上面的半圆片质量只有橡胶薄膜样品上的一半，其吸收峰频率仍然比橡胶薄膜样品更低。此吸收曲线跟图5A本质一样。唯一的区别只是吸收峰的实际频率较低，因为在5A的样品中是两层样品叠加而成，此外还有一个40mm的空气后腔。很明显，即使用其它固体材料代替橡胶膜，图1-9中阐述的超材料吸声物理机理依然适用。

图16展示了通过有限元模拟方法得到的包含两个单元的结构单元的最低的三个本征态频率。模拟中选取的是0.1mm厚度的小铁片。薄膜厚度是0.2mm。铁片的直径是12mm、其直线连接部分的间隔15.5mm，整个框架的尺寸是15mm×31mm。图中的横坐标为样品单元结构横向尺寸放大/缩小倍数。而薄膜以及薄片的厚度保持固定。例如，当倍数设置为10时，单元的横向尺寸被放大10倍，也就是说，单元结构尺寸变成150mm×310mm，铁片直径变成120mm。通过非限制性实例，模拟结果表明，通过调节横向尺寸和薄膜材料，样品的工作适用范围可以覆盖1Hz-1MHz。

褶皱薄膜结构

图17A跟17B展示了一种利用褶皱薄膜的声学降噪结构的简化图，每个样品单元含一个小薄片。17A是侧视图，17B是俯视图。其示出了硬框架1701，薄膜1703包括褶皱部分1704和平整部分1705、1706。具有预设质量的薄片1710被连接并悬浮于薄膜1703的平整部分1706并且被褶皱部分1704环形包围。所使用的薄膜1703只需具有有限的弹性来维持薄片的振动，薄膜1703的弹性主要由起皱部分1704提供。

褶皱设计可以多种样品和结构来实现。例如同心圆结构1704，其夹在圆形薄膜1703以及外部边界之间，该外部边界固定硬框架1701。薄膜的中心部分1706以及外侧1705依旧保持平整。此外，褶皱设计同样适用于其它几何结构，比如矩形或多边形，可以根据框架的形状而相应地选择。

图18A和18B是将褶皱薄膜运用于声学吸收超材料的设计示意图，在褶皱或起皱薄膜上加入了多个小薄片。图18A是侧视图而图18是俯视图。其示出了硬边界框架1801，薄膜1803，褶皱部分1811-1815以及平整部分1821-1826。而小薄片1831-1834被悬浮固定在薄膜1803的平整区域1822-1825上，褶皱区域1811-1815使得小薄片悬浮在薄膜1803上。小薄片1831-1834可以有相同或者不同的预设质量。

图18A跟18B中所用的部分1811-1815中的褶皱是平行线形式，而薄膜1803的外部边界被固定在硬框架1801上。

结论

已经证明，薄片周围很高的弯曲能量密度，加上其约束效果，可以使亚波长尺度的结构极其有效地吸收低频噪声。同时，由于此薄膜系统可以对低频噪声做到全反射，无疑，这将极大扩展此系统的声学应用领域。具体而言，其包括客机和轮船舱内噪音的降低，音乐厅声乐质量的调节，高速公路和铁路沿线噪音控制等。

可以理解的是，在本发明精神前提下，在所附权利要求限定的保护范围内，本领域的技术人员可对本文所描述的用于解释本主题特性的有关细节、材料、步骤和安排方面作出许多其他的改变。

Claims (26)

1.一种吸声板，包括：

大致上对声波透明的平面刚性框架，其被分割成多个独立的大致上二维的单元；

固定在所述刚性框架上的弹性材料薄膜，以及固定在所述弹性材料薄膜上的多个薄片，使得每个所述单元均具有各自的薄片，从而可以产生共振频率，并且使所述吸声板的吸声系数增加，其中所述共振频率由各独立单元的平面结构、所述弹性材料的弹性、以及位于所述薄膜上的各所述薄片决定，以及：

拥有褶皱或皱纹结构的弹性材料，这将会导致扭曲变形，从而可以带来更低的材料弹性，进而允许所述弹性材料获得比同类型平面材料更大的扭曲变形，但仍然保持足够的力学强度以支撑多个所述薄片。

2.权利要求1所述的吸声板，所述薄膜的所述褶皱或皱纹结构可以带来与相同类型的平面薄膜材料相比更低的单元共振频率。

3.权利要求1所述的吸声板，所述固体材料薄膜的厚度在每个单元上是有变化的。

4.权利要求1所述的吸声板，还包括；

由所述固体材料构成的多个层。

5.权利要求1所述的吸声板，进一步包括：

多个吸声板叠放在一起，每个所述吸声板包括分割成多个独立单元的刚性框架、固体材料薄膜、和多个薄片，每个所述薄片均固定在所述固体材料薄膜上，以确保每个所述单元均具有所述薄片；

所述吸声结构的吸声频率由每个所述单元的平面几何结构、所述固体材料的弹性以及各自的所述薄片共同决定。

6.权利要求5所述的吸声板，进一步包括：

每个所述吸声板上的所述薄片的重量与其它所述吸声板中的所述薄片的重量不同。

7.权利要求1所述的吸声板，进一步包括：

相邻的所述框架之间的距离与所述框架的尺存具有预先决定的比例关系。

8.权利要求1所述的吸声板，进一步包括：

所述单元包括刚性薄片，其中所述刚性薄片具有摆动模态，以提供可调的共振频率，该频率大致正比于所述薄片的质量平方根倒数。

9.权利要求1所述的吸声板，进一步包括：

所述单元包括刚性薄片，其中所述刚性薄片具有摆动模态，以提供可调的共振频率，所述共振频率会随着非对称薄片的间距、所述薄膜的厚度、诸如杨氏模量和泊松比之类的弹性性质、所述薄膜的褶皱模式、所述薄片的质量、以及所述单元的尺寸的改变而变化。

10.权利要求1所述的吸声板，进一步包括：

每个所述单元内均含有多个所述薄片。

11.权利要求1所述的吸声板，进一步包括：

构成结构的每个所述单元包含发生振动的质量体，并且所述振动的共振频率会随着结构单元的横向尺寸、薄膜弹性和褶皱模式、以及所述薄片的材料类型和尺寸的改变而发生变化，因此可随意选择此共振频率，构成主要耗散核。

12.一种声波/振动能量吸收超材料，包括：

封闭的平面框架；

附加在所述框架上的柔性薄膜；

附加至所述柔性薄膜上的至少一个刚性薄片，所述刚性薄片具有非对称的形状，所述刚性薄片与所述柔性薄膜相连的地方具有直线的边界，构成单元的所述刚性薄片具有预先确定的质量，并且

安装在所述弹性薄膜上的所述刚性薄片通过其位移使所述柔性薄膜提供回复力，

其中结构的振动形式包含了多种共振频率可调的共振模态。

13.权利要求12所述的声波/振动能量吸收超材料，每个所述单元内均包含多个所述薄片。

14.权利要求13所述的声波/振动能量吸收超材料，相邻的所述框架之间的距离与所述框架的尺存具有预先决定的比例关系。

15.权利要求13所述的声波/振动能量吸收超材料，其中所述刚性薄片具有摆动模态，以提供可调的共振频率，该频率大致正比于所述薄片的质量平方根倒数。

16.权利要求13所述的声波/振动能量吸收超材料，其中所述刚性薄片具有摆动模态，以提供可调的共振频率，所述共振频率会随着非对称薄片的间距、所述薄膜的厚度及弹性、所述薄片的质量、以及所述单元的尺寸的改变而调整。

17.权利要求16所述的声波/振动能量吸收超材料，其可通过改变所述薄膜的杨氏模量和泊松比中的至少一者来提供可调的共振频率。

18.权利要求13所述的声波/振动能量吸收超材料，其中所述结构单元包括发生振动的质量体，并且所述振动的共振频率会随着所述结构单元的横向尺寸、相邻的所述质量体之间的距离、所述薄膜的厚度和弹性、以及所述薄片的材料类型和尺寸的改变而发生变化，因此可随意选择此共振频率，构成主要耗散核。

19.权利要求13所述的声波/振动能量吸收超材料，进一步包含至少一个以确定的近场距离放在所述薄膜的后面的铝反射板，所述铝反射板用来提高对声波的吸收。

20.权利要求12所述的声波/振动能量吸收超材料，其中

所述结构的振动模态包含多种共振频率可以调节的共振模态，利用所述刚性薄片的连接处的摩擦铰链，将所述薄片的上下移动的机械能转换成转动力矩和铰链中放大了的力密度，从而有效地吸收振动能。

21.一种声波/振动能量吸收超材料，包括：

封闭的平面结构；

附加至所述框架上的柔性薄膜；

附加至所述柔性薄膜的至少一个刚性薄片，并利用摩擦铰链连接；

所述刚性薄片具有非对称形状，所述刚性薄片与所述柔性薄膜相连的地方具有直的边界，所述刚性薄片建立了具有预先确定的质量的单元，并且

安装在所述弹性薄膜上的所述刚性薄片通过其位移使所述柔性薄膜提供回复力，

所述结构的振动模态包含多种共振频率可以调节的共振模态，利用所述刚性薄片的连接处的摩擦铰链，将所述薄片的运动的机械能转换成转动力矩和铰链中放大了的力密度，从而有效地吸收机械振动能。

22.权利要求21所述的声波/振动能量吸收超材料，每个所述单元中还包含多个刚性薄片，

其中所述刚性薄片具有摆动模态，以提供可调的共振频率，所述共振频率会随着非对称的所述薄片的间距、所述薄膜的厚度和弹性、所述薄片的质量和尺寸、以及所述单元的尺寸的变化而改变。

23.权利要求22所述的声波/振动能量吸收超材料，其可通过改变所述薄膜的杨氏模量和泊松比中的至少一者来提供可调的共振频率。

24.权利要求22所述的声波/振动能量吸收超材料，

其中所述刚性薄片具有摆动模态，以提供可调的共振频率，该频率大致正比于所述薄片的质量平方根倒数。

25.权利要求21所述的声波/振动能量吸收超材料，每个所述单元中还包含多个刚性薄片，

其中所述结构单元包含发生振动的质量体，并且所述振动的共振频率会随着所述结构单元的横向尺寸、所述薄膜的厚度和弹性、以及所述薄片的材料类型和尺寸的改变而发生变化，因此可随意选择此共振频率，构成主要耗散核。

26.权利要求21所述的声波/振动能量吸收超材料，还包含至少一个以确定的近场距离放在所述薄膜的后面的铝反射板。