CN106023975A - 一种轻质低频宽带隔声组合结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻质低频宽带隔声组合结构，包括薄膜型声子晶体结构和局域共振型声子晶体结构，两者平行设置，中间部分为空腔。本发明中第一层薄膜型声子晶体结构受到声波激励时，不仅重物和张紧的粘弹性薄膜发生局域共振现象，使得整个元胞的平均位移为零，实现高效地阻隔声音，还会有相邻元胞中的重物和张紧的粘弹性薄膜发生反相振动现象，在更低频的位置产生高效的隔声能力。而第二层局域共振型声子晶体结构受到声波激励时，在设计的隔声目标频率处产生高效隔声。本发明设计的组合隔声结构，在兼具两种结构的隔声优点的基础上，在低频拓宽隔声宽带同时，能实现比同面密度均质板隔声量要高出至少10dB以上。

Description

一种轻质低频宽带隔声组合结构

技术领域

本发明涉及隔声技术领域，特别涉及一种轻质低频宽带隔声组合结构。

背景技术

20世纪50年代以来，随着航空航天、高速列车、输变电工程等的飞速发展，噪声问题日益严重，引起了人们的广泛关注。在生活领域，噪声干扰着人们的正常工作和生活，长期暴露在高噪声环境下会对人的身体健康造成危害。在生产领域，强烈的噪声会使仪器设备失效甚至损坏，从而导致事故的发生。在军事领域，随着各类武器装备向高速、轻质、大型、重载等极端运行环境发展，引发的噪声问题更加突出，严重影响了某些技术兵器的作战和声隐身性能，降低了装备的战场生存能力。因此，噪声控制在军事和民用领域都是一项非常重要的工作。

采用传统的吸隔声技术，能够有效隔离噪声中的中高频成分，而低频噪声(2000Hz以下)具有传播距离远、透声能力强、隔离难度大等特点，一直是噪声控制的一项难题。传统隔声材料在低频段的隔声量受质量密度定律控制，难以用轻质材料实现低频宽带隔声。研究表明，在航空航天、高速列车、输变电工程等领域中普遍存在低频噪声突出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轻质低频宽带隔声组合结构，以解决航空航天、高速列车、输变电工程等领域中传统隔声材料难以解决的轻质、低频、宽带和高效隔声的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种轻质低频宽带隔声组合结构，包括薄膜型声子晶体结构和局域共振型声子晶体结构，两者平行设置，中间部分为空腔。

进一步的，薄膜型声子晶体结构包括张紧的粘弹性薄膜和刚性格栅支架；粘弹性薄膜粘结 在刚性格栅支架上；刚性格栅支架中的每个格栅微单元为正方形；每个格栅微单元的中心设有一个粘贴在粘弹性薄膜上的重物。

进一步的，刚性格栅支架由有机玻璃或铝制成；粘弹性薄膜采用硅橡胶制成；重物由磁铁或铜制成；重物为圆柱形、长方体形或其它对称形状。

进一步的，粘弹性薄膜上粘贴的若干重物的质量相同或者不同。

进一步的，局域共振型声子晶体结构包括基板和若干周期阵列设置在基板上的梁片；梁片通过支撑结构固定在基板上；支撑结构一端连接梁片的中心，另一端连接基板。

进一步的，基板和梁片由有机玻璃或铝制成；连接梁片和基板的支撑结构由螺栓螺纹安装结构或者通过焊接结构实现。

进一步的，梁片的周期排列方式为二维周期形式。

进一步的，空腔中铺设有吸音绵和/或防火材料。

进一步的，梁片形成的周期阵列结构的周期间距a满足a<λ/5，λ为目标噪声频率f₀下基板结构中的弯曲波波长；基板结构采用厚度h＝1mm的铝板；梁片选用厚度h_r＝1mm的铝梁片；梁片的长度l_r和最大宽度b_r满足：

$l_r={\&lsqb;\frac{{(2\&times;1.875)}^4{E}_r{h}_r^2}{12{\mathrm{\&rho;}}_r{\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_0\right)}^2}\&rsqb;}^{1/4}$

$b_r=\frac{{\mathrm{\&chi;a}}^2-{\mathrm{\&rho;ha}}^2}{{\mathrm{\&rho;}}_r{h}_r{l}_r}$

其中，其中E_r，ρ_r，h_r和l_r分别为梁片的杨氏模量、密度、厚度和总长度；χ为局域共振型声子晶体结构的最大面密度，ρ为基体板结构的材料密度。

进一步的，薄膜型声子晶体结构的每个格栅微单元为2cm×2cm，每个质量块重量为0.229g；局域共振型声子晶体结构微单元为2cm×2cm，梁片质量对应微单元基板质量的25％，梁片质量为0.27g；空腔厚度1cm。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明轻质低频宽带隔声组合结构可以看成由薄膜型声子晶体结构和局域共振型声子晶体结构两层结构组成，每一层结构由若干个微结构单元周期排列构成；膜型声子晶体结构的微结构单元包括一个格栅、粘贴在格栅上的一块粘弹性薄膜和粘贴在该块粘弹性薄膜的重物；整个膜型声子晶体结构的所有格栅固定连接为一个整体，粘弹性薄膜也为一整张；局域共振型声子晶体结构的微结构单元包括一块基板，和设置在基板中心的梁片和支撑结构；整个局域共振型声子晶体结构的基板为一个整体。第一层结构受到声波激励时，不仅重物和张紧的粘弹性薄膜发生局域共振现象，使得整个元胞的平均位移为零，实现高效地阻隔声音，还会有相邻元胞中的重物和张紧的粘弹性薄膜发生反相振动现象，在更低频的位置产生高效的隔声能力。而第二层结构单元受到声波激励时，在设计的隔声目标频率处产生高效隔声。本发明设计的组合隔声结构，在兼具两种结构的隔声优点的基础上，在低频拓宽隔声宽带同时，能实现比同面密度均质板隔声量要高出至少10dB以上。

附图说明

图1示出了本发明轻质低频宽带隔声组合结构总体结构图；

图2示出了本发明轻质低频宽带隔声组合结构的第一层结构，薄膜型声子晶体结构示意图；

图3示出了从薄膜型声子晶体结构中提取出的四个微结构单元；

图4示出了本发明轻质低频宽带隔声组合结构的第二层结构，局域共振型声子晶体结构示意图；

图5示出了组合隔声结构的隔声效果示意图。

图6示出了改变结构参数后组合隔声结构的隔声效果示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种轻质低频宽带隔声组合结构，包括薄膜型声子晶体结构100和局域共振型声子晶体结构200，两者的中间部分为空腔。

请参阅图2所示和图3所示，薄膜型声子晶体结构200由若干不同质量的重物1、张紧的粘弹性薄膜2和刚性格栅支架3构成，不同质量的重物周期性的附加在张紧的粘弹性薄膜2上，而粘弹性薄膜2粘结在刚性格栅支架3上。格栅结构可以由有机玻璃、铝等刚度大、密度小、可加工性强的材料制成。格栅由边长为2cm的正方形格子延x方向和y方向周期性延拓而成。由于格栅是能透过声音的，因此每个格子的壁尽量制作得薄些，但是为了保证格栅具有较大的刚度，每个格子的壁必须具有一定的高度。这样可以实现在保证刚性的前提下，减少质量和透声。粘弹性薄膜可以采用硅橡胶等延展性大、密度小且张紧后具有一定弹性的材料制成。粘弹性薄膜的张力大小直接影响到局域共振的频率高低，张得越紧，隔声峰值越往高频移动。重物可以由磁铁、铜等密度较大的材料制成。重物最好制作成圆柱形、长方体形等对称形状。

请参阅图4所示，局域共振型声子晶体结构100包括：基板4，周期阵列的薄短梁片5，以及连接基板与薄短梁片(中间点)的支撑结构6。支撑结构6可采用螺纹和螺栓结构实现(需在基板4和薄短梁片5上打通孔)，也可以采用焊接金属结构来实现。梁片的周期排列方式为任意二维周期形式，包括周期正方形、长方形、三角形等。

本发明轻质低频宽带隔声组合结构可以看成由两层结构组成，每一层结构由若干个微结构单元周期排列构成。第一层结构受到声波激励时，不仅重物和张紧的粘弹性薄膜发生局域共振现象，使得整个元胞的平均位移为零，实现高效地阻隔声音，还会有相邻元胞中的重物和张紧的粘弹性薄膜发生反相振动现象，在更低频的位置产生高效的隔声能力。而第二层结构单元受到声波激励时，在设计的隔声目标频率处产生高效隔声。本发明设计的组合隔声结构，在兼具两种结构的隔声优点的基础上，在低频拓宽隔声宽带同时，能实现比同面密度均质板隔声量要高出至少10dB以上。

1.第一层薄膜型声子晶体结构

如图2所示，第一层结构是将一块粘弹性薄膜张紧后固定在格栅结构上，再在薄膜上附加重物，可以看成是由若干个微结构单元x方向和y方向周期性延拓而构成。

图3是将图2中虚线包围的四个微结构单元提取出来，以便于更好地表示微结构单元的内部结构，同时以这四个单位为例，通过优化设计，可以拓宽隔声结构的隔声频率。

微结构单元主要由三部分组成，即重物1，粘弹性薄膜2和刚性格栅3。刚性的格栅主要起支撑作用，对整个轻质低频宽带隔声结构的隔声性能没有太大影响，因此可以在满足一定弯曲刚度的前提下，通过优化设计减轻格栅的质量。

每个微结构单元内的粘弹性薄膜2和重物1可以等效成一个弹簧连接一个振子的局域共振结构。调整薄膜的张紧力类似于改变弹簧的弹性系数，调整重物的尺寸和材料类似于改变振子的质量。对于由弹性系数为K的弹簧和质量为m的振子组成的局域共振结构，其共振频率为 因此，可以通过调整薄膜的张紧力和调整重物的尺寸和材料，控制轻质低频宽带隔声结构的隔声峰值频率。薄膜张紧力越大，隔声峰值频率越高；重物质量越大，隔声峰值频率越低。

2.第二层局域共振型声子晶体结构

如图4所示，第二层局域共振型声子晶体结构示意图。该结构的三个组成部分为：基板结构4、周期阵列的薄短梁片5，以及连接基板与薄短梁片(中间点)的支撑结构6。支撑结构6可采用螺纹和螺栓结构实现(需在基板4和梁片6上打通孔)，也可以采用焊接金属结构来实现。

以单一频段低频噪声隔离问题为例，实际设计本发明提出的组合式板结构需要确定三个方面的参数：基板结构4的参数、梁片结构阵列的周期间距a和薄短梁片5的参数和。其中，基 板结构4直接选用很薄的金属板结构即可，例如厚度h＝1mm的铝板。周期间距a的选用原则是要使其远小于目标噪声频率f₀下基板结构中的弯曲波波长λ，一般满足a<λ/5即可。薄短梁片5选用较薄的金属梁片，例如厚度h_r＝1mm的铝梁片。但是，还需设计其长度l_r和宽度b_r。其设计依据及方法如下：

理论分析可知薄短梁片的最低阶共振频率f_r由下式决定：

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{{(2\&times;1.875)}^4}{l_r^4}\frac{E_r{h}_r^2}{12{\mathrm{\&rho;}}_r}}$

其中E_r，ρ_r，h_r和l_r分别为梁片的杨氏模量、密度、厚度和总长度。值得注意的是，共振频率与梁片的宽度b_r无关。因此，如果在给定目标噪声频率f₀(令f_r＝f₀)，且选定梁片的材料和厚度h_r的条件下，可通过下式设计梁片的长度

$l_r={\&lsqb;\frac{{(2\&times;1.875)}^4{E}_r{h}_r^2}{12{\mathrm{\&rho;}}_r{\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_0\right)}^2}\&rsqb;}^{1/4}$

梁片的宽度b_r可根据允许的最大面密度χ进一步确定。由于设计的面密度要满足

$\frac{{\mathrm{\&rho;ha}}^2+{\mathrm{\&rho;}}_r{h}_r{l}_r{b}_r}{a^2}\&le;\mathrm{\&chi;}$

其中，χ为局域共振型声子晶体结构的最大面密度，ρ为基体板结构的材料密度。

于是允许的最大梁片宽度为

$b_r=\frac{{\mathrm{\&chi;a}}^2-{\mathrm{\&rho;ha}}^2}{{\mathrm{\&rho;}}_r{h}_r{l}_r}$

当以上设计得到的宽度b_r较大时，可以采用多个与之相同长度l_r和厚度h_r的更窄梁片来替换这一设计，只需使这些窄梁片的总宽度为b_r即可。

3.组合声子晶体结构

现将两层结构组合在一起，如图1所示，其中图1中，第一层为薄膜型声子晶体结构，中间层为空腔，第二层为局域共振型声子晶体结构。声波从第一层结构入射，同时优化调节两层 结构参数，可以在较宽的频带内获得高效隔声。

薄膜型声子晶体微结构单元为2cm×2cm，薄膜附加质量块重量为0.229g；局域共振型声子晶体结构微单元2cm×2cm，梁片附加质量为基板质量的25％，梁片质量约为0.27g；空腔厚度h₁为1cm。

图5出示了基于有限元法仿真得到的组合声子晶体结构的隔声曲线，在声波从第一层结构垂直入射下，图5中薄膜型声子晶体的隔声(图中膜结构)相对局域共振型声子晶体(图中板结构)在低频较差，但是在隔声峰位置处的隔声带宽比局域共振型声子晶体隔声峰处带宽，而局域共振型声子晶体的隔声在低频相对较好，在隔声峰处隔声带宽较窄。因此，将两种结构组合在一起(图中组合式结构)可以兼具两者的优点，弥补彼此的缺点。

从图5组合式结构隔声曲线中可以看出，组合式结构不仅兼具了两层结构的优良隔声特性，而且收获了在薄膜型声子晶体隔声峰和局域共振型声子晶体的隔声峰间的高隔声带宽，在500Hz-900Hz之间均实现40dB以上隔声，拓宽了隔声频带(500Hz-900Hz)，在拓宽的隔声频带内比同质量板(图中同质量板)的隔声量高出至少20dB，其中任一层单一结构都不具备如此宽的隔声频带。通过进一步调整局域共振型声子晶体的目标隔声频率，由图6可知，组合式结构将隔声带宽扩展为(500Hz-1200Hz)，且在扩展的隔声频带内比同质量的板隔声量高出至少15dB。

Claims (10)

1.一种轻质低频宽带隔声组合结构，其特征在于，包括薄膜型声子晶体结构和局域共振型声子晶体结构，两者平行设置，中间部分为空腔。

2.根据权利要求1所述的一种轻质低频宽带隔声组合结构，其特征在于，薄膜型声子晶体结构包括张紧的粘弹性薄膜和刚性格栅支架；粘弹性薄膜粘结在刚性格栅支架上；刚性格栅支架中的每个格栅微单元为正方形；每个格栅微单元的中心设有一个粘贴在粘弹性薄膜上的重物。

3.根据权利要求2所述的一种轻质低频宽带隔声组合结构，其特征在于，刚性格栅支架由有机玻璃或铝制成；粘弹性薄膜采用硅橡胶制成；重物由磁铁或铜制成；重物为圆柱形、长方体形或其它对称形状。

4.根据权利要求2所述的一种轻质低频宽带隔声组合结构，其特征在于，粘弹性薄膜上粘贴的若干重物的质量相同或者不同。

5.根据权利要求1所述的一种轻质低频宽带隔声组合结构，其特征在于，局域共振型声子晶体结构包括基板和若干周期阵列设置在基板上的梁片；梁片通过支撑结构固定在基板上；支撑结构一端连接梁片的中心，另一端连接基板。

6.根据权利要求5所述的一种轻质低频宽带隔声组合结构，其特征在于，基板和梁片由有机玻璃或铝制成；连接梁片和基板的支撑结构由螺栓螺纹安装结构或者通过焊接结构实现。

7.根据权利要求5所述的一种轻质低频宽带隔声组合结构，其特征在于，梁片的周期排列方式为二维周期形式。

8.根据权利要求1所述的一种轻质低频宽带隔声组合结构，其特征在于，空腔中铺设有吸音绵和/或防火材料。

9.根据权利要求5所述的一种轻质低频宽带隔声组合结构，其特征在于，梁片形成的周期阵列结构的周期间距a满足a<λ/5，λ为目标噪声频率f₀下基板结构中的弯曲波波长；基板结构采用厚度h＝1mm的铝板；梁片选用厚度h_r＝1mm的铝梁片；梁片的长度l_r和最大宽度b_r满足：

$l_r={\&lsqb;\frac{{(2\&times;1.875)}^4{E}_r{h}_r^2}{12{\mathrm{\&rho;}}_r{\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_0\right)}^2}\&rsqb;}^{1/4}$

$b_r=\frac{{\mathrm{\&chi;a}}^2-{\mathrm{\&rho;ha}}^2}{{\mathrm{\&rho;}}_r{h}_r{l}_r}$

其中，其中E_r，ρ_r，h_r和l_r分别为梁片的杨氏模量、密度、厚度和总长度；χ为局域共振型声子晶体结构的最大面密度，ρ为基体板结构的材料密度。

10.根据权利要求5或9所述的一种轻质低频宽带隔声组合结构，其特征在于，膜型声子晶体结构和局域共振型声子晶体结构均由若干个微结构单元周期排列构成，薄膜型声子晶体结构的每个微结构单元为2cm×2cm，每个质量块重量为0.229g；局域共振型声子晶体结构的微结构单元为2cm×2cm，梁片质量对应微单元基板质量的25％，梁片质量为0.27g；空腔厚度1cm。