CN106536189B - 消震隔音屏障 - Google Patents

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Abstract

声音吸收板(201)是一种具有吸收声/振动能量的功能的超材料结构。多个消震器(101)固定于声学薄板(203)上，并且至少部分的消震器(101)包括支撑件(103)和由支撑件支撑的柔性膜(105)。柔性膜(105)具有附接的一个或多个质量块或小片(107)。消震器(101)与板(203)组合，吸收引起穿过板的声音透射或振动的板(203)的运动能量。

Description

消震隔音屏障
相关申请
本专利申请要求于2014年8月20日提交的第62/070,274号临时专利申请的优先权，该临时申请已由发明人提交并转让给申请人，其内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本公开涉及一种能量吸收材料，具体地，涉及声能量的吸收并提供使用基本不透气板的屏障或声音屏蔽以及声音吸收系统。
背景技术
因为耗散系统的动力学通常由线性响应规则控制，其中线性响应规则规定摩擦力和能量流与速率成线性比例关系，所以低频声音和振动的衰减是一项具有挑战性的任务。因此，耗散功率与速率的平方成正比，由此说明均匀材料对低频声波的固有的弱吸收性。为了提高低频下的耗散，通常需要增加相关材料内的能量密度，例如通过共振的方式。
期望提供一种便携式消音器，其利用超材料结构并且易于搬运和使用。
发明内容
包括声/振动能量吸收超材料件的声音吸收板构造在声学薄板上。多个消震器固定到声学薄板，至少部分消震器包括支撑件和柔性膜。柔性膜具有附接至其的一个或多个质量块或小片。消震器与板组合，吸收由穿过板的声音透射或振动引起的板的运动能量。
在一种构造中，结构的振动运动包括具有可调谐的共振频率的多个共振模式。
附图说明
图1是示出包括安装在膜上的一组小片的消震器的图，其中膜由框架支撑。
图2是示出具有安装在板上的一列消震器的消震隔音屏障的图。
图3是示出使用多个图2的消震隔音屏障构成的消音笼的图。
图4是示出图3中描绘的消音笼的声波透射衰减与频率的函数关系的图形化描述。
具体实施方式
概述
术语“超材料(metamaterial)”表示通过共振的方式与入射波耦合的材料。在开放系统中，辐射耦合到共振是可有效地减少耗散的替代方式。虽然声学超材料的出现已拓宽了可能的材料特性领域，但是迄今为止仍然没有针对低频声音的有效和亚波长吸收的特定共振结构。相比之下，人们已经设计了用于吸收电磁波的各种电磁超材料，并且通过使用超材料将入射波引导到损耗核中，从而实现了“光学黑洞”。
已经发现，通过使用由刚性片的设计图案装饰或增强的薄弹性膜得到的声学超材料可以在给定频率处以及在较高频率共振模式处吸收显著部分的声波。因此，该结构至少在特定频率下在声学上是“暗的”。共振模式形态和频率的有限元模拟与实验结果非常一致。具体地，激光多普勒测量显示共振模式的位移在围绕小片(platelet)周边的斜率上的不连续性，这意味着显著增强的曲率能量集中在最小耦合到辐射模式的这些小体积中，从而产生类似于共振腔系统的强吸收，尽管该系统是几何上开放的。当应用于声音吸收系统时，反共振不起重要作用。这是因为反共振在声音阻挡中是必要的，但在声音吸收方面效果是不显著的。
“薄板”中的“薄”是指声学意义上薄的板，即薄板能够跟随穿过板的声波或振动而弯曲。这种板可以具有相当大的厚度并且仍然是声学意义上薄的。因此，吸声效果是通过结合薄板的结构的特性而不是由于板自身的厚度实现的。在本文中描述的薄板的情况下，消震器与板或膜相结合提供了通过板或膜无法单独实现的吸声效果。除了“薄板”描述之外，所描述的配置使用了消震器，该消震器使用薄膜。与薄板的情况一样，膜能够跟随声波或振动而弯曲。此外，膜能够允许安装在膜上的小片的运动。
在包括形成消震器的刚性片材或小片增强的薄弹性膜的装置中，振动能量可高度集中在某些部位，例如小片的边缘，并通过膜的内部摩擦耗散成热量。因此，装置可有效地吸收传递到其上的振动能量；即，对固体中的弹性波起到消震器的作用。在空气声波和固体中的弹性波的两种情况中，振动将激励增强的膜，并且振动能量将被装置极大地耗散。装置的工作频率范围可通过适当设计来定制，以使它们可以在不同情况下吸收来自各个源的振动。当这种装置附接到需要减震的固体主体结构，例如梁，板(例如，汽车门或底盘)等时，主体结构的振动被传递到框架上，引起所附接的装置中膜的共振，并引发机械能的耗散。例如，当它们安装在埋在地下的腔室中时，它们可以减小可能来自过往火车产生的地下弹性波的振幅，甚至地震波的振幅。用于建筑物的振动保护的现有技术需要把建筑物建造在具有大块钢增强的橡胶垫和/或消震弹簧的隔振器上。隔振器和建筑物的设计和施工必须一起进行。本发明公开的装置可以埋入现有建筑物附近的地下而不改变建筑物的基础。例如可以围绕火车站构造隔离带，用于减少来自火车运行的振动。
所公开的构造使用与消震器组合的不透气板。每个消震器包括安装在框架中的至少一片膜。膜还具有安装到膜的振动吸收质量块或小片。这些小片与膜结合，产生消震器的减振功能。当声波激发板的振动时，由于消震器与板附接，振动被传递到消震器。这种布置使板的激发被消震器吸收，因此板不能传递声音。应注意，由于消震器附接或固定在板上，所以消震器的消震效果是通过将消震器附接到板上而不是通过单独的消震器来实现的。因此，只有通过板和消震器的组合才能实现全部吸声。
消震器附接到相对薄的板上以形成具有高声音传输衰减的有效声音屏障。板可以是相当刚性的，或柔性的不透气的布料或塑料板材。刚性板的非限制性示例是由聚氯乙烯(PVC)聚合物形成的～1mm厚的硬塑料。柔性布料的非限制性示例是涂覆了不透气材料的织物、或布料、增强布或非布类篷布材料。塑料板材的非限制性示例是用于浴帘或壁纸的塑料板材、或用于构造为永久或临时覆盖材料的塑料板材。
在一个非限制性构造中，板具有接近零的透气率，否则屏障的声传播衰减将随着透气率的增加而下降。然而，板可以具有一些透气率并且仍然具有吸声功能。
屏障的工作原理依赖于声波与不透气板的耦合以及为了声音穿过板，板必须振动的事实。当声波入射到不透气板上时，它们激发板的振动，板然后成为次级声源并且向板的两侧发射声波。当消震器附接到板时，板中的大量振动能量被消震器吸收，使在入射侧产生反射声波的由板发射的声波以及在背侧作为透射波的唯一源头的由板发射的声波均大大地减少。这种效果在很大程度上独立于板的相对刚性或高度柔性，例如一块布料。由于相对刚性，具有消震器的刚性板显然比具有消震器的柔性板具有更高的声音传播衰减。
在许多应用中，能够像卷帘那样卷起以便于运输和展开后屏蔽噪声源的隔音屏障比大块板形式的非柔性隔音屏障更有优势。例如，由柔性屏障制成的便携式帐篷更方便运输、组装和拆卸，并可以用于覆盖道路/铁路维修中的噪声源，特别是在夜间。
实施例
图1是示出在所述技术的示例性构造中使用的消震器101的图。消震器101包括框架支撑件或框架103、膜105和块或小片107。膜105安装在框架103上，小片107固定在膜105上。小片107类似于第2014/0060962号美国公开专利申请中描述的小片或重物，该美国申请已授权且专利号为8,960,365，该申请通过引用并入本文。在本申请的构造中，小片107特别用作消震器101的一部分，消震器101又用作声音吸收元件。在非限制性示例中，膜105的厚度小于1mm，并且膜105可以是透气的。
小片107可以固定到膜或者可以铰接到膜105。在一个非限制性示例中，小片107有意地制成为不对称的形状，以便诱发如在第2014/0060962号专利申请中描述的“拍动”式运动。小片可以由具有非对称形状的任何其它刚性或半刚性片材替代。
强吸收的解释可以通过考虑满足双调和方程的薄固体弹性膜的弯曲波(或挠曲波)来找到：
其中D＝Eh3/12(1-ν2)是挠曲刚度，
h膜的厚度。
每单位面积的相应弹性曲率能量由下式给出：
由于Ω是w的二阶空间导数的函数，当w的一阶导数在小片的边缘处是不连续时，容易推断出面积能量密度Ω在边缘区域应当具有非常大的数值(在薄壳厚度趋向于零时发散)。此外，由于二阶导数是二次方的，所以总势能的积分值也一定非常大。在h趋向无穷小时，系统的振动模式可以被认为是壳模型的弱形式解。在这种意义上，尽管在小片的边界处不满足双调和方程(由于高阶导数不存在)，但是除了具有测度为零的点集之外，弱形式解仍然能使相关的拉格朗日达到最小值。
在传统开放系统中，高能量密度除了被吸收，也同样可能通过透射和反射波向外辐射。应注意，在当前情况下，弹性能量集中的小体积可以被认为是“开放腔”，其中在膜平面中的横向限制通过沿法线方向的限制来补充，因为小片和膜之间的相对运动对膜的平均法向位移几乎没有贡献。通过空气中声波的色散关系其中下标(||)和(⊥)表示平行或垂直于膜平面的波矢量分量，可以看出小片和膜之间的相对运动(其必须在小于样本大小d<<λ的尺度上)只能耦合到瞬逝波，因为相关的只有对应于活塞状运动的膜的平均法向位移才具有k||分量为零的峰值并因此可以辐射。高能量密度区域由于横向尺寸小而几乎对法向位移的平均分量没有贡献。
根据弹性波的坡印亭定理，膜内的耗散功率可以计算为：
Q＝2ω2(χo/E)∫UdV (2)
吸收的定义为Q/(PS)，其中P＝p2/(ρc)表示入射声波的坡印亭矢量，S是膜的面积，p是压强振幅。
图2是示出消震隔音屏障201的图。消震隔音屏障201包括板203，其具有固定在板上的消震器101的阵列。消震器101在板203移动时吸收能量。作为非限制性示例，消震器101在其框架103(图1)处通过粘合剂固定到板203；然而，也可以使用其它附接装置，例如铆钉或膨胀材料。
在一个非限制性示例中，塑料板203是从新的浴帘上切割下来的。塑料板203可以是相当刚性的或柔性的。刚性板的非限制性示例可以是～1mm厚的硬塑料，例如聚氯乙烯(PVC)聚合物，但是也可以使用其它塑料和其它材料，例如金属板和金属箔。柔性板的非限制性示例是用于浴帘或壁纸类型的塑料板。虽然没有精确地测量厚度，但是这种类型的板的典型厚度为0.04mm、0.05mm、0.08mm、0.10mm和0.15mm的PVC或聚乙烯乙酸乙烯酯(PEVA)、聚乙酸乙烯酯(PVA)和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)聚合物塑料。
可以通过相应结构的杨氏模量和泊松比的组合来描述消震器101与板203的耦合，以及消震器101上的小片107与板203的耦合。这种耦合部分地通过膜105和板203的材料来实现，其余部分通过膜105和板203之间的空气的压缩来实现。
返回参考图1和图2，虽然描述了单独的框架支撑件或框架103，但是也可通过将膜结合到支撑结构(例如板203)使支撑结构成为与膜结合的框架。在该构造中，膜除了附接处外，其余部分可以脱离板，或与板齐平。膜脱离板的构造可以通过使板或膜的材料拱起来得以实现，或者可以通过使用在板与膜之间形成的密封腔内的空气来实现。
在每个消震器101内的小片107可以基本上相似，或者可以具有不同的质量。另外，在单个板203中可以使用具有不同小片107的消震器101，其质量不同于在同一个板203上的其他消震器101中的小片107的质量。
图3是示出使用多个图2的消震隔音屏障201构造的示例性消音笼300的图。该结构被构造为具有开口顶部的立方体笼。该笼的每侧边长约80cm，并且由12个金属条作为框架和5个消震隔音屏障201覆盖5个表面构成，留下一个表面为敞开的顶部。屏障的质量面密度约为2.5kg/m2。将厚的环氧树脂玻璃板安装在光学台上，并且在玻璃板上安装扬声器(未示出)。然后通过测量在具有和不具有覆盖住扬声器的笼的扬声器上方的声波来测量笼的声音传输衰减。
图4是示出用于图3的笼的声学透射衰减与频率的函数关系的图形化描绘。图4中所示的曲线图示出了在国际标准IEC 61672:2003中定义的A权重测量。吸声笼使A权重平均声音传播衰减超过35dB。
为了比较，构造了具有与笼300相同尺寸的对照笼(未示出)，其表面由类似的塑料板覆盖，但是用钢片代替消震器101。通过使用与消震隔音屏障的笼相同的方式，测试对照笼上被均匀且致密地覆盖有直径约为5cm且厚度为2mm的钢片的板。对照笼面板的质量面密度为约10kg/m2，或为消震隔音屏障的4倍。测到的A权重平均声音传输衰减略低于20dB。可以看出，消震隔音屏障201的优越声音透射衰减不是简单地由质量密度定律决定，而是由消震器101的有效的振动消震能力来决定的。
结论
应当理解，本领域技术人员在所附权利要求中表达的本发明的原理和范围的情况下，可以对已在本文描述和示出以解释主题的性质的部件的细节、材料、步骤和布置方面作出许多其它改变。

Claims (36)

1.一种声音吸收板，包括：
声学薄板；以及
多个消震器(101)，固定到所述声学薄板，至少部分的所述消震器(101)包括支撑件和由所述支撑件支撑的柔性膜(105)，所述柔性膜(105)具有附接至其的多个质量块或小片(107)，
其中，所述消震器(101)与所述声学薄板组合，吸收由穿过所述声学薄板的声音透射或振动引起的所述声学薄板的运动能量。
2.如权利要求1所述的声音吸收板，还包括：
以基本规则的模式布置的一部分所述消震器。
3.如权利要求1所述的声音吸收板，其中，至少多个所述消震器与所述声学薄板刚性附接。
4.如权利要求1所述的声音吸收板，其中，至少部分所述消震器的振动运动包括具有可调谐共振频率的多个共振模式。
5.如权利要求1至4中任一项所述的声音吸收板，还包括：
通过改变所述柔性膜的杨氏模量和泊松比中的至少之一来提供可调谐功能的所述消震器。
6.如权利要求1至4中任一项所述的声音吸收板，其中，
所述质量块或所述小片基于可调谐共振频率提供可调谐功能，通过改变非对称的小片之间分离的距离、或所述柔性膜的厚度和弹性、所述小片的质量、以及所述消震器的尺寸对共振频率进行调谐。
7.如权利要求1至4中任一项所述的声音吸收板，其中，
所述消震器包括经受振动运动的质量块，并且所述振动运动具有通过改变所述柔性膜的横向尺寸、所述柔性膜的弹性、相邻的所述质量块之间分离的距离、以及消震器主体的材料类型和尺寸来增加或减少的共振频率，从而选择耗散核心的共振频率。
8.如权利要求1至4中任一项所述的声音吸收板，其中，至少多个质量块刚性附接至所述柔性膜。
9.如权利要求1至4中任一项所述的声音吸收板，其中，至少多个质量块铰接地附接至所述柔性膜。
10.如权利要求1至4中任一项所述的声音吸收板，其中，所述消震器刚性粘合附接至所述声学薄板。
11.如权利要求1至4中任一项所述的声音吸收板，还包括：
在所述声学薄板上具有彼此不同重量的所述消震器。
12.一种声/振动能量吸收超材料结构，包括：
基本不透气的柔性板；以及
多个消震器(101)，附接至所述柔性板，所述消震器包括柔性膜和附接至所述柔性膜的至少一个质量块或小片(107)。
13.如权利要求12所述的结构，还包括：
以基本规则的模式布置的一部分所述消震器。
14.如权利要求12所述的结构，其中，至少多个所述消震器与所述柔性板刚性附接。
15.如权利要求12所述的结构，其中，至少部分所述消震器的振动运动包括具有可调谐共振频率的多个共振模式。
16.如权利要求12至15中任一项所述的结构，还包括：
通过改变所述柔性膜的杨氏模量和泊松比中的至少之一来提供可调谐功能的所述消震器。
17.如权利要求12至15中任一项所述的结构，其中，
所述质量块或所述小片基于可调谐共振频率提供可调谐功能，通过改变非对称的小片之间分离的距离、或所述柔性膜的厚度和弹性、所述小片的质量、以及所述消震器的尺寸对共振频率进行调谐。
18.如权利要求12至15中任一项所述的结构，其中，
所述消震器包括经受振动运动的质量块，并且所述振动运动具有通过改变所述柔性膜的横向尺寸、所述柔性膜的弹性、相邻的所述质量块之间分离的距离、以及消震器主体的材料类型和尺寸来增加或减少的共振频率，从而选择耗散核心的共振频率。
19.如权利要求12至15中任一项所述的结构，其中，至少多个质量块刚性附接至所述柔性膜。
20.如权利要求12至15中任一项所述的结构，其中，至少多个质量块铰接地附接至所述柔性膜。
21.如权利要求12至15中任一项所述的结构，其中，所述消震器刚性粘合附接至所述柔性板。
22.如权利要求12至15中任一项所述的结构，还包括：
在所述柔性板上具有彼此不同重量的所述消震器。
23.一种声/振动能量吸收超材料结构，包括：
柔性板；
多个消震器(101)，附接至所述柔性板，至少部分的所述消震器包括：
封闭平面式框架；
柔性膜(105)附接至所述框架；以及
至少一个质量块或小片(107)，附接至所述柔性膜，在所述柔性板上的所述消震器移动时向所述质量块或所述小片提供通过所述柔性膜施加的恢复力，
其中，所述结构的振动运动包括具有可调谐的共振频率的多个共振模式。
24.如权利要求23所述的结构，还包括：
以基本规则的模式布置的一部分所述消震器。
25.如权利要求23所述的结构，其中，至少多个所述消震器与所述柔性板刚性附接。
26.如权利要求23所述的结构，其中，至少部分所述消震器的振动运动包括具有可调谐共振频率的多个共振模式。
27.如权利要求23至26中任一项所述的结构，还包括：
通过改变所述柔性膜的杨氏模量和泊松比中的至少之一来提供可调谐功能的所述消震器。
28.如权利要求23至26中任一项所述的结构，其中，
所述质量块或所述小片基于可调谐共振频率提供可调谐功能，通过改变非对称的小片之间分离的距离、或所述柔性膜的厚度和弹性、所述小片的质量、以及所述消震器的尺寸对共振频率进行调谐。
29.如权利要求23至26中任一项所述的结构，其中，
所述消震器包括经受振动运动的质量块，并且所述振动运动具有通过改变所述柔性膜的横向尺寸、所述柔性膜的弹性、相邻的所述质量块之间分离的距离、以及消震器主体的材料类型和尺寸来增加或减少的共振频率，从而选择耗散核心的共振频率。
30.如权利要求23至26中任一项所述的结构，其中，至少多个质量块刚性附接至所述柔性膜。
31.如权利要求23至26中任一项所述的结构，其中，至少多个质量块铰接地附接至所述柔性膜。
32.如权利要求23至26中任一项所述的结构，其中，所述消震器刚性粘合附接至所述柔性板。
33.如权利要求23至26中任一项所述的结构，还包括：
在所述柔性板上具有彼此不同重量的所述消震器。
34.一种衰减声音或振动的方法，所述方法包括：
提供声学薄板；以及
提供固定到所述声学薄板的多个消震器，其中至少部分的所述消震器包括支撑件和由所述支撑件支撑的柔性膜，所述柔性膜具有附接至其的多个质量块或小片，
其中，所述消震器与所述声学薄板组合，吸收由穿过所述声学薄板的声音透射或振动引起的所述声学薄板的运动能量。
35.如权利要求34所述的方法，其中，所述质量块或所述小片基于可调谐共振频率提供可调谐功能，通过改变非对称的小片之间分离的距离、或所述柔性膜的厚度和弹性、所述小片的质量、以及所述消震器的尺寸对共振频率进行调谐。
36.如权利要求34所述的方法，其中，所述消震器包括经受振动运动的质量块，并且所述振动运动具有通过改变所述柔性膜的横向尺寸、所述柔性膜的弹性、相邻的所述质量块之间分离的距离、以及消震器主体的材料类型和尺寸来增加或减少的共振频率，从而选择耗散核心的共振频率。
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