CN106782477A - 一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料，此超材料结构是一种在圆柱型Helmholtz腔中增加一层薄膜的结构。圆柱型的空腔结构材料由铝制成；薄膜由硅橡胶制成。该结构在500Hz以下的频率范围内，其透射系数曲线可产生多个峰值并且峰值对应的频率宽度范围达到30Hz。通过改变结构的几何参数可得到所需低频范围的噪声控制声学超材料结构。本发明所述的圆柱型的空腔结构和薄膜结构具有良好的耦合性，可使传统的Helmholtz腔所产生的单个尖锐的透射系数曲线峰值转变为多个峰值且其对应的频宽较宽。该声学超材料结构的制备较为简单、材料成本低廉，在为低频范围内的噪声控制提供了有效的实际应用。

Description

一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料

技术领域

本发明涉及低频噪声控制的声学超材料技术领域，具体为一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料。

背景技术

在现代社会中，低频范围的噪声不仅在工业、航空和交通铁路等各个领域中，给其领域的仪器、设备等带来了严重的安全隐患，而且严重影响了人们的日常工作生活。在现有的低频噪声控制方法中，或是用较为厚实的传统混凝土墙或是结构较为复杂的复合材料结构，其方法制备困难、价格较高。低频噪声由于波长长、传播距离远、衰落弱等特点，对其有效控制一直是噪声控制领域有挑战性的难题。

声学超材料是一种具有负等效特性的周期性亚波长结构组成的复合材料，可以通过小尺寸控制大波长。近年来，研究者们提出了大量的Helmholtz腔型的声学超材料，为低频噪声控制提供了有利的结构模型。2006年，Fang等人设计了一维阵列的Helmholtz声学超材料，并且通过实验实现了负等效弹性模量；丁昌林等人申请专利(申请号为201010221191.6)设计了一种开口空心球的声学超材料，使得材料在1000～5000Hz的声波范围内实现了负等效弹性模量；2011年，高东宝等人将Helmholtz腔单元组合成新型单元，研究了各单元的声透射特性。

上述Helmholtz型声学超材料结构在一定频率范围内研究了其透射系数曲线，这些超材料结构控制的频率在kHz范围，且其透射系数曲线有单一尖锐的峰值且频率带较窄。

发明内容

本发明的目的是提供一种带薄膜型结构的Helmholtz腔声学超材料，通过圆柱型空腔增加薄膜结构，实现低频宽带噪声控制。

本发明的技术方案是：一种带薄膜型结构的Helmholtz腔声学超材料，结构单元由开孔圆柱型空腔和弹性圆形薄膜组成；

将开孔圆柱型空腔从中间划分成两部分，其顶端表面开孔的上半部分为所述结构单元的第一部分，下半部分为所述结构单元的第三部分；所述单元结构的第二部分为圆形薄膜结构；圆形薄膜结构位于第一部分和第三部分之间。

上述方案中，所述开孔圆柱型空腔结构是由铝材料制成。

进一步的，所述圆柱型空腔的外半径为15mm，内半径为14mm，总高度为20～40mm，壁厚为1mm，第三部分底板的厚度为2mm，小孔的深度为2～10mm，小孔的半径为0.4～0.8mm。

上述方案中，所述圆形薄膜结构是粘贴在空腔中间，由硅橡胶制成。

进一步的，所述圆形薄膜半径为15mm，厚度为0.1～1.2mm。

上述方案中，所述结构小孔的开孔方向正对着声学超材料的入射面。

上述方案中，所述声学超材料的制备工艺：为了简化样品材料的制备过程，将所述声学超材料结构分成四种不同形式的结构部分组成，分别是圆柱型底板、薄壁型空腔板、薄膜以及开小孔的圆柱型板。对不同形式的圆柱铝板结构，采用线切割工艺对其进行加工，并且将这些结构按照开小孔圆柱型板、薄壁空腔板、薄膜、薄壁空腔板、圆柱型底板的顺序用长螺丝固定。

上述方案中，实验制备时，样品材料单元结构的组合方式为孔中心距为32mm，围绕中心旋转为60°，即共七个结构单元组成，如图12中的第2张小图。

本发明的优点是：

1、本发明所述声学超材料结构通过增加薄膜结构的设计，以及所述单元结构几何参数相互匹配：r＝14mm，H＝30mm，r₀＝0.8mm，l＝2mm，d＝1mm下，达到最佳效果，在286Hz和352Hz左右，透射系数达到最低值且其频率带宽在30Hz左右，降低了噪声控制的频率值，并扩大了频率范围。

2、本发明所述声学超材料结构通过改变结构的几何参数，来得到想要控制的噪声频率范围。

3、本发明所述声学超材料单个单元结构就可以达到低频控制目的，无须繁杂的堆叠或组合，提高了结构布置效率和结构的整体稳定性。

4、本发明所述声学超材料结构所制备的材料简单，价格低廉；机械加工工艺简便，可批量化生产。

5、本发明所述声学超材料结构制备时，将结构通过长螺丝固定，易拆易装，可重复多次使用，大大降低了实验装配的难度。

附图说明

图1为本发明一实施例的声学超材料单元结构示意图。

图2为本发明一实施例的声学超材料单元结构剖面图。

图3为本发明一实施例的声学超材料单元结构尺寸图。

图4为本发明一实施例的声学超材料单元结构仿真模型图。

图5为本发明一实施例的声学超材料透射系数曲线图。

图6为本发明一实施例的不带薄膜时的声学超材料透射系数曲线图。

图7为本发明一实施例的声学超材料透射系数随空腔高度变化趋势图。

图8为本发明一实施例的声学超材料透射系数随小孔深度变化趋势图。

图9为本发明一实施例的声学超材料透射系数随小孔半径变化趋势图。

图10为本发明一实施例的声学超材料透射系数随薄膜厚度变化趋势图。

图11为本发明一实施例的声学超材料透射系数随薄膜上下空腔高度比变化趋势图；

图12为本发明一实施例的声学超材料结构的制备示意图；1为开小孔圆柱型板；2为圆柱型薄壁空腔板；3为薄膜结构；4为圆柱型底板；5为6组螺栓螺帽；6为整体结构；7为整体结构的侧面图；

图13为本发明一实施例的声学超材料结构实验传声损失图。

图中，1、开小孔圆柱型板；2、圆柱型薄壁空腔板；3、薄膜；4、圆柱型底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1所示为本发明所述带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料的一种实施方式，本发明是在圆柱型的Helmholtz腔结构的基础上增加一层薄膜，薄膜与空腔结构产生耦合，改变结构的固有频率，从而达到低频噪声控制的效果。图1为所述声学超材料的单元结构，包括空腔和薄膜；图2为所述声学超材料结构的剖面图；图3为所述声学超材料结构的尺寸图。

如图3尺寸图中所示，圆柱型空腔的内半径为r，空腔的高度为H，壁厚为t，小孔的深度为l，小孔的半径为r₀，薄膜的厚度为d。所述声学超材料结构的材料参数为：铝[密度ρ＝2700kg/m³；弹性模量E＝7e10Pa；泊松比ν＝0.33]；硅橡胶薄膜[密度ρ＝980kg/m³；弹性模量E＝2e5Pa；泊松比ν＝0.49]。

图4所示为本发明所述带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料运用COMSOLMultiphysics 5.1有限元软件中“声-固耦合，频率”模块计算的仿真模型。面1、2设置为平面波辐射模式，且面1为入射平面。

图5为所述声学超材料通过COMSOL计算得到的透射系数曲线图。图5中所述声学超材料结构的几何参数为：r＝14mm，H＝30mm，r₀＝0.8mm，l＝2mm，d＝1mm。

图6所示的透射系数曲线为不带薄膜的圆柱型Helmholtz腔结构，其结构几何参数为：r＝14mm，H＝30mm，r₀＝0.8mm，l＝2mm。

如图5中所示，透射系数最低值的频率为f₁＝286Hz和f₂＝352Hz，图6中透射系数最低值的频率为f＝380Hz，两者相比较，明显增加带膜结构的声学超材料频率更低，并且具有两个透射峰值。Helmholtz腔本身的固有频率在367Hz左右；薄膜的厚度大于0.5mm，可采用薄板形式来计算其固有频率，在低频范围，薄板的固有频率为39.3Hz和152.3Hz。可见，薄膜结构与空腔进行耦合，两者的固有频率均发生了变化，所以增加薄膜结构可使Helmholtz腔的固有频率降低，本发明所述的带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料可控制低频范围的噪声，并且增宽其频率范围。

本发明所述的声学超材料为达到所需控制的频率范围，通过改变其结构的几何参数来实现。为了更好的对比分析几何参数对透射系数的影响，在保持一个参数不变的情况下，改变其他参数，计算结构的透射系数：不同的空腔高度(即空腔中空气的体积)：H＝20mm，25mm，30mm，35mm，40mm；不同的小孔深度：l＝2mm，4mm，6mm，8mm，10mm；不同的小孔半径：r₀＝0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8mm；不同的薄膜厚度：d＝0.6mm，0.8mm，1mm，1.2mm；不同薄膜上下空腔的高度：H₁:H₂＝10mm：20mm，15mm：15mm，20mm：10mm，25mm：5mm。由于带薄膜结构的透射系数曲线有两个或多个峰值，不利于比较，在研究空腔结构尺寸参数(即空腔的高度、小孔的深度及小孔的半径)对透射系数影响时，将薄膜结构去掉，仅保留圆柱空腔结构。

上文所述的改变几何参数与透射系数曲线的影响，如图7-11所示。结构几何参数对结构的固有频率改变有着明显的影响，进而对透射系数曲线有明显影响且薄膜厚度及薄膜上下空腔高度也对结构的透射系数有影响。图7表示改变空腔的高度时，透射系数曲线对应频率的变化趋势。如图所示，随着空腔高度的增加(即空腔内空气体积的增加)，频率逐渐减小但其宽度无明显减小。图8表示小孔的深度改变时，透射系数曲线对应频率的变化趋势，随着小孔深度的增加，透射系数对应的频率值也增加且其带宽也随着增大。图7-8中的最低透射系数值均接近于0。图9表示改变小孔半径时，透射系数曲线对应的频率及最小透射系数值的变化趋势，随着小孔半径的增大，频率也随着增大，带宽在小孔半径小于0.5mm时较窄，只有将近8Hz。小孔半径大于0.5mm时，带宽在22Hz左右并且无明显改变。最低透射系数值随着小孔半径的增大而减小。对于空腔结构尺寸的影响，要得到较宽且较低频率的透射系数曲线时，我们需要增大空腔高度、小孔深度和小孔半径均取合适中间值。图10表示改变薄膜厚度对透射系数曲线对应的频率改变趋势。在图中，随着薄膜厚度的增加，第一和第二个峰值均先降低再升高；两个峰值的带宽总和也是随着薄膜厚度的增加，先减小再增大。图11表示改变薄膜上下空腔的高度比时，透射系数对应频率的变化趋势。随着上部分空腔高度增加和下部分空腔高度减小，第一个透射系数曲线极小值对应的频率也逐渐增大，带宽逐渐减小；第二个透射系数曲线极小值对应的频率逐渐增大但变化趋势不明显，带宽却逐渐增大。选择合适的结构几何参数时，可以得到所要的控制噪声的频率范围。

本发明实验过程及实验结果结合附图进一步详细说明。

实验样品如图12所示，1代表开小孔的圆柱型板；2代表组成空腔的薄壁圆柱型板；3代表薄膜；4代表圆柱型底板，放置在样品的最低端；5代表固定以上所述圆柱型板的螺母螺栓，共6组；6代表组合后的整体超材料；7代表整体的侧面图，可以清楚看到薄膜的位置。圆柱型板均采用线切割方式进行制备，薄膜通过裁剪即可制成。

实验结果如图13所示，是由本发明所述声学超材料放置于阻抗管中，利用四传感法计算结构的传声损失。图13表示为频率与传声损失的关系曲线，如图中所示，有明显有两个峰值其频率在280Hz和340Hz左右，与数值模拟计算透射系数峰值对应的频率一致，传声损失范围在25-30dB。

根据本发明一种带薄膜结构的Helmholtz型声学超材料结构的上述特点，它可以大规模工厂化制备，可以用作交通工具的隔声装置、建筑物作为隔声材料，也可运用于大型机械的防振装置等。

上述所述为优选的实施例，不能作为本发明的全部范围，在以本发明所述声学超材料结构为基准做任何明显的改进或简单变换均属于本发明的专利覆盖范围内。

Claims (8)

1.一种带薄膜型结构的Helmholtz腔声学超材料，其特征在于：在圆柱型的Helmholtz腔结构的基础上增加一层薄膜，薄膜与空腔结构产生耦合，改变结构的固有频率，从而达到低频噪声控制的效果；所述Helmholtz腔声学超材料的结构单元由开孔圆柱型空腔和弹性圆形薄膜组成；将开孔圆柱型空腔从中间划分成两部分，其顶端表面开孔的上半部分为所述结构单元的第一部分，下半部分为所述结构单元的第三部分；所述单元结构的第二部分为圆形薄膜结构；圆形薄膜结构位于第一部分和第三部分之间。

2.如权利要求1所述的一种带薄膜型结构的Helmholtz腔声学超材料，其特征在于：所述开孔圆柱型空腔结构是由铝材料制成；所述圆形薄膜结构是粘贴在空腔中间，由硅橡胶制成。

3.如权利要求1所述的一种带薄膜型结构的Helmholtz腔声学超材料，其特征在于：所述圆柱型空腔的外半径为15mm，内半径为14mm，总高度为20～40mm，壁厚为1mm，第三部分底板的厚度为2mm，小孔的深度为2～10mm，小孔的半径为0.4～0.8mm；所述圆形薄膜结构的半径为15mm，厚度为0.1～1.2mm。

4.如权利要求3所述的一种带薄膜型结构的Helmholtz腔声学超材料，其特征在于：内半径r＝14mm，总高度H＝30mm，小孔的半径r₀＝0.8mm，小孔的深度l＝2mm，圆形薄膜结构的厚度d＝1mm。

5.如权利要求1所述的一种带薄膜型结构的Helmholtz腔声学超材料，其特征在于：所开孔的开孔方向正对着声学超材料的入射面。

6.如权利要求1所述的一种带薄膜型结构的Helmholtz腔声学超材料的制备方法，其特征在于：将所述声学超材料结构分成四种不同形式的结构部分，分别是圆柱型底板、薄壁型空腔板、薄膜以及开小孔的圆柱型顶板，对不同形式的圆柱铝板结构，采用线切割工艺对其进行加工，并且将这些结构按照开小孔圆柱型顶板、薄壁型空腔板、薄膜、薄壁型空腔板、圆柱型底板的顺序从上至下用长螺丝固定。

7.由如权利要求1一种带薄膜型结构的Helmholtz腔声学超材料的结构单元形成的组合体，其特征在于：结构单元的组合方式为孔中心距为32mm，围绕中心旋转为60°，即共七个结构单元组成。

8.如权利要求1所述的一种带薄膜型结构的Helmholtz腔声学超材料的制备方法，其特征在于：通过改变结构单元的几何参数，得到想要控制的噪声频率范围，所述结构单元的几何参数包括圆柱型空腔的总高度，小孔半径，薄膜厚度，第一部分和第三部分的高度。