CN107000362A

CN107000362A - 渐进式刚度结构‑声学夹层板

Info

Publication number: CN107000362A
Application number: CN201580055443.3A
Authority: CN
Inventors: E·C·克拉夫; J·M·哈德利; C·G·张; A·J·雅各布森
Original assignee: HRL Laboratories LLC
Current assignee: HRL Laboratories LLC
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2017-08-01
Anticipated expiration: 2035-06-04
Also published as: CN107000362B; EP3180185B1; EP3180185A1; US9352529B2; WO2016025058A1; US20160046095A1; EP3180185A4

Abstract

本发明公开了一种夹层物质，所述夹层物质具有结构强度和显著的声学衰减。在一个实施例中，夹层由固定在两个面板之间的架构芯以及形成芯与面板之间的连接的顺应性层组成。该顺应性芯具有低模量，使得低静态负载下在夹层中低速弹性剪切波。在高静态负载下，顺应性材料变硬并允许夹层表现出显著的结构强度。

Description

渐进式刚度结构-声学夹层板

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年8月12日申请的美国第62/036,564号、名称为“PROGRESSIVESTIFFNESS STRUCTURAL-ACOUSTIC SANDWICH PANEL”的临时申请的优先权和利益，其全部内容通过引用并入本文。

本申请与美国第7,382,959号专利(“专利′959号”)和美国第7,938,989号专利(“专利′989”)相关，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

根据本发明的实施例的一个或多个方面涉及结构板，更具体地涉及提供结构强度和良好声学衰减的复合夹层板。

背景技术

机械应用中使用的片材结构可能在某些情况下受到彼此张力的性能要求的影响。例如，如果片材形成为管子，则需要片材具有有效抵抗环向应力的强度，或者如果该片材被用作承重的平台，例如车辆的地板，则需要具有有效抵抗弯曲应力的强度。还可能需要这种片材弹性衰减例如声波，以便例如在车辆内部提供声音保护。如果为了实现高的声学传输损失选择材料和尺寸，则包括复合片材设计(例如，现有技术的夹层结构)的传统片材结构可能需要牺牲机械刚性。

因此，需要设计一种同时表现出机械强度和高声波衰减的结构。

发明内容

本发明的实施例的方面涉及同时具有结构强度和显著声学衰减的夹层结构。在一个实施例中，夹层结构由固定在两个面板之间的架构芯和形成芯与面板之间的连接的顺应层构成。顺应层具有在低静态负载下导致夹层结构中低速弹性剪切波的低模量。在高静态负载下，顺应性材料变硬并允许夹层结构表现出显著的结构强度和刚度。

根据本发明的一个实施例，提供一种夹层结构，包括：具有第一主表面和背向第一主表面的第二主表面的架构芯；固定到第一主表面的第一面板；和固定到第二主表面的第二面板，芯在第一主表面处包括多个第一基座，多个第一基座中的每一个与第一面板分离多个第一基部间隙中的一个基部间隙，基部间隙具有宽度，每一个所述多个第一基座通过第一基部间隙中的多个第一顺应性基部层中的一个顺应性基部层连接到第一面板，顺应性基部层的厚度等于基部间隙的宽度，并且顺应性基部层的杨氏模量小于第一面板的杨氏模量。

在一个实施例中，该结构包括：通过多个第一自蔓延聚合物波导件限定且沿第一方向延伸的多个第一桁架构件。

在一个实施例中，微桁架材料包括作为主要成分的从包括以下材料的组中选择的材料：聚合物、金属、陶瓷、复合材料以及它们的组合。

在一个实施例中，该结构还包括：多个第一基座壳体，每个对应于多个第一基座中的一个，每个基座壳体固定到第一基座并且围绕相应的基座，每个基座壳体的内侧壁与相应基座的侧壁通过具有宽度的多个侧间隙中的一个侧间隙分离；和多个顺应性侧层，每个顺应性侧层对应于第一基座，每个顺应性侧层具有与侧间隙的宽度相等的厚度并填充侧间隙。

在一个实施例中，多个侧间隙中的每一个的宽度和多个第一基部间隙中的每一个的宽度被选择成使在兴趣频率范围内，剪切波速低于空气中的声速，以及在兴趣频率范围内，弯曲波速不同于空气中的声速，兴趣频率范围是从200Hz到4000Hz的范围。

在一个实施例中，该结构包括：顺应性芯覆盖层，顺应性芯覆盖层涂敷多个第一桁架构件，其中多个第一顺应性基部层、多个顺应性侧层以及顺应性芯覆盖层形成一个材料的一个连续体。

在一个实施例中，材料包括作为主要成分的具有大于0.05的损耗正切的弹性体。

在一个实施例中，多个第一基座中的每一个都包括顶面，并且其中每个相应的基座壳体包括覆盖相应基座的顶面的一部分的顶部，每个基座壳体的内顶面通过具有宽度的顶部间隙与相应基座的顶面分离，并且所述结构还包括多个顺应性顶部层，每个对应于第一基座，每个顺应性顶部层具有与顶部间隙的宽度相等的厚度并填充顶部间隙。

在一个实施例中，基座壳体中的每一个包括作为主要成分的从包括以下材料的组中选择的材料：环氧树脂粘合剂、丙烯酸粘合剂、光聚合物以及它们的组合。

在一个实施例中，多个第一基座壳体中的基座壳体形成一个连续体。

在一个实施例中，微桁架材料还包括：多个第二桁架构件，第二桁架构件通过多个第二自蔓延聚合物波导件限定且沿第二方向延伸；和多个第三桁架构件，多个第三桁架构件通过多个第三自蔓延聚合物波导件限定且沿第三方向延伸，其中第一桁架构件、第二桁架构件和第三桁架构件在多个节点处彼此互相贯通以形成连续的材料。

在一个实施例中，芯为板材形状。

在一个实施例中，多个第一基座中的每一个具有基本上平行于第一面板的基本上平坦的基部表面。

在一个实施例中，对应于第一面板的剪切的结构的切线剪切模量相对于第二面板在第一状态中比在第二状态中小至少30个因子，第一状态对应于小于0.015的静态剪切应变，第二状态对应于大于0.05的静态剪切应变。

在一个实施例中，顺应性基部层包括作为主要成分的从包括以下材料的组中选择的材料：聚氨酯弹性体、热塑性弹性体以及它们的组合。

在一个实施例中，顺应性基部层包括作为主要成分的填充的弹性体。

在一个实施例中，芯包括位于第二主表面处的多个第二基座，第二基座中的每一个具有基本上平坦的基部表面，所述基部表面基本上平行于第二面板、通过多个第二基部间隙中的一个基部间隙与第二面板分离，多个第二基部间隙中的所述基部间隙具有宽度，所述基部表面通过第二基部间隙中的多个第二顺应性基部层中的一个顺应性基部层连结到第二面板，多个第二顺应性基部层中的顺应性基部层的厚度与多个第二基部间隙中的所述基部间隙的宽度相等，多个第二顺应性基部层中的所述顺应性基部层的杨氏模量小于100兆帕(MPa)。

在一个实施例中，芯包括开放容积，开放容积使用多孔材料填充，所述多孔材料被选择成降低芯的开放容积内的声速以及提高结构中的声学传播损失。

在一个实施例中，芯包括开放容积，芯的开放容积通过连续或选择性穿孔的结构的隔膜层细分。

在一个实施例中，该结构包括：形成多个六角形单元的多个单元壁，每个六角形单元具有基本垂直于第一面板和第二面板的轴线，其中第一基座中的每一个沿单元壁的边缘延伸，边缘基本平行于第一面板。

在一个实施例中，多个六角形单元中的每一个包括隔离容积，并且其中隔离容积中的每一个通过连续的或者选择性穿孔的结构的隔膜层细分。

附图说明

下面将参考说明书、权利要求和附图来说明和理解本发明的上述和其它方面和优点，其中：

图1A为根据本发明实施例的复合结构板的横截面的示意图；

图1B为根据本发明另一个实施例的复合结构板的横截面的示意图；

图2A为根据本发明实施例的渐进式复合弹簧的示意图；

图2B为根据本发明实施例的作为图2A的渐进式复合弹簧的位移函数的力的曲线图；

图3为根据本发明实施例的作为复合结构板的应变函数的应力的曲线图；

图4为根据本发明实施例的作为应变函数的复合结构板的切线剪切模量的曲线图；

图5为根据本发明实施例的作为复合结构板的标称剪切应变的函数的剪切波速度的曲线图；

图6A为根据本发明另一个实施例的复合结构板的横截面视图的示意图；

图6B为根据本发明另一个实施例的复合结构板的横截面视图的示意图；

图6C为根据本发明另一个实施例的复合结构板的横截面视图的示意图；

图7A为根据本发明实施例的示例性复合结构板的照片；

图7B为图7A的复合结构板的近照；

图8为作为频率的函数的根据本发明实施例的复合结构板的传输损失以及用作对照的另一个面板的传输损失的曲线图；

图9为作为频率的函数的根据本发明实施例的复合结构板的传输损失以及用作对照的另一个面板的传输损失；

图10为根据本发明实施例的微桁架结构的透视图；

图11为根据本发明实施例的具有蜂窝芯的夹层结构的透视图；和

图12为根据本发明实施例的具有蜂窝芯的夹层结构的横截面视图。

具体实施方式

以下结合附图的详细说明旨在作为根据本发明提供的渐增刚度结构的声学夹层板的示例性实施例的说明，而不旨在代表本发明可以被构造或应用的唯一形式。所述说明与所示实施例相结合来阐述本发明的特征。然而，应当理解的是可以通过不同实施例实现相同或等效的功能和结构，所述不同实施例也包含在本发明的精神和保护范围之内。如本文其它地方所示出的，相同的元件符号旨在指示相同的元件或特征。

本发明的实施例涉及具有低刚度和声学干扰的高阻尼以及对于结构挠度明显更高的刚度的夹层结构。根据一个实施例的夹层板具有片状的构造芯，即，具有基本平行且占芯材的总表面积的主要部分的两个主表面，第一主表面和第二主表面。芯材可以由(或者可以包括，作为主要部件)例如根据第′989专利和第′959专利中公开的方法制造的微桁架材料构成。夹层结构包括芯材和两个面板，芯材被夹在两个面板之间，并且每一个面板都由不同于芯材的材料制成。

根据本发明的一个实施例，该微桁架材料通过使用固定光输入(准直UV光)固化(聚合)可以以三维(3D)图案自蔓延的聚合物光波导件形成。称为光单体的一些液态单体在暴露到光线(例如，UV光)中时发生聚合，并且在聚合过程期间发生折射率变化。折射率变化可以引起聚合物光波导件的形成。如果在适当的条件下将光敏单体暴露于光线(通常为UV)，则聚合的初始区域(例如小的圆形区域)将“捕获”光线并将该光线引导到聚合区域的末端，进一步推进聚合区域。该过程将持续，从而致使沿着其整个长度具有近似(大约)相同横截面尺寸的自蔓延光聚合物波导结构的形成。

因此，可以使用具有二维孔图案的掩模来生成三维聚合物微结构。根据本发明的一个实施例的用于形成3D聚合物微结构的系统包括一个或多个准直光源、具有将在通过光源提供的准直光束波长下聚合的一定容积的单体或“光单体”的贮存器(模具)以及图案形成装置，例如具有多个孔(开口区域)的掩模。所述孔中的每一个都具有给定的形状和尺寸，所述形状和尺寸与波导件的横截面几何结构基本匹配。因为聚合物波导件可以在交叉点或“节点”处交叉且交叉的聚合物波导件可以简单地聚合在一起，因此可以形成真正的三维网络，并且波导件的交叉并不干扰波导传播。多个波导件之间的间距与多个孔的图案相对应。

这样形成的波导件接着可以被用作微桁架材料，或者可以采取后续步骤以更改该材料。例如，可以向波导件和节点添加涂层以形成涂敷的微桁架结构，可以在涂敷之后蚀刻光聚合物以形成中空的微桁架结构，通过移除光聚合物而留下的空隙可以使用另一种材料填充以形成另一种涂敷的微桁架结构，并且可以移除该涂层以形成由不同于光聚合物的材料构成的没有涂敷的微桁架结构。包括或者包含在节点120处交叉的桁架构件110的这些结构中的任一种，例如图10的微桁架结构，可以用作本发明实施例的微桁架芯。另外，如图10所示，微桁架芯可以由桁架构件110的堆叠层形成。

通过这些处理，可以形成由聚合物、金属、陶瓷或者复合材料组成的微桁架结构。在每种情况中，每一个桁架构件由形成桁架构件或者桁架构件的元件的自蔓延聚合物波导件限定，或者是桁架构件的形成中的前体。

参照图1A，由在多个节点120处交叉的多个桁架构件110组成的微桁架芯(例如，构造芯120)被夹在第一面板130和第二面板130之间，并且分别在多个连接点138处固定到第一和第二面板130，其中多个连接点138基本对应于靠近芯的第一和第二主表面139的节点120的位置(还可以参照图10)。在每一个连接点138处，所述芯具有基座135，所述基座具有基本平坦的表面，所述基座与相邻面板的内表面分隔开小的间隙或者“基部间隙”137。基部间隙137填充有顺应性材料以形成复合材料的层140(“顺应性基层”)。在一个实施例中，顺应性材料具有小于100兆帕(MPa)的杨氏模量。在另一个实施例中，顺应性材料具有小于10兆帕(MPa)的杨氏模量。在另一个实施例中，顺应性材料具有低于用于形成桁架构件110和面板130中的一个或这两个的材料的杨氏模量的杨氏模量。

如图1A所示，基座135可以是角锥形形状，例如，如果微桁架由在三个方向上延伸的桁架构件110形成则是四面体，或者如果微桁架由在四个方向上延伸的桁架构件110形成则是四面金字塔形。任何一对桁架构件之间的角度可以是锐角、钝角或者直角。该角度可以在10度到170度之间，投影到可以用于形成微桁架的掩模上。在另一个实施例中，基座136可以是平垫形，例如，圆盘或正方形，如图1B所示。

这些基座135和136可以通过多种方法中的一个或者多个形成。在微桁架板形成期间，延长紫外线(UV)光下的曝光可能会因为热效应而导致节点120生长，并且如果微桁架板的主表面中的一个抵靠光单体贮存器的表面或者一定容积的光单体的顶面，则节点可以形成基座135，其中该基座135具有抵靠贮存器的所述表面或者一定容积的光单体的顶面形成的平坦表面。在另一个实施例中，当形成微桁架板之后，可以将所述微桁架板放置在为具有多个平坦底部孔的平板形式的模具上，微桁架板的主表面中的一个上的每一个节点配合到平坦底部孔中的一个中。平坦底部孔中的每一个都可以使用光单体树脂池填充，并且微桁架板与树脂池的组合可以使用UV光照射，使池中的树脂固化、形成基座136。可以使用该方法以图1B中示出的形式制造基座136，或者，如果使用足够深的孔，则可以形成更高的基座。在另一个实施例中，微桁架板可以浸在光单体树脂中，从而使一滴光单体树脂涂敷微桁架板的主表面中的一个上的每一个节点。然后可以将微桁架板放置在平坦的非粘合表面(例如，聚四氟乙烯表面或涂有脱模剂的表面)上，使每个液滴形成具有平坦表面的形状，并且使用UV光照射，从而使得树脂液滴固化到基座135和136中。

顺应层140可以由多种弹性体中的任意一种构成，包括聚氨酯弹性体和热塑性弹性体，并且所述顺应层可以是填充的弹性体，即由弹性体以及由例如玻璃纤维、玻璃球体或铅粉末组成的非弹性体填充物组成的复合材料。可以通过将微桁架板浸在液态弹性体中将顺应层140施加到基座135和136，一个主表面139一次浸泡到足够涂敷主表面139上的基座135和136的深度。然后，微桁架板可以被夹在面板130之间，并且通过所选择的将顺应层140压缩到期望厚度的力夹紧。然后可以允许顺应层140被固化。

基座135和136中的每一个可以通过形成多个壳体150而被控制抵靠面板130，每个壳体150被固定到面板130且每个壳体例如与四面体或金字塔形基座135的倾斜面(如图1A中所示)或者平坦基座136的侧面或者顶面142重叠。平坦基座136的壳体150可以具有顶部143，顶部143的内顶面144与基座的顶面142形成具有宽度146的顶部间隙145(如图1B所示)。这些壳体150可以由例如环氧树脂形成，从而可以允许以液体形式通过毛细作用到涂敷有弹性体的基座135和136上，然后设置为围绕每个基座135和136粘附到面板130并形成围绕每个基座135和136的壳体150。在其它实施例中，壳体150包括作为主要成分的从包含以下材料的组中选择的材料：环氧粘合剂、丙烯酸粘合剂、光聚合物及它们的组合。围绕每个基座的侧面(“顺应性侧层”)和顶部的顺应层141通常可以具有不同的厚度(并且相应的间隙可以具有不同的宽度)。因此，基座的侧面上的壳体150与基座之间的间隙或者“侧间隙”可以具有与基座135和136的底部上的基座与面板130之间的基部间隙137的宽度不同的宽度。类似地，基座顶部上的壳体150与基座之间的间隙或者“顶部间隙”可以具有与基座135和136的底部上的基座与面板130之间的基部间隙137的宽度不同的宽度。

在一个实施例中，整个芯由用于形成顺应层140的材料涂敷，从而形成顺应性芯覆盖层，使得顺应性基部层、顺应性侧层以及顺应性芯覆盖层形成一种材料的一个连续体。顺应性覆盖层可以为芯提供显著的阻尼，具有例如0.05或者更大的损耗角正切。在一个实施例中，一个面板130刚性地固定到芯材料，并且仅另一个面板130使用顺应层140固定到芯。

当夹层结构处在无应力状态下时，例如当每个基座位于其壳体150的中心时，围绕基座135和136并在基座135和136下方的顺应层140和141比夹层结构受到大应力时更加柔软，并且顺应层明显变形。顺应层的弹性体可以变硬，即，所述顺应层的杨氏模量和其它模量可以随着它的变形而显著增加。这可能使得与夹层结构作为一个整体的每个顺应层接近于图2A中示意性示出的渐进式复式弹簧系统的性能。该复式弹簧系统由两个弹簧元件组成，其中一个直到复式弹簧系统被压缩δ^*的量才会对弹簧常数有贡献。当应力，即复式弹簧系统的压缩，超过该阀值时，第二弹簧元件开始提供附加的恢复力，并且弹簧常数从k₁增加到k₁+k₂，如图2B所示。本发明的实施例类似地提供了使用渐进式弹簧系统的机械等效物的结构，以便在非常低的应变状态(典型地是声学干扰)中保持具有优异的声学性能的顺应壁响应，同时还对典型的结构负荷的相对更高的应变状态获得刚性的结构响应。这可以通过确保构造芯具有几何特征来实现，该几何特征确保具有涂层的芯在非常低的应变声学干扰状态下与夹层结构中的一个或两个基座很好地隔离，并且对于相对较高的应变结构挠度状态被牢固地固定到两个面板。如此构造的夹层板可以具有隔离两种功能(降噪和结构刚度)的竞争刚度要求的优点，并且可以同时满足两者的需求而不会明显牺牲任何一个的性能。

根据本发明的一个实施例形成的结构的用于减弱声波的能力可以作如下理解。传播通过空气的声学干扰在与结构相互作用时激起振动。对于这些声学干扰，夹层板以不同的模式回应，所述模式为反对称的“剪切”模式或者对称的“弯曲”模式。对称模式由面板内的弯曲和伸展变形以及芯中的伸展变形组成。反对称模式由面板内的弯曲和伸展变形以及面板之间的芯内的主要剪切变形组成。当弯曲波速与空气中的声速相匹配时，反对称临界频率发生并表现为传输损耗明显下降，称为同时发生。对于具有高剪切刚度的夹层板，发生这种情况的频率为：

其中，Ca为空气中的声速，M'为面板的面积密度，ρ为芯的质量密度，h为芯的厚度，B为由下面的方程描述的面板弯曲刚度：

其中，E_f、t和ν分别为面板杨氏模量、面板厚度以及面板泊松比。在临界频率处及其以上，与相同质量的高度柔性壁相比，声学传输损失大大降低。根据传输损失(TL)的质量定律方程式，具有可忽略的弯曲刚度的面板的表现为：

其中，ρ_air和c_air为空气密度和空气中的声速，M为整个面板的面积密度，以及θ为入射声波的入射角度(法向入射角度为0°)。

如果使用具有足够低的剪切模量的夹层芯，则可以激励中频范围内的声波以激发横向剪切波而不是弯曲波。这需要面板加权的剪切波速略小于空气中的声速，即，

其中，μ是芯的剪切模量。当芯剪切模量接近0时，该技术的上临界频率极限是单个面板本身的重合频率，由下面的方程式说明：

以及

通过足够低的剪切波速(由足够低的芯剪切模量引起)，临界频率从夹层板整体朝着单个面板的临界频率向上移动。然而，当芯的剪切模量接近0时，夹层板的结构刚度也接近0。

另一种形式的重合，对称重合，发生在夹层板的双壁共振频率f_dw:

其中，E₃₃是芯的贯穿厚度模量。

为了改进(即，增加)板的传输损失，在一个实施例中，这些临界频率都不发生在感兴趣的频率范围(例如，约200Hz到4000Hz)内。这可以通过选择(i)具有非常低的μ和E₃₃的非常软的芯(以产生高反对称和低对称重合)或者(ii)非常低的μ和非常高的E₃₃(高反对称和高对称重合频率)和/或(iii)具有低弯曲刚度(柔性质量(limp mass))的非常高的质量和/或(iv)非常高的阻尼来实现。

相反地，结构坚固(例如，有效的)的结构夹层板需要高弯曲刚度、高横向压缩强度和剪切负荷以及低质量。因此，结构夹层板的要求可能与具有高声学TL的板的要求对立。

通过声波在夹层板中引起的位移可以显著低于结构板中可接受的位移。尽管结构板根据应用被设计为非常轻且坚硬，但是该刚度并不总是需要在板横向偏转的前10到1000微米(μm)内。本发明的实施例使用具有良好阻尼特性的顺应性涂层来适应初始的低刚度状态，以便获得高传输损失以及相对刚性构造的结构芯以获得良好的机械性能。

对本发明实施例进行二维有限元模拟，以确定伴随增加的剪切应变的芯剪切刚度变化。在本项研究中使用由具有弹性体涂层的铝构成的架构芯，其中所述芯被固定地与顶部面板和底部面板互锁以形成夹层结构。模拟的结果如图3-5中所示。图3示出作为应变的函数的渐进式刚度夹层中的应力。图4示出渐进式刚度夹层的切线剪切模量与剪切应变(多点平均)在第一(低剪切应变)状态下比在第二(高剪切应变)状态下少至少30个系数，第一状态对应于小于0.015的静态剪切应变，第二状态对应于大于0.05的静态剪切应变。图5示出渐进式刚度夹层的剪切波速与剪切应变，并且空气中的声速(Mach 1)被显示以供参考。该模拟显示通过弹性体层和适当的底部设计，即使在架构芯的相对较高模量的母体材料(铝)的情况下，也可以获得小于Mach 1的芯剪切波速(空气中的声速)。在较高剪切应变下，弹性体层被充分压缩，并且芯材料的剪切模量增加到没有软夹层的架构铝芯的剪切模量。

下表显示了有限元模拟中使用的材料属性：

表1

在一些实施例中，上述一组壳体可以形成具有用于每个基座的空腔的连续片材，或者夹层的一个侧面上(即，芯的主表面中的一个上)的基座135和136可以固定到相应的面板而不需要顺应层。在一个实施例中，芯不是微桁架结构，而是不同的构架材料，例如蜂窝，如图11所示。蜂窝芯例如可以被定向，以使蜂窝的每个单元1110的轴线大致垂直于蜂窝夹层面板130。可以通过例如将蜂窝片材的主表面浸入环氧树脂中并将该片材设置在无粘性的平坦表面上，以使得环氧树脂在固化前可以下垂到平坦表面上，从而形成基座的平坦底部以及抵靠在蜂窝单元的单元壁720的每一侧的圆角，在每个单元的端部的每一个边缘上形成细长的基座。在本实施例中，每一个细长基座的每一个端部可以连结到相邻蜂窝细胞壁的基座。图12示出具有蜂窝芯的实施例的穿过面板130、蜂窝芯壁720、基座135、顺应层141以及壳体150的横截面。每一个单元1110可以具有通过隔膜层773细分的隔离容积1115。

由于弯曲模式和剪切模式使顺应层在每个基座的基部处和环绕每个基部的侧面不同地(即，在压缩和剪切中不同程度的)变形，因此可以通过独立地调节这些层的厚度来独立地调节弯曲波速和剪切波速。

其它实施例可以包括提高结构的性能的其它特征。例如，芯的开放容积1205可以填充多孔材料1210(图12)，以便通过降低芯的开放容积内的声速来增加声学传播损失，或者芯的开放容积可以由连续或者选择性穿孔结构的隔膜层进行细分以提高声学传播损失。在蜂窝芯的情况中，每个蜂窝单元内的隔离容积可以通过连续性或选择性的穿孔结构的隔膜层进行细分，以便提高声学传播损失。

图6A-6C示出本发明的另外实施例的三个二维示意图。图6A中的实施例具有面板605和靠近芯的中间平面的顺应层610。所述芯包括连接到上面板的棱柱形支柱，其在包括棱柱形的“T”形突起的接合处在中间平面附近相遇。芯还包括连接到下面板的棱柱形支柱，其在包括被构造为容纳所述“T”形突起的棱柱形通道的接合处在靠近中间平面处相遇。图6B和6C的实施例具有面板615和616，面板615和616中的袋状部620和630容纳芯构件的端部并且围绕顺应层640。用于将芯材料与一个或两个面板隔离的任何连接设计都可以提供可接受的特征；然而，另外对每个单元的旋转自由度进行限制的实施例，例如图1A和1B中的实施例，从改进的性能中获益。

尽管结构化性能和声学性能要求在一些应用中是紧张的，但是本发明的实施例通过分离问题(声学干扰和结构挠度)的响应区域以及在每个区域中确保良好的性能显著地提高结构化-声学夹层板性能。本发明的实施例可以不需要添加复杂的机械或主动系统(例如，调谐的质量-弹簧谐振器，或者机电致动器)或者包括可以明显地削弱面板或降低其结构效率的特征(例如，开槽泡沫芯或寄生质量)，以便获得期望的具有高声学传播损失的结构板的目标。根据本发明制造的结构板可以用在轻质结构部件中，该轻质结构部件还作为外部噪音的屏障，例如车辆地板或者其它外部或内部板。在地板的情况中，例如，当乘客进入或者离开车辆时，地板可以转向高刚度状态、承载乘客重量，并且一旦乘客坐在她或他的座位上，地板可以返回到低刚度状态、表现出低剪切波速和良好的声学衰减。根据实施例制造的结构板或弯曲片材的另外应用包括容纳旋转或往复式机械的结构化外壳，其可产生空气携带或结构承载的振动，例如底座舱或机舱，或者可以将结构承载的振动传递到客舱的任意合适的部件。

示例

本发明的实施例的一个示例使用1mm厚的6061-T6铝面板、构造的光聚合物微桁架芯以及在芯的末端节点处的基座上涂敷的2部分聚氨酯弹性体制造(图7A和7B)。涂敷有弹性体的架构芯使用环氧树脂膜粘合剂连结到面板，该环氧树脂膜粘合剂在高温固化期间围绕架构芯的涂敷有弹性体的底部形成毛细作用，因此形成多个平开窗，该多个平开窗在面板和涂敷有弹性体的芯材料之间形成机械互锁。

作为比较，还构造具有无涂层构造的聚合物微桁架芯的“对照”夹层结构。对两个夹层板做声学传播损失测试；在图8中示出结果，第一曲线810示出本示例的传播损失，第二曲线820示出对照结构的传播损失。还示出呈现本示例的密度的质量定律模型预期的传播损失的曲线830，以及呈现对照结构的密度的质量定律模型预期的传播损失。图9中示出质量定律标准化结果(计算为分别以dB计算本示例或对照结构的传播损失(例如，图8)与同样以dB计算的对应的质量定律传播损失的比)，其中第一曲线910示出本示例的质量定律标准化传播损失的移动平均值，第二曲线920示出对照结构的质量定律标准化传播损失的移动平均值。每个测试板具有0.533m x 0.533m以及0.0127m的芯厚度的尺寸。该测试的渐进式刚度板具有9.1kg/m²的面积密度，对照板具有10.27kg/m²的面积密度。

本示例结构显示出优于300Hz和1000Hz之间以及1800Hz和2400Hz之间的质量定律性能。由于双壁共振(对称重合)调谐不良，在这些区域之间的区域下降到质量定律性能之下。在一个实施例中，双壁共振将被调谐到兴趣频率范围之外。该示例还显示出在2600Hz附近表现出反对称重合。在一个实施例中，剪切刚度将下降以在高于兴趣频率范围时获得反对称重合。由于弹性体中间层提供的高阻尼，即使重合，传播损失也不会降到质量定律传播损失的大致(大约)75％以下。对照结构显示比质量定律传播损失更好的小区域，但是在高于大约1400Hz时，反对称重合效应使得对照结构的传播损失性能显著下降到质量定律传播损失之下、3200Hz左右时达到质量定律传播损失的50％以下。

术语“夹层结构”、“夹层板”以及类似的“夹层”在本文可互换使用，为同义词。应当理解的是，尽管在本文中使用术语“第一”、“第二”、“第三”等等说明多种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件、组件、区域、层或节段与另一个元件、组件、区域、层或部分。因此，在不背离本发明的精神和范围的情况下，下文中讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分。

如图所示，本文中使用空间位置关系术语，例如“在……之下”、“在……下面”、“下级的”、“在……之上”、“在……上面”以及类似术语，以便于说明书一个元件或者特征相对于另一个元件或特征的关系。应当理解的是，附图中所示的取向之外，空间位置关系术语旨在包括使用中或操作中的装置的不同位置关系。例如，如果图中的装置被翻转，被描述为相对于其它元件或者特征“在……下面”或“在……之下”或“在……下方”的元件将被定向为相对于其它元件或者特征“在……之上”。因此，示例性术语“在……之下”和“在……下面”可以同时包含“在……之上”和“在……之下”的方向。装置可以以其它方式定向(例如，旋转90度或者其它方向)，并且本文中使用的空间位置关系说明应当作相应的理解。另外，还应当理解的是当一个层被称为在两个层“之间”时，它可以是这两个层之间的唯一一个层，或者也可以存在一个或多个中间层。

本文使用的术语是仅为说明特定实施例的目的，并不旨在限制本发明的范围。如本文所使用的，术语“大致”、“大约”以及类似术语被用作相近的术语而非程度术语，并且旨在解释本领域技术人员应当理解的测量或计算值中存在的固有误差。如本文所使用的，术语“主要部件”意味着部件构成组合物重量的至少一半，以及当术语“主要部分”应用到多个项目时，意味着这些项目的至少一半。

如本文所使用的，单数形式的“一个”旨在包括复数形式，除非上下文中另有清楚的显示。还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”时，指特定的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在。如本文中所使用的，术语“和/或”包括相关列出的术语的一个或多个的任意的和全部的组合。当在元件列表之前表达例如“至少一个”时，修改整个元件列表并且不修改该列表中的单个元件。此外，当描述本发明概念的实施例时使用“可以”，指“一个或多个本发明的实施例”。同样地，术语“示例性”旨在表示示例或说明。

如本文中所使用的，术语“使用”可以被认为与术语“利用”同义。

应当理解的是，当元件或层被称为“在……上”、“连接到”、“耦合到”或者“相邻”另一个元件或层时，它可以直接在该另一个元件之上、连接到、耦合到或者相邻于另一个元件或层，或者存在一个或多个中间元件或层。相反地，当元件或层被称为“直接在……上”、“直接连接到”、“直接耦合到”或者“直接相邻”另一个元件或层时，则没有中间元件或层的存在。

尽管这里对具体说明并示出了渐进式刚度结构-声学夹层板的示例性实施例，但是很多其它修改和变化对本领域技术人员来说是显而易见的。据此，根据本发明原则构造的的渐进式刚度结构-声学夹层板可以实现为这里的说明之外的形式。本发明还限定在以下的权利要求及其同等物中。

Claims

1.一种夹层结构，包括：

架构芯，所述架构芯具有第一主表面和背向所述第一主表面的第二主表面；

第一面板，所述第一面板固定到所述第一主表面；和

第二面板，所述第二面板固定到所述第二主表面，

所述芯在所述第一主表面处包括多个第一基座，

所述多个第一基座中的每一个：

与所述第一面板分开多个第一基部间隙中的一个基部间隙，所述基部间隙具有宽度，和

通过所述第一基部间隙中的多个第一顺应性基部层连结到所述第一面板，所述顺应性基部层的厚度等于所述基部间隙的所述宽度，并且所述顺应性基部层的杨氏模量小于所述第一面板的杨氏模量。

2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述芯包括作为主要部件的微桁架物质，所述微桁架物质包括：

多个第一桁架构件，所述多个第一桁架构件通过多个第一自蔓延聚合物波导件限定并沿着第一方向延伸。

3.根据权利要求2所述的结构，其中，所述微桁架物质包括作为主要成分的从包括以下材料的组中选择的材料：聚合物、金属、陶瓷、复合材料及其组合。

4.根据权利要求2所述的结构，还包括：

多个第一基座壳体，每一个所述第一基座壳体对应于所述多个第一基座中的一个，每一个所述第一基座壳体固定到所述第一基座且围绕相应的基座，每一个所述基座壳体的内侧壁与所述相应的基座的侧壁分开多个侧间隙中的侧间隙，所述侧间隙具有宽度；和

多个顺应性侧层，每一个所述顺应性侧层对应于第一基座，每一个所述顺应性侧层具有与所述侧间隙的所述宽度相等的厚度并填充所述侧间隙。

5.根据权利要求4所述的结构，其中，所述多个侧间隙中的每一个的所述宽度和所述多个第一基部间隙中的每一个的所述宽度被选择为使得在兴趣频率范围内，剪切波速低于空气中的声速，以及在所述兴趣频率范围内，弯曲波速不同于所述空气中的声速，所述兴趣频率范围是从200Hz到4000Hz的范围。

6.根据权利要求4所述的结构，还包括：

顺应性芯覆盖层，所述顺应性芯覆盖层涂敷所述多个第一桁架构件，

其中，所述多个第一顺应性基部层、所述多个顺应性侧层以及所述顺应性芯覆盖层形成一个物质的一个连续体。

7.根据权利要求6所述的结构，其中，所述物质包括作为主要成分的具有大于0.05的损耗正切的弹性体。

8.根据权利要求4所述的结构，其中：

所述多个第一基座中的每一个都包括顶面，并且其中每一个相应的基座壳体包括覆盖所述相应的基座的所述顶面的一部分的顶部，每一个所述基座壳体的内顶面与所述相应的基座的顶面分开具有宽度的顶部间隙；以及

所述结构还包括多个顺应性顶部层，每一个所述顺应性顶部层对应于第一基座，每一个顺应性顶部层具有与所述顶部间隙的所述宽度相等的厚度并填充所述顶部间隙。

9.根据权利要求4所述的结构，其中，所述基座壳体中的每一个都包括作为主要成分的从包括以下材料的组中选择的材料：环氧树脂粘合剂、丙烯酸粘合剂、光聚合物及其组合。

10.根据权利要求4所述的结构，其中，所述多个第一基座壳体中的所述基座壳体形成一个连续体。

11.根据权利要求2所述的结构，其中，所述微桁架物质还包括：

多个第二桁架构件，所述多个第二桁架构件通过多个第二自蔓延聚合物波导件限定并沿着第二方向延伸；和

多个第三桁架构件，所述多个第三桁架构件通过多个第三自蔓延聚合物波导件限定并沿着第三方向延伸，

其中，所述第一桁架构件、所述第二桁架构件和所述第三桁架构件在多个节点处彼此互相贯通以形成连续的物质。

12.根据权利要求1所述的结构，其中，所述芯为板材形状。

13.根据权利要求1所述的结构，其中，所述多个第一基座中的每一个具有基本上平行于所述第一面板的基本上平坦的基部表面。

14.根据权利要求1所述的结构，其中，与所述第一面板相对于所述第二面板的剪切相对应的所述结构的切线剪切模量在第一状态下比在第二状态下小至少30个因子，所述第一状态对应于小于0.015的静态剪切应变，所述第二状态对应于大于0.05的静态剪切应变。

15.根据权利要求1所述的结构，其中，所述顺应性基部层包括作为主要成分的从包括以下材料的组中选择的材料：聚氨酯弹性体、热塑性弹性体及其组合。

16.根据权利要求1所述的结构，其中，所述顺应性基部层包括作为主要部件的填充的弹性体。

17.根据权利要求1所述的结构，其中，所述芯包括位于所述第二主表面处的多个第二基座，

所述第二基座中的每一个：具有基本上平行于所述第二面板的基本上平坦的基部表面；

与所述第二面板分开多个第二基部间隙中的一个基部间隙，所述多个第二基部间隙中的所述基部间隙具有宽度；和

通过所述第二基部间隙中的多个第二顺应性基部层中的一个顺应性基部层连结到所述第二面板，所述多个第二顺应性基部层中的所述顺应性基部层的所述厚度与所述多个第二基部间隙中的所述基部间隙的所述宽度相等，以及所述多个第二顺应性基部层中的所述顺应性基部层的杨氏模量小于100兆帕(MPa)。

18.根据权利要求1所述的结构，其中，所述芯包括开放容积，所述开放容积使用多孔材料填充，所述多孔材料被选择为降低所述芯的所述开放容积内的声速以及提高所述结构中的声学传播损失。

19.根据权利要求1所述的结构，其中，所述芯包括开放容积，所述芯的所述开放容积通过连续或选择性的穿孔结构的隔膜层细分。

20.根据权利要求1所述的结构，其中，所述芯包括作为主要成分的蜂窝材料，所述蜂窝材料包括：

多个单元壁，所述多个单元壁形成多个六角形单元，每一个所述六角形单元都具有基本上垂直于所述第一面板和所述第二面板的轴线，

其中，所述第一基座中的每一个沿着单元壁的边缘延伸，所述边缘基本平行于所述第一面板。

21.根据权利要求20所述的结构，其中，所述多个六角形单元中的每一个都包括隔离容积，并且其中所述隔离容积中的每一个通过连续或者选择性的穿孔结构的隔膜层细分。