CN108847211B - 一种声学结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种声学结构及其设计方法，其中所述声学结构包括依次设置的穿孔板层、共振型超材料层和背板层，所述穿孔板层和所述共振型超材料层之间具有第一空腔，所述共振型超材料层和所述背板层之间具有第二空腔，所述穿孔板层与所述第一空腔构成第一共振吸声体，所述共振型超材料层与所述第二空腔构成第二共振吸声体；如果所述第二共振吸声体处于共振态，则所述背板层的振动响应幅度接近于零。所述声学结构的结构简单轻薄、容易组装维护。

Description

一种声学结构及其设计方法

技术领域

本发明实施例涉及声学领域，特别涉及一种声学结构及其设计方法。

背景技术

日常生活中遇到的噪声大部分为机械噪声，其能量多集中在1000Hz以内的低频段。这些机械噪声通常由两类传播路径到达接收者，即空气路径和结构路径。一种有效的降噪手段是在声源和接收者之间放置声学结构，例如动力设备的外壳、交通沿线的阻隔物以及住宅建筑的屏风、隔声墙等。

针对空气路径的噪声传播问题，所涉及的声学结构需要具备优良的吸声、隔声性能，以尽可能多的对传播而来的噪声进行吸收和隔离，减少到达接收者的噪声量级。传统技术通常采用穿孔板和吸音棉来满足高吸声要求，采用密实板来满足高隔声要求。然而，受其工作机理限制，采用穿孔板和吸音棉通常只能带来优良的中、高频吸声性能，而如果欲在低频具备令人满意的吸声性能，则不得不增加厚度方向的尺寸，即采用更大空腔间距的穿孔板和更大厚度的吸音棉。另一方面，采用密实板的隔声结构无法摆脱“隔声质量定律”的限制，即频率每降低一半，隔声量下降6分贝；板的面密度每减少一半，隔声量下降6分贝。显而易见，采用密实板的隔声结构需要付出极大的重量代价才能够提升其低频的隔声能力。针对结构路径的噪声传播问题，则要求所采用的声学结构具备优良的吸振性能，以尽可能多的阻断沿结构传播的噪声。

已有的一些声学结构中采用将薄膜共振吸声体与穿孔板相结合的结构，但是这些结构仅依靠共振单元的共振频率实现低频吸声和结构振动抑制，其吸声带宽狭窄。

综上，噪声控制领域尚未有一种声学结构在整体结构简单轻薄的前提下，可以解决空气路径和结构路径这两类路径的低频噪声传播问题。

发明内容

本发明实施例解决的问题是如何设计一种结构简单轻薄且能够有效解决空气路径和结构路径这两类路径的低频噪声传播问题的声学结构。

为解决上述问题，本发明的实施例提供一种声学结构，包括依次设置的穿孔板层、共振型超材料层和背板层，所述穿孔板层和所述共振型超材料层之间具有第一空腔，所述共振型超材料层和所述背板层之间具有第二空腔，所述穿孔板层与所述第一空腔构成第一共振吸声体，所述共振型超材料层与所述第二空腔构成第二共振吸声体；如果所述第二共振吸声体处于共振态，则所述背板层的振动响应幅度接近于零。

具体的，所述第一共振吸声体的共振频率与所述第二共振吸声体的共振频率不同。

具体的，所述第一共振吸声体的共振频率与所述第二共振吸声体的反共振频率一致。

具体的，所述共振型超材料层包括至少一个共振单元，所述至少一个共振单元中的每个共振单元包括依次堆叠设置的支承体、薄片和质量块，所述质量块包括至少一个尖角。

具体的，所述质量块的形状为四边形、三角形、新月形、五边形或六边形。

具体的，所述支承体具有相对的两面，一面与所述背板层相连，另一面与所述薄片相连。

具体的，多个所述至少一个共振单元间存在间隙。

具体的，所述至少一个共振单元的所述质量块的面积为所述至少一个共振单元的所述薄片面积的0倍-0.5倍。

具体的，所述质量块在薄片上的排布方式为阵列排布。

具体的，所述质量块在薄片上的排布方式为随机排布。

具体的，所述薄片为阻尼薄片，其阻尼含量为0.0001-0.9。

具体的，所述薄片与所述质量块或所述支承体的连接部位具有含阻尼的材料。

具体的，所述至少一个共振单元中至少有一部分共振单元的质量块的数量不同。

具体的，所述支承体为中空结构，所述支承体的外围形状和内围形状相同。

具体的，所述薄片的外围尺寸和形状与所述支承体的外围尺寸和形状相同。

具体的，所述支承体、所述薄片和所述质量块的制备材料相同。

具体的，所述支承体与所述背板层为一体化结构。

具体的，所述第一空腔与所述第二空腔内具有吸声材料。

具体的，所述穿孔板层的穿孔率为0.1％-5％。

具体的，所述穿孔板层的开口为狭缝形、圆角矩形、椭圆形或圆形。

具体的，所述背板层为密实板。

具体的，所述共振型超材料层包括至少一个共振单元，所述至少一个共振单元中的每个包括依次堆叠设置的支承体和薄片。

本发明的实施例还提供了一种声学结构的设计方法，用于确定上述任一所述声学结构的参数，包括：获取待消除噪声的结构路径噪声频谱和空气路径噪声频谱；确定所述声学结构的总体厚度；确定所述第一共振吸声体的共振频率和所述第二共振吸声体的反共振频率；确定所述背板层的材质及结构。

具体的，所述确定所述第一共振吸声体的共振频率和所述第二共振吸声体的反共振频率包括：根据所述待消除噪声的空气路径噪声频谱和所述声学结构的总体厚度确定所述第一空腔的厚度；确定所述第一空腔的厚度后，确定所述第一共振吸声体的共振频率；根据所述第一共振吸声体的共振频率，确定所述第二共振吸声体的反共振频率，所述第一共振吸声体的共振频率与所述第二共振吸声体的反共振频率一致；根据所述待消除噪声的结构路径噪声频谱确定所述第二共振吸声体的共振频率。

具体的，所述确定所述第一共振吸声体的共振频率和所述第二共振吸声体的反共振频率包括：根据所述待消除噪声的结构路径噪声频谱确定所述第二共振吸声体的共振频率；根据所述第二共振吸声体的共振频率，确定所述第二共振吸声体的反共振频率；根据所述待消除噪声的空气路径噪声频谱、所述声学结构的总体厚度和所述第二共振吸声体的反共振频率，确定所述第一空腔的厚度；根据所述第一空腔的厚度，确定所述第一共振吸声体的共振频率；所述第一共振吸声体的共振频率与所述第二共振吸声体的反共振频率一致。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的声学结构包括所述穿孔板层与所述第一空腔构成第一共振吸声体，所述共振型超材料层与所述第二空腔构成第二共振吸声体所述声学结构的整体结构简单轻薄。

进一步，针对空气路径的噪声传播问题，所述第一共振吸声体的共振频率与所述第二共振吸声体的反共振频率相一致，此时所述声学结构利用第二共振吸声体产生的全反射现象提升背板层的隔声性能，避免声能透射对吸声效果的影响。因此无需再提供全反射的刚性壁面，可直接应用于自由空间声场，拓展了所述声学结构的应用范围。

进一步，所述第一共振吸声体和所述第二共振吸声体的共振频率不一致，可以组合两个共振吸声体的吸声带宽，从而产生宽频段的优良吸声性能。而且，当所述第二共振吸声体在其共振频率工作时，还能够针对结构路径的噪声传播问题，利用动力吸振现象有效抑制声学结构的振动响应幅度，进而降低背板层的振声辐射能力。因此，所述声学结构具有优良的低频宽带吸声、隔声性能和抑制结构振声辐射的性能。

进一步，所述穿孔板层的开口为狭缝形开口，方便加工、透光性好以及不易积灰，适于室外的长期使用。

附图说明

图1是噪声传播路径和放置在声源和接收者之间的声学结构的应用场景示意图；

图2是本发明一个实施例中的一种声学结构的示意图；

图3是图2中声学结构对空气路径噪声传播控制所使用的传递矩阵模型示意图；

图4是图2中声学结构对结构路径噪声传播控制所使用的两自由度系统模型示意图；

图5是图2中的共振型超材料层12的一个实施例的结构示意图；

图6是图2中的共振型超材料层12的另一个实施例的结构示意图；

图7是图2中的共振型超材料层12的另一个实施例的结构示意图；

图8是本发明一个实施例的刚性末端条件下的声学结构10的吸声特性有限元计算结果；

图9是声学结构10与未优化的声学结构的吸声特性有限元计算结果对比；

图10是本发明一个实施例的消声末端条件下的声学结构10的吸声特性有限元计算结果；

图11是本发明一个实施例的消声末端条件下的声学结构10的隔声特性有限元计算结果；

图12是本发明一个实施例的声学结构10的振动抑制特性有限元计算结果；

图13是本发明另一个实施例中的一种声学结构的示意图；

图14是本发明另一个实施例的消声末端条件下的声学结构的吸声特性试验测试结果；

图15是本发明一个实施例中的声学结构设计方法的流程图；

图16是图15中一种确定第一共振吸声体的共振频率和第二共振吸声体的反共振频率的方法的流程图；

图17是图15中另一种确定第一共振吸声体的共振频率和第二共振吸声体的反共振频率的方法的流程图。

具体实施方式

为了降低噪声，现有的降噪手段各种各样，在声源和接收者之间放置声学结构即为这些降噪手段中常用的一种，下面将以放置在声源和接收者之间的声学结构的应用为例，说明噪声的消除原理。

图1是噪声传播路径和放置在声源1和接收者3之间的声学结构2的应用场景示意图。如图1所示，声源1发出的噪声的传播路径通常有两条路径：一是通过空气路径4进行传播，二是通过结构路径5进行传播。两条路径均能够引起所放置的声学结构2靠近接收者3一侧的结构振动，进而产生振声辐射6，最终通过空气路径7传递到接收者3。而当前的噪声控制领域尚未有一种声学结构在整体结构轻薄的前提下，可以有效解决空气路径和结构路径这两类路径的低频噪声传播问题。

为解决上述问题，本发明的实施例所提供的声学结构，具有如下工作机理:

本发明所提供的声学结构包括依次设置的穿孔板层、共振型超材料层和背板层。穿孔板层和共振型超材料层之间具有第一空腔，共振型超材料层和背板层之间具有第二空腔，使得穿孔板层与第一空腔构成第一共振吸声体，共振型超材料层与第二空腔构成第二共振吸声体。

针对空气路径的噪声传播，第一共振吸声体的共振频率与第二共振吸声体的反共振频率相一致。当第二共振吸声体在反共振频率工作时，其等效表面阻抗非常大，从而可以将此时的共振型超材料层视为一种声波全反射层，避免声能透射对吸声效果的影响，保证第一共振吸声体的高吸声性能。此外，第一共振吸声体和第二共振吸声体的共振频率不一致，可以组合两个共振吸声体的吸声带宽，从而产生宽频段的优良吸声性能。

针对结构路径的噪声传播，第二共振吸声体在其共振频率工作时相当于动力吸振结构，能够利用动力吸振现象有效抑制声学结构的振动响应幅度，进而降低背板层的振声辐射能力。

为使本发明声学结构的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明声学结构的具体实施例做详细的说明。

如图2和图3所示，图2是本发明一个实施例中的声学结构10的示意图，

图3是图2中声学结构10对空气路径噪声传播控制所使用的传递矩阵模型示意图。

该声学结构包括依次设置的穿孔板层11、共振型超材料层12和背板层13，穿孔板层11和共振型超材料层12之间具有第一空腔14，共振型超材料层12和背板层13之间具有第二空腔15(图2中未示出，可参见图3)，穿孔板层与第一空腔构14成第一共振吸声体16(图2中未示出，可参见图3)，共振型超材料层与12与第二空腔构15构成第二共振吸声体17(图2中未示出，可参见图3)；如果第二共振吸声体17处于共振态，则背板层的振动响应幅度接近于零。

需要说明的是，穿孔板层11和共振型超材料层12间可以存有一定的间隙，该间隙可以构成穿孔板层11和共振型超材料层12之间的第一空腔14；共振型超材料层12和背板层13之间可以存有一定的间隙，该间隙可以构成共振型超材料层12和背板层13之间具有第二空腔15。

需要说明的是，在实际应用中，声学结构10用于降低噪声，所以可以用噪声源作为参考点，声学结构10按照距离噪声源由近及远的关系，依次设置有穿孔板层11、共振型超材料层12和背板层13。

上述声学结构10的第一共振吸声体16处于共振态时，可以吸收空气路径传播的噪声。同时，第二共振吸声体17处于共振态时，相当于动力吸振结构，能够利用动力吸振现象有效抑制声学结构的振动响应幅度，进而降低背板层的振声辐射能力。关于动力吸振现象的抑振原理，将在之后详细介绍。

因此，通过上述声学结构10，不仅整体结构简单轻薄，而且可以抑制结构振声辐射，削弱空气路径和结构路径这两类路径传播的低频噪声。

在本发明的一些实施例中，第一共振吸声体16的共振频率与第二共振吸声体17的共振频率不同。这样，可以组合两个共振吸声体的吸声带宽，从而产生宽频带的吸声性能。

在本发明的一些实施例中，第一共振吸声体16的共振频率与第二共振吸声体17的反共振频率一致。这样，第二共振吸声体17处于反共振态时，共振型超材料层12也处于反共振态中，从而可以将此时的共振型超材料12层视为一种声波全反射层，共振型超材料层12将穿透第一共振吸声体16的声波反射。此时，第一共振吸声体16的共振频率与第二共振吸声体17的反共振频率相一致，则可以进一步提升吸声效果。

需要说明的是，上述声学结构10可以具有多个工作状态，其各个工作状态根据外界声源即待降低噪声的频率而变化。声学结构10的工作状态是由其包含的第一共振吸声体16和第二共振吸声体17以及背板层13综合作用的结果。例如，上述声学结构10的工作状态可以包括第一共振吸声体16处于共振态时，第二共振吸声体17处于共振态；声学结构10的工作状态还可以包括，第一共振吸声体16处于共振态时，第二共振吸声体17处于反共振态。

在一些实施例中，当第二共振吸声体17处于反共振态时，其等效表面阻抗非常大，从而可以将此时的共振型超材料12层视为一种声波全反射层，共振型超材料层12将穿透第一共振吸声体16的声波反射。此时，如果穿孔板层11和第一空腔14组成的第一共振吸声体16的共振频率与第二吸声体17的反共振频率相一致，则可以提升吸声效果；另一方面，当第二共振吸声体17处于共振态时，其可以通过自身的薄片振动(包含平面振动、弯曲振动或质量块剪切运动)产生吸声效果，进一步的，如果第二共振吸声体17的共振频率和第一共振吸声体16的共振频率不一致，则可以组合两个共振吸声体的吸声带宽，从而产生宽频段的优良吸声性能。此外，当第二共振吸声体17处于共振态时，还相当于动力吸振结构，能够利用动力吸振现象有效抑制声学结构的振动响应幅度，进而降低背板层的振声辐射能力。关于动力吸振现象的抑振原理，将在之后详细介绍。

因此，前文所述的声学结构10，不仅整体结构简单轻薄，而且可以削弱空气路径和结构路径这两类路径传播的低频噪声。该声学结构10具有良好的低频宽带吸声、隔声性能和抑制结构振声辐射的性能。

接下来分别结合图3和图4说明图2中声学结构10对两种路径噪声传播控制效果的分析和设计方法。

图4是图2中声学结构10对结构路径噪声传播控制所使用的两自由度系统模型示意图。需要说明的是，图3中的矩形框图仅为示意性说明声学结构10的动态特性，即声学结构10应对不同频率声波时的透射、反射和吸收特性，所以图3中的矩形框图并不代表实际的结构，仅用于说明不同结构间的相对位置关系，并且这些框图表示此处结构可以用传递矩阵来进行其动态特性的描述。声学结构10的设计主要在于对各构成层的传递阻抗的组合匹配设计，即根据各构成层间的相互影响关系设计每一构成层的传递阻抗，而传递阻抗又可以由各构成层元素的传递矩阵方便获得。此处，各构成层是指用于构成一个完整声学结构10的各个层，例如穿孔板层11为一个构成层，第一空腔14为一个构成层、共振型超材料层12为一个构成层，第二空腔15为一个构成层、背板层13为一个构成层。在具体实施中，本领域技术人员可以根据实际需要选择构成层的数量和结构。

需要说明的是，图3中的各个矩形框图表示依次设置的穿孔板层11、共振型超材料层12和背板层13。穿孔板层11和共振型超材料层12之间具有第一空腔14，共振型超材料层12和背板层13之间具有第二空腔15。T₁表示穿孔板层11的传递矩阵，T_a1表示第一空腔14的传递矩阵，T₂表示共振型超材料层12的传递矩阵，T_a2表示第二空腔15的传递矩阵，T₃表示背板层13的传递矩阵。声学结构10的整体传递矩阵可以用公式(1)进行表示。

图3和公式(1)中的

和

分别为各构成层入射侧的声压和质点速度，即穿孔板层11入射侧的声压为

质点速度为

共振型超材料层12的入射侧的声压为

质点速度为

背板层13的入射侧的声压为

质点速度为

和

分别为各构成层透射侧的声压和质点速度，即穿孔板层11透射侧的声压为

质点速度为

共振型超材料层12的透射侧的声压为

质点速度为

背板层13的透射侧的声压为

质点速度为

公式(1)中，各个传递矩阵间的元素，以正则入射为例，如公式(2)和公式(3)所示。

公式(3)中的Z₁为穿孔板层11的传递阻抗，Z₂为共振型超材料层12的传递阻抗，Z₃为背板层13的传递阻抗，k₀为空气声波的波数，ρ0为空气的密度，c₀为声波在空气中的传播速度，d_a1为第一空腔14的垂向深度，d_a2为第二空腔垂向深度。Z₁、Z₂和Z₃可以用公式(4)得到。

需要说明的是，Z₁、Z₂和Z₃与各构成层的集合尺寸、材料密度、杨氏模量、泊松比和边界条件有关，其中穿孔板层13的传递阻抗Z₃还与穿孔板层13的孔径和穿孔率相关。

一旦声学结构10的整体传递矩阵确定，则可以直接得到声学结构10的声学特性，可由公式(5)和公式(6)得到。

A_an＝1-|T_an|²-|R_an|²(6)

其中，|T_an|²为声学结构10在消声末端条件下的声能透射系数，|R_an|²为声学结构10在消声末端条件下的声能反射系数，A_an为声学结构10在消声末端条件下的声能吸收系数，简称吸声系数。d为声学结构10的总厚度，Z₀＝ρ₀c₀为空气的特征阻抗。吸声系数A_an可用于反映声学结构10对声音的吸收效果。

综上所述，对声学结构10各构成层的传递阻抗进行合适设计后，即可获得声学结构10对不同频率的声波的透射系数、反射系数和吸声系数。本发明的实施例在设计声学结构10时，设计各构成层的传递阻抗，使得该声学结构10处于特定的工作状态。

需要说明的是，前文所提及的消声末端条件是指声学结构两侧的空间均为自由空间。声学结构吸声系数的测定大多以刚性末端为条件，此时声学结构贴附在绝对全反射的表面，因此没有透射现象。但这种测定方法适用于衡量声学结构铺设于刚性墙壁或地面的情况，并不能适用于声学结构两侧均为自由空间的场景。上述声学结构10用在反共振频率工作的共振型超材料层12产生全反射现象来避免声能透射降低吸声效果，因此在消声末端条件下该声学结构10也具有较好的吸声性能。

本实施例中的声学结构10还考虑了背板层13遭受振动激励情况的抑振控制，此时贴附于背板层13的共振型超材料层12与背板层13构成典型的两自由度系统，其具体原理可参考图4。图4中共振型超材料层12的等效质量为m₁，背板层13的等效质量为m₂，共振型超材料层12和第二空腔15的等效弹簧的弹性系数为k₁，阻尼系数为c₁。另外，图4中的v₁表示共振型超材料层12在向箭头所示方向振动时的速度幅值，v₂表示背板层13向箭头所示方向振动时的速度幅值，F表示所受到的简写激励力幅值。

若忽略阻尼c₁，则可得到如公式(7)所示的背板层13的振动速度v₂与激励力F的传递函数。

由公式(7)可知，当

v₂/F取得最小值，这便是动力吸振现象的基本原理，即当第二共振吸声体17处于共振态时，背板层13的振动响应幅度为极小值，即接近于零，此时背板层13的振动响应被很好地抑制，从而有效地抑制了该结构向邻近的空气介质产生声波辐射。

综上所述，通过合适的选材和设计各构成层的传递阻抗可以实现同时控制两类噪声传播路径的效果，尤其是对于通过空气路径传递来的声能具有更宽的吸声带宽。

需要说明的是，在之后的实施例中，各实施例中声学结构的设计原理及声学特性(包括透射系数、反射系数、吸声系数、振动响应传递函数等)的计算方法与上述实施例相同或相似，因此在之后的说明中不再赘述。

在本发明的一些实施例中，共振型超材料层12包括至少一个共振单元，该至少一个共振单元中的每个共振单元包括依次堆叠设置的支承体、薄片和质量块，质量块包括至少一个尖角。尖角所在的位置可以增大对薄片剪切形变耗能量。需要说明是，此处的尖角可以是锐角，也可以是钝角，或者直角，或者尖锐凸出的形状。在具体实施中，质量块的形状为四边形、三角形、新月形、五边形或六边形。共振单元中的质量块还可以调整共振单元共振频率和反共振频率。需要说明是，本领域技术人员可以根据实际需要选择质量块的形状。

在具体实施中，支承体具有相对的两面，一面与背板层相连，另一面与薄片相连。

在具体实施中，多个共振单元间可以存在间隙。需要说明的是，多个共振单元之间可以相连，也可以不相连，只要多个共振单元之间存在间隙即可。共振单元之间的间隙主要是便于声学超材料层与曲率较大背板层之间的连接。在具体实施中，至少一个共振单元的质量块的面积为至少一个共振单元薄片面积的0-0.5倍。这是因为，质量块的面积不能太大，否则质量块的面积占比太高，大量的入射声波会被反射，而不会进入共振型超材料层中被吸收消耗。需要说明的是，此处质量块的面积是指质量块与薄片的接触面积，或者质量块在薄片上的正投影面积。

需要说明的是，至少一个共振单元的质量块的面积为至少一个共振单元薄片面积的0倍时，表示薄片上可以即使不贴附质量块也可以工作。这是因为共振单元在共振时，薄片会产生不同的共振模式，包括平动模式和弯曲模式，尤其是弯曲模式，薄片不同区域存在强烈的相对剪切变形量，此时仍可以实现对入射声波的吸收损耗。

在具体实施中，质量块的排布位置可以选择为薄片中心。

在具体实施中，质量块在薄片上的排布方式为阵列排布。质量块进行规则排布时，不同共振单元的共振频率分布比较集中。

在具体实施中，质量块在薄片上的排布方式也可以为随机排布。因为质量块随机排布产生的共振频率分布较为宽泛，所以随机排布的质量块可以拓宽吸声带宽。

在具体实施中，薄片的阻尼含量为0.0001-0.9。

在具体实施中，薄片与质量块或支承体的连接部位具有含阻尼的材料。

需要说明是，薄片的阻尼引入方式可以有多种，例如选择自身结构带阻尼的材料制成薄片，或者在薄片与支承体的安装部位引入含阻尼的材料；或者在薄片与质量块的安装部位引入含阻尼的材料。后两种情况中的薄片自身可选择近乎无阻尼的材料。

薄片可以是均匀的天然含阻尼的材料，例如橡胶、硅胶、高分子材料等，也可以是在与支承体或质量块接触的区域含一定阻尼，例如采用胶粘的方式连接薄片、支承体或质量块便可以引入这样的阻尼，对薄片的阻尼要求并不是越大越好，而是需要根据应用场景的噪声频率分布情况，确定共振型超材料层的振动元素结构尺寸后，根据吸声量要求进行阻抗匹配设计，这时候便可以确定薄片的阻尼含量大小。

在具体实施中，至少一个共振单元中至少有一部分共振单元的质量块的数量不同。例如，可以设计在某几个共振单元中质量块的数量为一个，某几个共振单元中质量块的数量为三个。也就是说，可以根据实际需要，选择共振单元中质量块的数量。

图5是图2中的共振型超材料层12的一个实施例的结构示意图；图5中示出了多个共振单元121，多个共振单元121中的每个包括依次堆叠设置的支承体1211、薄片1212和质量块1213。图5中质量块1213为矩形。如图5所示，多个共振单元121呈离散阵列式排布。

如图6所示，图6是图2中共振型超材料层12的另一个实施例的结构示意图。图6中示出了多个共振单元122，多个共振单元122中的每个包括依次堆叠设置的支承体1221、薄片1222和质量块1223。图6中的每个共振单元122中包括三个质量块1223。图6中的质量块1223为矩形。如图6所示，多个共振单元122呈离散线性式排布。

需要说明的是，虽然图5和图6中示出的共振单元的数量为多个，但是可以根据实际需要，比如仅设置一个共振单元。仅设置一个共振单元时，本领域技术人员可以根据实际需要设置该共振单元中各层结构的形状和尺寸。例如，图7是图2中共振型超材料层12的另一个实施例的结构示意图。图7中共振型超材料层12仅包含一个共振单元123，此一个共振单元123包括依次堆叠设置的支承体1231、薄片1231和质量块1233，质量块1233的数量为多个呈阵列形式排布。

在具体实施中，支承体为中空结构，支承体的外围形状和内围形状相同。这样支承体和薄片安装接触后，薄片各个边所承受的约束力均匀，有利于声学结构10工作性能的稳定维持。

在具体实施中，薄片的外围尺寸和形状与支承体的外围尺寸和形状相同。这样，薄片支承体安装时定位方便，提升整个声学结构10制备的便利性。

在具体实施中，支承体、薄片和质量块的制备材料相同。

在具体实施中，支承体与背板层为一体化结构。这样，可以增加各部件连接的稳固性，提高声学结构10的制备效率。

需要说明的是，共振型超材料层的支承体可以直接与背板层通过浇筑或压模一体成型，亦可以单独成型后安装于背板层，可以根据实际需要选择合适的成型方式。

在具体实施中，第一空腔14与第二空腔15内具有吸声材料。这样，能够进一步拓宽声学结构10的吸声带宽。

在本发明的一些实施例中，穿孔板层11的穿孔率为0.1％-5％。

在本发明的一些实施例中，穿孔板层11的开口为狭缝形开口。需要说明的是，穿孔板层11的穿孔形状并不只局限于狭缝形开口，可以根据实际需要选择合适的狭缝开口形状，例如圆角矩形、椭圆形、圆形、方形等开口。使用狭缝形开口，方便加工、透光性好以及不易积灰，适于室外的长期使用。在本发明的一些实施例中，背板层13为密实板。这样，可以保证整个声学结构10的强度高；也可以保证整个声学结构10的隔声性能不被削弱。

在本发明的一些实施例中，声学结构10包括如下具体参数：

穿孔板层11为PC材料，其孔径为0.2mm，板厚为0.2mm，穿孔率为0.52％，穿孔板层距离共振型超材料层12的第一空腔14的间距4cm。

共振型声学超材料层12中支承体为PC材料，其内围边长为133mm，边宽为24mm，高度为10mm，壁厚度为2.5mm，5个支承体并排，间距2mm。

共振型声学超材料层12中的薄片的厚度为1.89mm，杨氏模量为2.14MPa，密度为1250kg/m³，泊松比为0.48，阻尼损耗因子为0.02。

共振型声学超材料层12中的质量块的长为10mm，宽为10mm，宽为1.5mm，材质为304不锈钢，数量和排列方式同图6。

背板层13的长为140mm，宽为140mm，高为2mm，材质为304不锈钢。

上述实施例在正则入射刚性末端条件下的吸声特性有限元计算结果见图8，图8是本发明一个实施例的刚性末端条件下的声学结构10的吸声特性有限元计算结果。图8中示出了20Hz-1000Hz范围内的计算结果。其中点划线A01代表仅第二共振吸声体17的吸声特性，虚线A02代表仅第一共振吸声体16的吸声特性，而实线A03代表声学结构10进行计算的结果。将实线A03与点划线A01、虚线A02进行对比可知，本实施例所述声学结构10的声学特性结合了单独第一共振吸声体16和单独第二共振吸声体17结果的吸声尖峰，具有更加宽频和优越的吸声性能。

具体而言，实线A03在200Hz-500Hz范围内出现了多个吸声尖峰，这些尖峰频率正好对应点划线A01的吸声尖峰频率，这是由贴附于背板层13的第二共振吸声体17的共振所引起的；并且，在500Hz-1000Hz范围内，第二共振吸声体17利用其反共振态对声波进行全反射，又因为第一共振吸声体16的共振频率与第二共振吸声体17的反共振频率相一致，使得声学结构10的吸声效果优于单独的第一共振吸声体16，也优于单独的第二共振吸声体17。

为了更加突出上述声学结构10的优势，还将该声学结构10与未经优化的声学结构进行了对比。如图9所示，图9是声学结构10与未优化的声学结构的吸声特性有限元计算结果对比。图9中给出了两种未优化情况：虚线B01代表的是所有构成结构参数不变，但穿孔板层11距离共振型超材料层12的第一空腔14的间距为12cm对应的结果；点划线B02代表的是所有构成参数不变，但是将穿孔板层11的参数更改为：孔径0.1mm，板厚0.1mm，穿孔率0.22％，而穿孔板层11距离共振型超材料层12的第一空腔14的间距仍然保持为4cm。从图9中可以看出，优化后的声学结构10的吸声效果要优于未优化的两种结构，优化后的声学结构10的吸声系数明显提升，其工作带宽也明显拓宽。

上述声学结构10在正则入射消声末端条件下的吸声特性有限元计算结果见图10。可以看出声学结构10在自由声场条件下的吸声系数仍保持在很高水平，表明其优异的声能吸收性能。

图11是本发明一个实施例的消声末端条件下的声学结构10的隔声特性有限元计算结果。图11中的法向入射传声损失(用STL表示)结果根据声学结构10在消声末端条件下的声能透射系数T_an ²计算而来，具体见公式(8)：

STL＝10log₁₀(T_an ²)(8)

从图11中可以看出，在所给出的20Hz-1000Hz频段内，声学结构10的法向入射传声损失均保持在较高数值，表明其优异的声能隔离性能。

需要特别说明的是，在300Hz-600Hz频段内，出现了320Hz、370Hz和500Hz三个法向入射传声损失的尖峰，该尖峰频率对应贴附在背板层13上的第二共振吸声体17的三个反共振频率。此外，在300Hz-600Hz频段内，出现了270Hz和450Hz两个法向入射传声损失的低谷，该低谷频率对应贴附在背板层13上的第二共振吸声体17的两个共振频率，也正好对应图10中吸声系数的两个位于该频率处的尖峰。

图12是本发明一个实施例的声学结构10的振动抑制特性有限元计算结果。图12中的平均速度衰减量是对声学结构10中的背板层13贴附第二共振吸声体17前后的表面平均速度响应幅值的分贝差值，平均速度衰减量越大表明对背板层13的振动响应抑制效果越好。从图12中可以看出在300Hz-600Hz频段内出现了270Hz和450Hz两个比较明显的尖峰，前已述及该尖峰频率正好对应贴附在背板层13上的第二共振吸声体17的两个共振频率，在这两个共振频率工作时，第二共振吸声体17具有动力吸振效应，有效抑制了背板层13的振动响应。

图13是本发明另一个实施例中的一种声学结构20的示意图。该声学结构20包括依次设置的穿孔板层21、薄片221、支承体222和背板层23。其中，支承体222的两个侧面直接连接薄片221和背板层23，从而将支承体222的内围中空区域形成第二空腔(图13中未示出)，而穿孔板层21与薄片221之间具有第一空腔(图13中未示出)。该实施例中薄片221之上未放置质量块。薄片221的阻尼通过薄片221与支承体222的连接区域引入。其中，薄片221和支承体222构成共振单元220。

图13的声学结构20中，共振型超材料层22包括至少一个共振单元220，至少一个共振单元220中的每个包括依次堆叠设置的支承体221和薄片222。如前文所述，薄片上即使不贴附质量块也可以工作。这是因为共振单元在共振时，薄片222会产生不同的共振模式，包括平动模式和弯曲模式，尤其是弯曲模式，薄片222不同区域存在强烈的相对剪切变形量，此时仍可以实现对入射声波的吸收损耗。

图14是本发明另一个实施例的消声末端条件下的声学结构20的吸声特性试验测试结果。该实施例测试所采用声学结构20的结构形式同图13。整个声学结构20的外轮廓尺寸为圆形，方便将测试样品放入圆形的声学阻抗管中进行测量。本实施例中所做测试按照ASTM 2611-09标准执行。

本实施例给出的声学结构20包括如下具体参数：

穿孔板层21为亚克力材料，其采用狭缝形孔，孔宽为1mm，板厚为2mm，穿孔率为1％，穿孔板层21距离薄片221的第一空腔的间距2cm。

支承体222为亚克力材料，其外围直径为225mm，高度为5mm，壁厚度为5mm。

薄片221为PC材料，其厚度为0.125mm。

背板层23为亚克力材料，其外围直径为225mm，高度为5mm。

支承体222的两个侧面通过双面胶直接连接薄片221和背板层23，进而引入阻尼。

从图14中可以看出本发明声学结构20的吸声特性在20Hz-1600Hz频率范围内仍较为理想，尤其是在200Hz-300Hz频段和800Hz-1200Hz频段出现了吸声系数的尖峰，表明其优异的声能吸收性能。

本发明的实施例还提供了一种声学结构的设计方法，用于确定上述任一实施例中声学结构的参数。需要说明的是，这里声学结构的参数可以为各构成层的具体参数，例如穿孔板层的长、宽、高，质量块的长、宽、高、形状、材质。本领域技术人员容易理解实际设计过程所需设计的参数。

如图15所示，图15是本发明一个实施例中的声学结构设计方法的流程图。上述声学结构的设计方法可以用于确定该声学结构的参数，包括以下步骤：

步骤S10：获取待消除噪声的结构路径噪声频谱和空气路径噪声频谱；

步骤S20：确定声学结构的总体厚度；

步骤S30：确定第一共振吸声体的共振频率和第二共振吸声体的反共振频率；

步骤S40：确定背板层的材质及结构。

在具体实施中，如图16所示，图16是图15中一种确定第一共振吸声体的共振频率和第二共振吸声体的反共振频率的方法的流程图，步骤S30可以包括：

步骤S31：根据待消除噪声的空气路径噪声频谱和声学结构的总体厚度确定第一空腔的厚度；

步骤S32：确定第一空腔的厚度后，确定第一共振吸声体的共振频率；

步骤S33：根据第一共振吸声体的共振频率，确定第二共振吸声体的反共振频率，第一共振吸声体的共振频率与第二共振吸声体的反共振频率一致；

步骤S34：根据待消除噪声的结构路径噪声频谱确定第二共振吸声体的共振频率。

上述方法，根据空气路径噪声频谱和所要求的声学结构总体厚度，设计穿孔板层及穿孔板层和共振型超材料层之间形成的第一空腔的厚度，从而确定第一共振吸声体的共振频率。进而根据该共振频率设计共振型超材料层包含的各共振单元参数和共振型超材料层与背板层之间形成的第二空腔的厚度，即第二共振吸声体的反共振频率；而第二共振吸声体的共振频率则根据结构路径噪声频谱进行设计。最后根据对声学结构的隔声性能要求和结构强度要求，设计背板层。

在具体实施中，如图17所示，图17是图15中另一种确定第一共振吸声体的共振频率和第二共振吸声体的反共振频率的方法的流程图，步骤S30也可以包括：

步骤S35：根据待消除噪声的结构路径噪声频谱确定第二共振吸声体的共振频率；

步骤S36：根据第二共振吸声体的共振频率，确定第二共振吸声体的反共振频率；

步骤S37：根据待消除噪声的空气路径噪声频谱、声学结构的总体厚度和第二共振吸声体的反共振频率，确定第一空腔的厚度；

步骤S38：根据第一空腔的厚度，确定第一共振吸声体的共振频率；

步骤S39：第一共振吸声体的共振频率与第二共振吸声体的反共振频率一致。

上述方法，根据结构路径噪声频谱，设计所述共振型超材料层包含的各共振单元参数和所述共振型超材料层与所述背板层之间形成的第二空腔的厚度，即第二共振吸声体的共振频率。进一步根据空气路径噪声频谱、所要求的声学结构总体厚度以及第二共振吸声体的反共振频率，设计所述穿孔板层及所述穿孔板层和所述共振型超材料层之间形成的第一空腔的厚度，从而确定所述第一共振吸声体的共振频率。最后根据对声学结构的隔声性能要求和结构强度要求，设计背板层。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于以计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (24)

1.一种声学结构，包括依次设置的穿孔板层、共振型超材料层和背板层，其特征在于，所述穿孔板层和所述共振型超材料层之间具有第一空腔，所述共振型超材料层和所述背板层之间具有第二空腔，所述穿孔板层与所述第一空腔构成第一共振吸声体，所述共振型超材料层与所述第二空腔构成第二共振吸声体；如果所述第二共振吸声体处于共振态，则所述背板层的振动响应幅度接近于零；其中，所述第一共振吸声体的共振频率与所述第二共振吸声体的反共振频率一致。

2.如权利要求1所述的声学结构，其特征在于，所述第一共振吸声体的共振频率与所述第二共振吸声体的共振频率不同。

3.如权利要求1所述的声学结构，其特征在于，所述共振型超材料层包括至少一个共振单元，所述至少一个共振单元中的每个共振单元包括依次堆叠设置的支承体、薄片和质量块，所述质量块包括至少一个尖角。

4.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，所述质量块的形状为四边形、三角形、新月形、五边形或六边形。

5.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，所述支承体具有相对的两面，一面与所述背板层相连，另一面与所述薄片相连。

6.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，多个所述至少一个共振单元间存在间隙。

7.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，所述至少一个共振单元的所述质量块的面积为所述至少一个共振单元的所述薄片面积的0倍-0.5倍。

8.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，所述质量块在薄片上的排布方式为阵列排布。

9.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，所述质量块在薄片上的排布方式为随机排布。

10.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，所述薄片为阻尼薄片，其阻尼含量为0.0001-0.9。

11.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，所述薄片与所述质量块或所述支承体的连接部位具有含阻尼的材料。

12.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，所述至少一个共振单元中至少有一部分共振单元的质量块的数量不同。

13.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，所述支承体为中空结构，所述支承体的外围形状和内围形状相同。

14.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，所述薄片的外围尺寸和形状与所述支承体的外围尺寸和形状相同。

15.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，所述支承体、所述薄片和所述质量块的制备材料相同。

16.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，所述支承体与所述背板层为一体化结构。

17.如权利要求3所述的声学结构，其特征在于，所述第一空腔与所述第二空腔内具有吸声材料。

18.如权利要求1所述的声学结构，其特征在于，所述穿孔板层的穿孔率为0.1％-5％。

19.如权利要求1所述的声学结构，其特征在于，所述穿孔板层的开口为狭缝形、圆角矩形、椭圆形或圆形。

20.如权利要求1所述的声学结构，其特征在于，所述背板层为密实板。

21.如权利要求1所述的声学结构，其特征在于，所述共振型超材料层包括至少一个共振单元，所述至少一个共振单元中的每个包括依次堆叠设置的支承体和薄片。

22.一种如权利要求1-21任一项所述的声学结构的设计方法，用于确定所述声学结构的参数，包括：

获取待消除噪声的结构路径噪声频谱和空气路径噪声频谱；

确定所述声学结构的总体厚度；

确定所述第一共振吸声体的共振频率和所述第二共振吸声体的反共振频率；

确定所述背板层的材质及结构。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述确定所述第一共振吸声体的共振频率和所述第二共振吸声体的反共振频率包括：

根据所述待消除噪声的空气路径噪声频谱和所述声学结构的总体厚度确定所述第一空腔的厚度；

确定所述第一空腔的厚度后，确定所述第一共振吸声体的共振频率；

根据所述第一共振吸声体的共振频率，确定所述第二共振吸声体的反共振频率，所述第一共振吸声体的共振频率与所述第二共振吸声体的反共振频率一致；

根据所述待消除噪声的结构路径噪声频谱确定所述第二共振吸声体的共振频率。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述确定所述第一共振吸声体的共振频率和所述第二共振吸声体的反共振频率包括：

根据所述待消除噪声的结构路径噪声频谱确定所述第二共振吸声体的共振频率；

根据所述第二共振吸声体的共振频率，确定所述第二共振吸声体的反共振频率；

根据所述待消除噪声的空气路径噪声频谱、所述声学结构的总体厚度和所述第二共振吸声体的反共振频率，确定所述第一空腔的厚度；

根据所述第一空腔的厚度，确定所述第一共振吸声体的共振频率；

所述第一共振吸声体的共振频率与所述第二共振吸声体的反共振频率一致。

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