CN108877760A - 一种应用于声学超材料的圆薄膜径向均匀预应力加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于声学超材料技术领域，具体为一种应用于声学超材料的圆形薄膜径向均匀预应力定量加载装置。包括外侧带凹台阶和内侧带半圆形凹槽的圆环形下夹板、外侧带凸形台阶的圆环形上夹板、带压舌和压耳的圆环形测力计及施压螺丝；压舌和凹槽截面呈半圆或U形，压舌截面半径小于凹槽截面半径1mm；薄膜固定于圆环形上下夹板之间，用四个弹簧卡扣固定夹紧；将带有压舌和压耳的圆环形测力计置于固定好的薄膜上方，使用施压螺丝使其向下移动，在压舌与凹槽逐渐吻合过程中圆形薄膜产生径向均匀应力，通过高精度圆环形测力计测出薄膜受力大小。

Description

一种应用于声学超材料的圆薄膜径向均匀预应力加载装置

技术领域

本发明属于声学超材料技术领域，具体为一种应用于声学超材料的圆形薄膜径向均匀预应力定量加载装置。

技术背景

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。

薄膜型声学超材料因其轻质以及较好的低频隔声性能，得到广泛的关注。薄膜自身应力状态的改变对超材料等效参数产生较大影响，从而改变超材料的隔声性能，实现隔声主动可控。

该装置具有结构简单、外形小巧、操作简便以及造价低廉的特点。

该装置具有对圆形薄膜定量加载预应力的特点。

现有的圆形薄膜径向均匀预应力加载方式主要采用行星齿轮拉伸和对圆形薄膜轴向施压的方法，在实际试验测试中无法满足要求。主要有以下两点不足：

1.采用行星齿轮拉伸加载，无法做到整个膜面均匀受力；

2.操作流程复杂，没有一个固定的加载装置；

3.无法做到定量加载。

发明内容

本发明提供一种结构简单，操作简便的圆形薄膜径向均匀施加荷载装置，该装置对圆形薄膜径向定量施加均匀预应力，从而实现薄膜型声学超材料隔声性能的主动可控。

本发明对圆形薄膜施加不同大小径向均匀预应力，再通过两块圆环形超材料结构固定夹板，形成不同应力状态的薄膜型声学超材料结构。

本发明圆形薄膜径向均匀预应力定量加载转置，包括外侧带凹台阶和内侧带半圆形凹槽的圆环形下夹板、外侧带凸形台阶的圆环形上夹板、可显示力值的带压舌的圆环形测力计；圆环形上夹板和圆环形下夹板的台阶相配合实现上下夹板的定位及防止薄膜的移动，圆环形下夹板上带有4个弹簧卡扣，圆环形上夹板上带有4个挂钩，带压舌的圆环形测力计上左右对称处固定有两个压耳作为施压受力结构，压耳悬挑一端下表面与圆环形测力计上表面的高度差使带压舌的圆环形测力计可以下压更大深度；薄膜自然状态下放置于上下夹板之间，通过4个弹簧卡扣与挂钩相配合夹紧圆环形上下夹板，圆环形测力计从圆环形上夹板内圈放置在固定好的薄膜上，放置时要求圆环形测力计的压舌对准圆环形下夹板的半圆形凹槽，通过圆环形测力计上两个压耳配合两颗施压螺丝对薄膜施压，同步拧动两颗施压螺丝，带压舌的圆环形测力计逐渐向下压紧，压舌与半圆形凹槽的逐渐吻合的过程中圆形薄膜产生均匀径向预应力，通过带有压舌的圆环形测力计的读数表征出薄膜径向受力大小。

上述方案中，所述的外侧带凹台阶和内侧带半圆形凹槽的圆环形下夹板、外侧带凸形台阶的圆环形上夹板和带有压舌的圆环形测力计外壳由铝质材料制成；所述的压耳由铝制材料制成；所述的施压螺丝，挂钩以及弹簧卡扣由不锈钢材料制成。

进一步的，所述的外侧带凸形台阶的圆环形上夹板外半径为85mm，内半径为68mm，厚度为6mm；凸形台阶外半径为85mm内半径为82mm，厚度为2.5mm；所述的外侧带凹台阶和内侧带半圆形凹槽的圆环形下夹板外半径为85mm，内半径为51mm，厚度为10mm，半圆形凹槽截面半径为6mm；所述的可显示力值的带压舌的圆环形测力计外半径为68mm，内半径为51mm，厚度为6mm，压舌截面半径为5mm。

通过圆环形测力计测出施加在薄膜上径向力的大小。

本发明的压舌与凹槽紧靠圆环形下夹板内径，压舌与凹槽呈半圆形。

此外，本发明也可采用U型压舌与U型凹槽。

进一步地，本发明压舌截面半径小于半圆形凹槽截面半径1mm，可使薄膜更好地变形。

本发明中，采用对称施压螺丝对圆环形测力计进行逐级加载；通过改变带压舌的环形测力计的下压深度，使圆形薄膜产生径向变形，从而得到不同大小预应力。

本发明装置的优点有：

1.结构简单

采用外侧带凹台阶和内侧带半圆形凹槽的圆环形下夹板、外侧带凸形台阶的圆环形上夹板和可显示力值的带压舌的圆环形测力计的组合，与行星齿轮拉伸以及轴向施压的方式相比，本发明装置结构更为简单。

2.操作简便

薄膜固定完成之后，只需要同步拧动施压螺丝，就可对圆形薄膜施加径向荷载。

3.应力加载均匀

在压舌与凹槽逐渐吻合的过程中，薄膜径向产生均匀变形，从而产生均匀应力，应力加载更为均匀。

4.定量加载

通过带压舌的圆环形高精度测力计，测出对薄膜施加径向力的大小。

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为本发明装置整体结构侧视图；

图3为本发明装置外侧带凹台阶和内侧带半圆形凹槽的圆环形下夹板；

图4为本发明装置外侧带凸形台阶的圆环形上夹板；

图5为本发明装置外侧带凸形台阶的圆环形上夹板背部；

图6为本发明装置可显示力值的带压舌的圆环形测力计；

图7为本发明装置的一实施例的圆形薄膜径向定量加载示意图；

图8为本发明装置的一实施例的固定加载后的圆形薄膜；

图9为本发明装置的一实施例的薄膜型声学超材料结构；

图10为本发明装置的一实施例的薄膜型声学超材料结构隔声性能仿真模型；

图11为本发明装置的一实施例的薄膜型声学超材料结构隔声曲线。

附图标记说明：1-圆环形上夹板；2-挂钩；3-施压螺丝；4-压耳；5-圆环形测力计；6-圆环形下夹板；7-测力计显示屏；8-弹簧卡扣；9-半圆形凹槽；10-凹台阶；11-凸台阶；12-半圆形压舌。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。

见图1、图2、图3图4和图5，

第一步：将硅橡胶薄膜自然放置在圆环形下夹板6上表面；

第二步：将圆环形上夹板1的凸台阶11对准圆环形下夹板6的凹台阶10放置在圆环形下夹板6上部；

第三步：旋动圆环形上夹板1调整位置，使圆环形上夹板1上挂钩2对准圆环形下夹板6上的弹簧卡扣8，并用四个弹簧卡扣8夹紧圆环形上下夹板1，从而固定薄膜；

第四步：将圆环形测力计5的半圆形压舌12对准圆环形下夹板6上的半圆形凹槽9从圆环形上夹板1内圈放置到固定好的薄膜上，放置时要求两个压耳4上的螺丝孔对准圆环形上夹板1的螺丝孔；

第五步：组装两颗施压螺丝3，并同步顺时针拧动施压螺丝3使带半圆形压舌12的圆环形测力计5向下移动，在半圆形压舌12与半圆形凹槽9逐渐吻合的过程中使圆形薄膜径向产生均匀变形，当圆环形测力计5示数显示为2N时停止拧动。

第六步：用外半径小于带压舌的圆环形测力计的内圈半径1mm的圆环形铝制上下固定夹板将被张拉后的圆形薄膜用六颗等距分布的螺丝固定，固定时，圆环形铝质下固定夹板用物体水平垫起，由圆环形下夹板内圈放置到被张拉后薄膜下方，使其上表面接触被张拉后薄膜下表面，再将圆环形铝质上固定夹板螺孔对准圆环形铝质下部夹板的螺孔，由装置圆环形上夹板内圈放置到被张拉后薄膜的上表面，拧上六颗固定螺丝，将张拉后的薄膜固定；

第七步：松开上部施压螺丝，取下圆环形测力计，再松开四个弹簧卡扣，将圆环形上下夹板分离，取下薄膜；

第八步：用美工刀将圆环形铝制固定夹板外侧的薄膜沿着固定夹板外边缘切断，然后在张拉固定后的圆形薄膜中心粘贴一个半径为3mm，高度为4mm的圆柱形铅材质质量块，形成如图8所示薄膜型声学超材料结构。

重复步骤一、二、三和四，接着组装两颗施压螺丝，并同步顺时针拧动施压螺丝使带压舌的圆环形测力计向下移动更大距离，在压舌与凹槽逐渐吻合的过程中使圆形薄膜径向产生均匀变形，当测力计示数显示为4N时停止拧动。再重复步骤六、七和八，形成如图8所示薄膜型声学超材料结构。

重复步骤一、二、三和四，接着组装两颗施压螺丝，并同步顺时针拧动施压螺丝使带压舌的圆环形测力计向下移动更大距离，在压舌与凹槽逐渐吻合的过程中使圆形薄膜径向产生均匀变形，当测力计示数显示为6N时停止拧动。再重复步骤六、七和八，形成如图8所示薄膜型声学超材料结构。

重复步骤一、二、三和四，接着组装两颗施压螺丝，并同步顺时针拧动施压螺丝使带压舌的圆环形测力计向下移动更大距离，在压舌与凹槽逐渐吻合的过程中使圆形薄膜径向产生均匀变形，当测力计示数显示为8N时停止拧动。再重复步骤六、七和八，形成如图8所示薄膜型声学超材料结构。

重复步骤一、二、三和四，接着组装两颗施压螺丝，并同步顺时针拧动施压螺丝使带压舌的圆环形测力计向下移动更大距离，在压舌与凹槽逐渐吻合的过程中使圆形薄膜径向产生均匀变形，当测力计示数显示为10N时停止拧动。再重复步骤六、七和八，形成如图8所示薄膜型声学超材料结构。

这样，可得到不同应力状态薄型膜声学超材料结构，根据圆环形测力计读数，分别制作了薄膜受力为2N、4N、6N、8N、10N的声学超材料结构。

如图8所示声学超材料结构，铝制夹板外半径为50mm，内半径为44mm厚度3mm，硅橡胶薄膜厚度0.6mm，质量块半径6mm，厚度4mm。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＝1200kg/m³；弹性模量E＝6.3e6Pa；泊松比ν＝0.35]。

图9所示为本发明一实施例薄膜声学超材料结构用COMSOLMultiphysics 5.1有限元软件中“声-固耦合，频率”模块计算的仿真模型。

图10为所述声学超材料通过COMSOL计算得到的隔声曲线图。

如图10中所示，结构隔声峰值频率从480Hz增加到575Hz，通过本发明改变薄膜应力状态能够改变薄膜型声学超材料隔声特性。

根据本发明一种应用于声学超材料的圆形薄膜径向均匀预应力加载装置的上述特点，可以应用于薄膜型声学超材料实验研究及其工程实际应用。

此外，可在凹槽与压舌处涂抹润滑油，进一步减小摩擦。

上述所述为优选的实施例，不能作为本发明的全部范围，在本发明所述一种应用于声学超材料的圆形薄膜径向均匀预应力加载装置为基准做任何明显结构改进或简单尺寸改变均属于本发明的专利覆盖范围。

Claims (9)

1.一种应用于声学超材料的圆形薄膜径向均匀预应力定量加载装置，其特征在于，包括外侧带凹台阶和内侧带半圆形凹槽的圆环形下夹板、外侧带凸形台阶的圆环形上夹板、可显示力值的带压舌的圆环形测力计；圆环形上夹板和圆环形下夹板的台阶相配合实现上下夹板的定位及防止薄膜的移动；圆环形下夹板上带有弹簧卡扣，圆环形上夹板上带有挂钩，带压舌的圆环形测力计上左右对称处固定有两个压耳作为施压受力结构，压耳悬挑一端下表面与圆环形测力计上表面的高度差使带压舌的圆环形测力计可以下压更大深度；薄膜自然状态下放置于上下夹板之间，通过弹簧卡扣与挂钩相配合夹紧圆环形上下夹板，圆环形测力计从圆环形上夹板内圈放置在固定好的薄膜上，放置时要求圆环形测力计的压舌对准圆环形下夹板的半圆形凹槽，通过圆环形测力计上两个压耳配合两颗施压螺丝对薄膜施压，同步拧动两颗施压螺丝，带压舌的圆环形测力计逐渐向下压紧，压舌与半圆形凹槽的逐渐吻合的过程中圆形薄膜产生均匀径向预应力，通过带有压舌的圆环形测力计的读数表征出薄膜径向受力大小。

2.如权利要求1所述的一种应用于声学超材料的圆形薄膜径向均匀预应力定量加载装置，其特征在于，所述的外侧带凹台阶和内侧带半圆形凹槽的圆环形下夹板、外侧带凸形台阶的圆环形上夹板和带有压舌的圆环形测力计外壳由铝质材料制成；所述的压耳由铝制材料制成；所述的施压螺丝，挂钩以及弹簧卡扣由不锈钢材料制成。

3.如权利要求1所述的一种应用于声学超材料的圆形薄膜径向均匀预应力定量加载装置，其特征在于，所述的外侧带凸形台阶的圆环形上夹板外半径为85mm，内半径为68mm，厚度为6mm；凸形台阶外半径为85mm内半径为82mm，厚度为2.5mm；所述的外侧带凹台阶和内侧带半圆形凹槽的圆环形下夹板外半径为85mm，内半径为51mm，厚度为10mm，半圆形凹槽截面半径为6mm；所述的可显示力值的带压舌的圆环形测力计外半径为68mm，内半径为51mm，厚度为6mm，压舌截面半径为5mm。

4.如权利要求1所述的一种应用于声学超材料的圆形薄膜径向均匀预应力定量加载装置，其特征在于，压舌与凹槽紧靠圆环形下夹板内径，压舌与凹槽一样呈半圆形。

5.如权利要求1所述的一种应用于声学超材料的圆形薄膜径向均匀预应力定量加载装置，其特征在于，凹槽由半圆形变为U型，压舌也为U型。

6.如权利要求1所述的一种应用于声学超材料的圆形薄膜径向均匀预应力定量加载装置，其特征在于，压舌截面半径小于半圆形凹槽截面半径1mm，能使薄膜更好地变形。

7.如权利要求1所述的一种应用于声学超材料的圆形薄膜径向均匀预应力定量加载装置，其特征在于，采用对称施压螺丝对圆环形测力计进行逐级加载；通过改变带压舌的环形测力计的下压深度，使圆形薄膜产生径向变形，从而得到不同大小预应力。

8.如权利要求1所述的一种应用于声学超材料的圆薄膜径向均匀预应力加载装置，其特征在于：所述的挂钩沿圆环形上夹板外侧均匀分布；所述的弹簧卡扣沿圆环形下夹板外侧均匀分布，各为4个；所述的压耳沿圆环形测力计直径方向左右对称分布。

9.利用如权利要求1所述装置制备薄膜型声学超材料结构的方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：将硅橡胶薄膜自然放置在圆环形下夹板上表面；

第二步：将圆环形上夹板的凸台阶对准圆环形下夹板的凹台阶放置在圆环形下夹板上部；

第三步：旋动圆环形上夹板调整位置，使圆环形上夹板上挂钩对准圆环形下夹板上的弹簧卡扣，并用四个弹簧卡扣夹紧圆环形上下夹板，从而固定薄膜；

第四步：将圆环形测力计的半圆形压舌对准圆环形下夹板上的半圆形凹槽从圆环形上夹板内圈放置到固定好的薄膜上，放置时要求两个压耳上的螺丝孔对准圆环形上夹板的螺丝孔；

第五步：组装两颗施压螺丝，并同步顺时针拧动施压螺丝使带半圆形压舌的圆环形测力计向下移动，在半圆形压舌与半圆形凹槽逐渐吻合的过程中使圆形薄膜径向产生均匀变形，当圆环形测力计示数分别显示为2N、4N、6N、8N、10N时停止拧动；

第六步：用外半径小于带压舌的圆环形测力计的内圈半径1mm的圆环形铝制上下固定夹板将被张拉后的圆形薄膜用六颗等距分布的螺丝固定，固定时，圆环形铝质下固定夹板用物体水平垫起，由圆环形下夹板内圈放置到被张拉后薄膜下方，使其上表面接触被张拉后薄膜下表面，再将圆环形铝质上固定夹板螺孔对准圆环形铝质下部夹板的螺孔，由装置圆环形上夹板内圈放置到被张拉后薄膜的上表面，拧上六颗固定螺丝，将张拉后的薄膜固定；

第七步：松开上部施压螺丝，取下圆环形测力计，再松开四个弹簧卡扣，将圆环形上下夹板分离，取下薄膜；

第八步：用美工刀将圆环形铝制固定夹板外侧的薄膜沿着固定夹板外边缘切断，然后在张拉固定后的圆形薄膜中心粘贴一个半径为3mm，高度为4mm的圆柱形铅材质质量块，形成薄膜受力分别为2N、4N、6N、8N、10N的声学超材料结构。