CN109147751B - 新型局域共振声子晶体结构及运用该结构的隔音门板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型局域共振声子晶体结构，包括方形外框架，方形外框架的中央设有方形散射体，方形外框架与方形散射体之间固定连接有弹性梁，弹性梁沿方形散射体的中心对称设置，两个所述弹性梁之间间隔设置，所述弹性梁包括蛇形折叠段以及直线形连接段，弹性梁与方形外框架一体设置且材料均为环氧树脂，方形散射体的材料为铝。本发明具有以下优点和效果：本发明的新型局域共振声子晶体结构具有良好的低频宽带隙特性，该声子晶体以正方形晶格形式排列成隔音门板，具有抑制生活环境中噪声的能力，给人们提供一个更加安静舒适的空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种声学功能材料结构设计领域，特别涉及一种新型局域共振声子晶体结构及运用该结构的隔音门板。
背景技术
随着生活水平的提高，生活中的噪声也更加杂乱。现在的夜生活也很丰富，所以噪声带来的困扰也愈演愈烈。由于生活习惯的不同，家人的一些行为产生的噪声对人也会有影响。良好的隔音处理可以很好地隔绝外界噪声对室内人们生活以及休息带来的干扰，同时也能避免自家的噪声给邻居所带来的影响。据权威数据表明，噪音长时间大于80 dB以上将会使人焦虑烦躁，甚至出现间隙性失聪现象，对人的身心造成很大的影响，所以要认识到隔音的重要性。
要实现室内完善隔音，需要对房间里的很多地方进行处理，包括墙面、天花、地面以及门窗等，但是对于普通用户来说，最容易实现也是最为核心的隔音处理就是进行门的隔音处理，包括门本身的结构以及门与门梁缝隙的处理等。针对于门的隔音问题，本发明通过将局域共振型声子晶体周期结构应用到门上，发明出一种基于局域共振声子晶体的隔音门板来达到隔音的效果。
近些年来，声学功能材料得到越来越多的学者关注，声子晶体就是其中发展很快的一种。声子晶体由两种或者以上的材料按照周期性排列的一种人工复合材料。其可以产生一段或者多段禁止弹性波通过的频率范围，这个频率范围就称为带隙。声子晶体的带隙特性给隔音领域开拓了一个新的思路。
生活中的噪声绝大部分处于低频范围，所以要求声子晶体的带隙也要在低频范围内。根据带隙频率所对应的波长与晶格常数的比例关系，声子晶体可以分为布拉格散射型和局域共振型。前者主要是结构的周期性起着主导作用,当入射弹性波的波长与结构的特征长度(晶格常数) 相近时,将受到结构强烈的散射；而后者主要是单个散射体的共振特性起主导作用。布拉格声子晶体是基于布拉格散射机理，其共振频率与结构的特征长度密切相关，要使其带隙处于中低频范围内，其特征长度会很长，因此应用前景并不宽阔。而同样尺寸的局域共振型声子晶体比布拉格散射型声子晶体的第一带隙频率降低了两个数量级。
传统的局域共振声子晶体的低频带隙的宽度都很有限。为了获取更低更宽的带隙，越来越多的学者对其进行了研究，也进而提出了多种结构形式的单胞结构。所以急需设计出一个可以获得低频宽带隙特性的新型局域共振声子晶体结构，该新型局域共振声子晶体结构在隔音方面有着良好的前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型局域共振声子晶体结构，该新型局域共振声子晶体结构可以获得低频宽带隙特性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种新型局域共振声子晶体结构，包括方形外框架，所述方形外框架的中央设有将方形外框架的轮廓等比缩小的方形散射体，所述方形外框架与方形散射体之间固定连接有弹性梁，所述弹性梁沿方形散射体的中心对称设置，两个所述弹性梁之间间隔设置，所述弹性梁包括蛇形折叠段以及直线形连接段，所述折叠段的两端均固定连接于方形外框架的内侧壁，所述连接段的一端与方形散射体的外侧壁固定连接、另一端与折叠段沿其长度方向的中间的位置固定连接，所述弹性梁与方形外框架一体设置且材料均为环氧树脂，所述方形散射体的材料为铝。
进一步设置为：所述折叠段包括沿连接段长度方向呈对称设置的第一折叠部与第二折叠部，所述第一折叠部包括依次连接的若干折叠支段，相邻所述折叠支段之间相互垂直，所述连接段连接于方形散射体侧壁沿其长度方向的中间位置。
进一步设置为：所述折叠支段的数量为十四段且依次分别为第一折叠支段、第二折叠支段、第三折叠支段、第四折叠支段、第五折叠支段、第六折叠支段、第七折叠支段、第八折叠支段、第九折叠支段、第十折叠支段、第十一折叠支段、第十二折叠支段、第十三折叠支段以及第十四折叠支段，所述第一折叠支段的自由端固定连接于连接段且与之垂直，所述第十四折叠段的自由端固定连接于方形外框架的内侧壁且与之垂直，所述第一折叠支段与第五折叠支段相对齐。
进一步设置为：所述方形外框架与方形散射体的截面形状均为正方形，所述方形外框架的边长为22mm、宽度为0.5mm，所述弹性梁的厚度为0.5mm，所述第五折叠支段与方形散射体之间的距离为0.5mm，所述方形散射体的边长为8mm，所述第十四折叠支段背对第十二折叠支段的一侧壁与方形外框架内侧壁之间的距离为0.5mm。
进一步设置为：所述第三折叠支段、第五折叠支段、第七折叠支段、第九折叠支段、第十一折叠支段与第十三折叠支段的长度均为2mm，所述第二折叠支段、第四折叠支段与第六折叠支段的长度均为5.5mm，所述第八折叠支段、第十折叠支段与第十二折叠支段的长度均为9.5mm，所述第十四折叠支段的长度为10mm，所述连接段的宽度为0.5mm、长度为0.5mm，所述第一折叠支段的长度1mm。
本发明的另一目的是提供一种可有效抑制生活中噪声的隔音门板。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种隔音门板，包括新型局域共振声子晶体结构，所述新型局域共振声子晶体结构沿截面的朝向延伸设置形成一长条形，所述新型局域共振声子晶体结构沿垂直于延伸方向排列设置有若干条，相邻所述新型局域共振声子晶体结构之间一体设置，若干所述的新型局域共振声子晶体结构形成一结构层，所述的结构层设置有至少两层，相邻所述结构层之间一体设置。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明的新型局域共振声子晶体结构具有良好的低频宽带隙特性，该声子晶体以正方形晶格形式排列成隔音门板，具有抑制生活环境中噪声的能力，给人们提供一个更加安静舒适的空间。
附图说明
图1为实施例一的立体图；
图2为实施例一的主视图；
图3为实施例二的立体图；
图4为实施例一的材料属性图；
图5为实施例一能带结构图；
图6为实施例一含微腔结构声子晶体的传输谱图。
图中：1、方形外框架；2、方形散射体；3、弹性梁；31、折叠段；311、第一折叠部；312、第二折叠部；32、连接段；51、第一折叠支段；52、第二折叠支段；53、第三折叠支段；54、第四折叠支段；55、第五折叠支段；56、第六折叠支段；57、第七折叠支段；58、第八折叠支段；59、第九折叠支段；510、第十折叠支段；511、第十一折叠支段；512、第十二折叠支段；513、第十三折叠支段；514、第十四折叠支段。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一
参考图1和图2，一种新型局域共振声子晶体结构，包括方形外框架1，方形外框架1的中央设有将方形外框架1的轮廓等比缩小的方形散射体2，方形外框架1与方形散射体2的截面形状均为正方形；方形外框架1的内侧壁与方形散射体2的外侧壁之间连接有弹性梁3，弹性梁3沿方形散射体2的中心对称设置。两个弹性梁3之间间隔设置，弹性梁3包括蛇形折叠段31以及直线形连接段32，折叠段31的两端均固定连接于方形外框架1的内侧壁，连接段32的一端与方形散射体2的外侧壁沿其长度方向的中间位置固定连接、另一端与折叠段31沿其长度方向的中间位置固定连接。
折叠段31包括沿连接段32长度方向呈对称设置的第一折叠部311与第二折叠部312，由于第一折叠部311与第二折叠部312两者之间呈对称设置，故本申请只对第一折叠部311的具体结构进行进一步说明。第一折叠部311包括依次连接的若干折叠支段，相邻折叠支段之间相互垂直，折叠支段的数量为十四段且依次分别为第一折叠支段51、第二折叠支段52、第三折叠支段53、第四折叠支段54、第五折叠支段55、第六折叠支段56、第七折叠支段57、第八折叠支段58、第九折叠支段59、第十折叠支段510、第十一折叠支段511、第十二折叠支段512、第十三折叠支段513以及第十四折叠支段514；第一折叠支段51、第二折叠支段52、第三折叠支段53、第四折叠支段54、第五折叠支段55、第六折叠支段56、第七折叠支段57、第八折叠支段58、第九折叠支段59、第十折叠支段510、第十一折叠支段511、第十二折叠支段512、第十三折叠支段513以及第十四折叠支段514均一体设置。第一折叠支段51的自由端固定连接于连接段32的自由端且与之垂直，第十四折叠段31的自由端固定连接于方形外框架1的内侧壁且与之垂直，所述第一折叠支段51与第五折叠支段55相对齐，弹性梁3与方形外框架1一体设置且材料均为环氧树脂，方形散射体2的材料为铝。
方形外框架1的边长为22mm、宽度为0.5mm，弹性梁3的厚度为0.5mm，第五折叠支段55与方形散射体2之间的距离为0.5mm，方形散射体2的边长为8mm，第十四折叠支段514背对第十二折叠支段512的一侧壁与方形外框架1内侧壁之间的距离为0.5mm。第三折叠支段53、第五折叠支段55、第七折叠支段57、第九折叠支段59、第十一折叠支段511与第十三折叠支段513的长度均为2mm，第二折叠支段52、第四折叠支段54与第六折叠支段56的长度均为5.5mm，第八折叠支段58、第十折叠支段510与第十二折叠支段512的长度均为9.5mm，第十四折叠支段514的长度为10mm，连接段32的宽度为0.5mm、长度为0.5mm，第一折叠支段51的长度1mm。
为了清楚表示，将方形外框架11的边长记作a、方形散射体22的边长记作b、第五折叠支段55与方形散射体2之间的距离记作c、第二折叠支段52、第四折叠支段54与第六折叠支段56的长度记作d、第八折叠支段58、第十折叠支段510与第十二折叠支段512的长度记作e、第十四折叠支段514的长度记作f、第三折叠支段53、第五折叠支段55、第七折叠支段57、第九折叠支段59、第十一折叠支段511与第十三折叠支段513的长度记作g、连接段32的宽度记作h、第十四折叠支段514背对第十二折叠支段512的一侧壁与方形外框架1内侧壁之间的距离记作i。a=22mm，b=8mm，c=0.5mm，d=5.5mm，e=9.5mm，f=10mm，g=2mm，h=0.5mm，i=0.5mm。
通过限元法计算了该新型局域共振声子晶体结构的带隙，该新型局域共振声子晶体结构使用的材料属性如图4所示，结构尺寸参数与上文所述一致。
图5显示的是计算得出的带隙图，由图可知，该新型局域共振声子晶体在0Hz～800Hz的范围内一共有8条共振带，这8条共振带形成了两条共振带隙。第一条共振带隙范围为89.6Hz～207.4Hz，第二条共振带隙范围为216.2Hz～232.8Hz。这两条共振带隙都是处于低频范围内，且生活环境中的噪声也是处于低频范围内。因此，该新型局域共振声子晶体能够满足隔音门板的要求，且该新型局域共振声子晶体对其他情况下的噪声也有广阔的应用前景。
为了验证该结构是否会对生活中的低频噪声具有衰减作用，计算了该结构有限个单元的传输谱。首先建立一个在x方向具有20个周期、y方向具有2两个周期单元结构的模型。再在y方向上端施加一个值为0.001m/s2的加速度，扫描频率从1Hz到800Hz。在y方向上端选取一个监测点，监测其加速度幅值随频率的变化。
根据监测点的变化得出的传输谱图如图6所示。传输谱中存在一个频率范围，在这个频率范围内，其声学衰减是最大的，称之为完全带隙，传输谱的峰值表示衰减的程度。
由图可知，最小起始频率与带隙计算的结果基本一致。透射系数在80Hz处开始出现明显的衰减，在87Hz的时候，透射系数衰减到0dB；从87Hz到197Hz之间，透射系数一直都是处于0dB以下，对应于图5中的第一条带隙。200Hz时透射系数达到一个峰值，对应着图5中第三阶的共振带。200Hz后，透射系数明显衰减，205Hz衰减到0dB，一直到245Hz都是处于0dB以下，与第二条带隙基本一致。到了700Hz左右也出现了明显的衰减，但是此时处于高频阶段，可以不用考虑。
综上所述，带隙的起始于截止频率与带隙计算的结果基本吻合，也证实了该结构可以用于衰减生活中低频噪声。
实施例二
参考图3，一种隔音门板，包括新型局域共振声子晶体结构，所述新型局域共振声子晶体结构沿截面的朝向延伸设置形成一长条形，所述新型局域共振声子晶体结构沿垂直于延伸方向排列设置有若干条，相邻所述新型局域共振声子晶体结构之间一体设置，若干所述的新型局域共振声子晶体结构形成一结构层，所述的结构层设置有至少两层，相邻所述结构层之间一体设置。
本发明所提出的新型局域共振声子晶体周期结构具有良好的低频宽带隙特性，该声子晶体以正方形晶格形式排列成隔音门板，具有抑制生活环境中噪声的能力，给人们提供一个更加安静舒适的空间。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (6)
1.一种新型局域共振声子晶体结构，其特征在于：包括方形外框架(1)，所述方形外框架(1)的中央设有将方形外框架(1)的轮廓等比缩小的方形散射体(2)，所述方形外框架(1)与方形散射体(2)之间固定连接有弹性梁(3)，所述弹性梁(3)沿方形散射体(2)的中心对称设置，两个所述弹性梁(3)之间间隔设置，所述弹性梁(3)包括蛇形折叠段(31)以及直线形连接段(32)，所述折叠段(31)的两端均固定连接于方形外框架(1)的内侧壁，所述连接段(32)的一端与方形散射体(2)的外侧壁固定连接、另一端与折叠段(31)沿其长度方向的中间位置固定连接，所述弹性梁(3)与方形外框架(1)一体设置且材料均为环氧树脂，所述方形散射体(2)的材料为铝。
2.根据权利要求1所述的新型局域共振声子晶体结构，其特征在于：所述折叠段(31)包括沿连接段(32)长度方向呈对称设置的第一折叠部(311)与第二折叠部(312)，所述第一折叠部(311)包括依次连接的若干折叠支段，相邻所述折叠支段之间相互垂直，所述连接段(32)连接于方形散射体(2)侧壁沿其长度方向的中间位置。
3.根据权利要求2所述的新型局域共振声子晶体结构，其特征在于：所述折叠支段的数量为十四段且依次分别为第一折叠支段(51)、第二折叠支段(52)、第三折叠支段(53)、第四折叠支段(54)、第五折叠支段(55)、第六折叠支段(56)、第七折叠支段(57)、第八折叠支段(58)、第九折叠支段(59)、第十折叠支段(510)、第十一折叠支段(511)、第十二折叠支段(512)、第十三折叠支段(513)以及第十四折叠支段(514)，所述第一折叠支段(51)的自由端固定连接于连接段(32)且与之垂直，所述第十四折叠段(31)的自由端固定连接于方形外框架(1)的内侧壁且与之垂直，所述第一折叠支段(51)与第五折叠支段(55)相对齐。
4.根据权利要求3所述的新型局域共振声子晶体结构，其特征在于：所述方形外框架(1)与方形散射体(2)的截面形状均为正方形，所述方形外框架(1)的边长为22mm、宽度为0.5mm，所述弹性梁(3)的厚度为0.5mm，所述第五折叠支段(55)与方形散射体(2)之间的距离为0.5mm，所述方形散射体(2)的边长为8mm，所述第十四折叠支段(514)背对第十二折叠支段(512)的一侧壁与方形外框架(1)内侧壁之间的距离为0.5mm。
5.根据权利要求4所述的新型局域共振声子晶体结构，其特征在于：所述第三折叠支段(53)、第五折叠支段(55)、第七折叠支段(57)、第九折叠支段(59)、第十一折叠支段(511)与第十三折叠支段(513)的长度均为2mm，所述第二折叠支段(52)、第四折叠支段(54)与第六折叠支段(56)的长度均为5.5mm，所述第八折叠支段(58)、第十折叠支段(510)与第十二折叠支段(512)的长度均为9.5mm，所述第十四折叠支段(514)的长度为10mm，所述连接段(32)的宽度为0.5mm、长度为0.5mm，所述第一折叠支段(51)的长度1mm。
6.一种隔音门板，包括有上述权利要求1-5中所述的新型局域共振声子晶体结构，其特征在于：所述新型局域共振声子晶体结构沿截面的朝向延伸设置形成一长条形，所述新型局域共振声子晶体结构沿垂直于延伸方向排列设置有若干条，相邻所述新型局域共振声子晶体结构之间一体设置，若干所述的新型局域共振声子晶体结构形成一结构层，所述的结构层设置有至少两层，相邻所述结构层之间一体设置。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20190104 Assignee: TEJI VALVE GROUP Co.,Ltd. Assignor: Wenzhou University Contract record no.: X2023330000105 Denomination of invention: New type of local resonance phononic crystal structure and soundproof door panel using this structure Granted publication date: 20221115 License type: Common License Record date: 20230311 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |