CN109493840B - 基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构 - Google Patents

基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构，属于低频消声装置领域，本发明的结构包括若干个以阵列的方式排布的单个胞元结构，单个胞元结构包括上下两层支撑板结构，上下两层支撑板结构之间通过可调螺杆固定，上下两层支撑板结构中均设置有薄膜，上下设置的薄膜中心分别设置相斥的永磁铁，永磁铁作为负重；本发明的双层薄膜板超材料，通过永磁铁的磁力作用改变薄膜预应力，相对于普通质量块的薄膜板结构，拓宽了可调隔声频带范围；本发明还通过调节两层板之间的距离，可以间接调节磁力大小，从而改变薄膜张力，调节方式简单易实现，在一定频率范围内起到可调节的低频消声的作用。

Description

基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构
技术领域
本发明属于低频消声装置领域，是指在一定频率范围内起到可调节的低频消声作用的装置，具体是指一种基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构。
背景技术
超材料是一种由人工合成的超越自然界中现有材料的物理性质，因而具有一些奇特物理性质的复合结构或复合材料。该复合结构或复合材料是由亚波长的单元结构组成的，在这些结构中的重要的物理尺度对材料中所体现出来的某些奇特的物理性质起到了重要的作用。薄膜声学超材料在低频范围内能表现出良好的声衰减性能。已有的薄膜型板结构超材料，利用局域共振原理，能够实现在某个频段范围内的隔声，具体的样件示意图及其隔声曲线如图1所示，图1所示的是传统薄膜超材料的胞元结构，由单层框架构成，薄膜预应力在安装时已经设定为定值，再搭配重物，同样有在某段频域隔声的效果。其缺点在于只能起到在窄频域范围内的隔声效果，并且无法调节薄膜预应力。
上述现有技术中的存在的薄膜型超材料存在隔声频带范围过窄，隔声频率无法调节的技术缺陷，一直是本领域技术人员待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构，该结构利用永磁铁的斥力作用，通过控制两层支撑板结构之间的距离，调节薄膜的预应力，公开了一款隔声量可调节的声学板结构。
本发明是这样实现的：
一种基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构，其特征在于，所述的结构包括若干个以阵列的方式排布的单个胞元结构，所述的单个胞元结构包括上下两层支撑板结构，上下两层支撑板结构之间通过可调螺杆固定，上下两层支撑板结构中均设置有薄膜，所述的上下设置的薄膜中心分别设置相斥的永磁铁，所述的永磁铁作为负重；所述的薄膜以及中心设置的相斥的永磁铁之间产生的相位相反的振动，通过调节可调螺杆调节支撑板结构之间的距离，调节支撑板结构间的距离间接实现了薄膜张力的可调，从而实现了隔声频带的可调节。频带拓宽至少2倍。本发明的低频消声装置，能够在一定频率范围内起到可调节的低频消声的作用。
进一步，所述的上下设置的薄膜完全相同；所述的相斥的永磁铁质量对等、受力相同；所述的薄膜、永磁铁对称布置在上下两层支撑板结构上；所述的支撑板结构固定并张紧薄膜。
进一步，所述的薄膜为PI胶贴薄膜，所述的隔声量与控制薄膜张力的大小T成反比，若需要较高频率的隔声范围，则增大薄膜张力即缩短两板之间的距离；反之若需要较低频率的隔声范围，则减小薄膜张力即增大两板之间的距离。。
进一步，所述的磁力大小与永磁铁的磁极面积和两个相斥的永磁铁之间的距离有关，设定薄膜张力合力可等效为T＝kx，k表示薄膜的横向振动等效刚度，所述的磁力大小表达式为：
Figure BDA0001894313480000021
其中，c表示一个常数，A为磁极面积，s表示两相对磁极稳定状态的距离，x表示磁铁偏离稳定中心的位移，(s+2x)则表示两磁铁之间的实际距离；初始状态的薄膜张力用磁力表示，由等式T＝G，薄膜此时的等效刚度可以表示为：
Figure BDA0001894313480000022
其中，x0是初始稳定位置薄膜的横向位移。
进一步，由等效刚度公式得出通过控制两层支撑板结构之间的距离s，间接调节磁力大小，控制薄膜张力的大小T，调节隔声量；所述的薄膜张力随着支撑板结构之间的距离s增大而变小，所述的隔声频段随着控制薄膜张力的增大T而变大。
进一步，所述的永磁铁可以采用圆形或者环形永磁铁，所述的隔声频段随着永磁铁的圆环半径增大而变小。
本发明与现有技术的有益效果在于：
1)本发明的可调双层薄膜板声学超材料结构能够减噪隔声，主要通过中心相斥的永磁铁和和薄膜之间产生的相位相反的振动，从而使薄膜上产生的平均振动幅值趋于零，对应的频率即为传递损失的峰值频率，然后隔声谷值频率对应发生在整个系统的振动固有频率处，此时无论共振还是反向共振，在薄膜处产生的位移幅值均不为零且值较大，噪声能够传递过去；
2)此外，本发明利用永磁铁的斥力作用，通过控制两层板之间的距离，调节薄膜的预应力，从而实现该声学板结构隔声量的可调；本发明还可以通过设置不同的永磁铁尺寸，以及调节不同的薄膜张力，实现传递损失频带的可调；
3)综上，本发明的双层薄膜板超材料，通过永磁铁的磁力作用改变薄膜预应力，相对于普通质量块的薄膜板结构，拓宽了可调隔声频带范围；通过调节两层支撑板结构之间的距离，可以间接调节磁力大小，从而改变薄膜张力，调节方式简单易实现。
附图说明
图1为本发明背景技术中提及的传统薄膜型超材料示意图；
图2为本发明永磁铁斥力作用示意图；
图3为本发明中单个胞元结构受力分析示意图；
图4为本发明实施例中计算传递损失曲线图；
图5为本发明基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构中单个胞元结构示意图；
其中，1-支撑板结构；2-薄膜；3-永磁铁；4-可调螺杆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图5所示，图5为本发明基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构中单个胞元结构示意图；该单个胞元结构包括上下两层支撑板结构1，上下两层支撑板结构1之间通过可调螺杆4固定，上下两层支撑板结构1中均设置有薄膜2，所述的上下设置的薄膜2中心分别设置相斥的永磁铁3。其中上下设置的薄膜2完全相同；所述的相斥的永磁铁3质量对等、受力相同；所述的薄膜2、永磁铁3对称布置在上下两层支撑板结构1上；所述的支撑板结构1的作用在于固定并张紧薄膜2。
如图2所示，图2所示的为本发明永磁铁斥力作用示意图，所述的永磁铁3表示负重，所述的对称设置的永磁铁3为相斥的永磁铁，本发明的消声原理利用永磁铁的斥力作用。本发明基于动力吸振器(Dynamic Absorber)原理和声波的传播特点，对二维薄膜型声学超材料平板结构进行详尽地理论分析和设计研究，本发明隔声机理为：
由于本发明的薄膜型声学超材料平板在某些特定的频率下可以作为一个完全的反射节点，当声波通过该节点时会与微观结构发生局部共振，又因为粘弹性薄膜2的阻尼作用使得声波的能量得到消耗，进而实现了声波的阻隔作用。
动力吸振器由主系统和辅助系统组成。激振力频率等于辅助系统固有频率时，主系统质量块振幅为零，激振力全部转化为辅助系统的振动，辅助弹簧作用在主质量上的力和激振力大小相等、方向相反，主质量上合力为零，使得反共振现象激振力频率等于辅助系统固有频率时，主系统质量块振幅为零，激振力全部转化为辅助系统的振动，辅助弹簧作用在主质量上的力和激振力大小相等、方向相反，主质量上合力为零，使得主系统保持不动，这就是动力吸振器的一般原理。
本发明的可调双层薄膜板声学超材料结构的结构单元由三个部分组成：支撑板结构1、弹性薄膜2和永磁铁3。支撑板结构1用于固定并张紧弹性薄膜，弹性薄膜2可以看作是具有分布质量的弹簧，附加永磁铁3作为重物充当振子。
如图3所示，图3为本发明中单个胞元结构受力分析示意图，由于永磁铁3和和薄膜2之间产生的相位相反的振动，从而使薄膜2上产生的平均振动幅值趋于零，对应的频率即为传递损失的峰值频率，然后隔声谷值频率对应发生在整个系统的振动固有频率处，此时无论共振还是反向共振，在薄膜处产生的位移幅值均不为零且值较大，噪声能够传递过去，因而本发明可调双层薄膜板声学超材料结构能够达到减噪隔声的作用。
本发明用永磁铁3的斥力作用，通过调节可调螺杆4调节支撑板结构1之间的距离，调节薄膜3的预应力，从而实现该声学板结构隔声量的可调，调控规律如下：
由于该结构采用完全相同的薄膜2和永磁铁3对称布置在支撑板结构1两侧，因此对两个相斥的永磁铁3的受力相同，现以其中一个永磁铁3为分析对象进行受力分析。
薄膜张力合力可等效为T＝kx，k表示薄膜的横向振动等效刚度。磁力的大小与磁极面积和两个磁极之间的距离有关，其表达式为：
Figure BDA0001894313480000051
其中，c表示一个常数，A为磁极面积，s表示两相对磁极稳定状态的距离，x表示磁铁偏离稳定中心的位移，(s+2x)则表示两磁铁之间的实际距离。
初始状态的薄膜张力可以用磁力表示，由等式T＝G，薄膜此时的等效刚度可以表示为：
Figure BDA0001894313480000052
其中，x0是初始稳定位置薄膜的横向位移。
由该等效刚度公式可知：通过控制两层板之间的距离s，可以控制薄膜张力的大小T。圆环形永磁铁3配重薄膜型超材料胞元结构的计算传递损失曲线如图4所示；由图4可知，该配重状态下，数值仿真计算得出的该胞元结构可在1000Hz达到最大隔声量接近90dB。该实验数据结果表明本发明的结构相具备相当大的隔声量。
在噪声控制和建筑声学工程中要大量使用声学超材料和声学结构，其声学性能测试是声学测量的重要内容。隔声性能主要由传声损失(Transmission Loss,TL)描述。传声损失的定义是入射到结构上的圣能和透过结构能之比的分贝数，数学表达式如下：
Figure BDA0001894313480000053
其中，τ为结构传递系数，
Figure BDA0001894313480000061
其中Wi为入射声功率，Wt为投射声功率。
VA-Lab IMP阻抗管测试模块软件基于声望的SW阻抗管系列开发，主要功能是配合阻抗管进行材料的吸声系数，隔声系数等声学参数测试。本实施例中利用100mm声阻抗管对单个胞元结构进行隔声特性测量实验。在保证其质量一致的情况下(均为7g)，选用三种不同尺寸的钕铁硼磁铁(质量块)，分别为：圆片(直径20mm)、圆环1(外径22mm，内径12mm)、圆环2(外径30mm，内径25mm)。
对不同张力薄膜状态(张力1>张力2>张力3)的声学超材料薄膜结构进行测量传递损失数据如下。表中数据(f,y)分别表示：f传递损失峰值频率(Hz)，y传递损失最大值(dB)。
表1不同张力薄膜状态不同配重下胞元结构传递损失实验值
Figure BDA0001894313480000062
由实验数据可以看出：1)当薄膜张力增大时，传递损失峰值频率f逐渐增大；2)当圆(环)半径增大时，传递损失峰值频率f逐渐减小。
因此，可以通过设置不同的质量块尺寸，以及调节不同的薄膜张力，实现传递损失频带的可调。
本发明的可调双层薄膜板声学超材料结构，其基本结构框架根据已有尺寸进行加工。薄膜可以设定为PI胶贴薄膜。永磁铁3的配置根据不同环境需求添加各种类型：若需要较高频率的隔声范围，则减小圆(环)半径；反之若需要较低频率的隔声范围，则增大圆(环)半径。两层支撑板结构1之间的距离由可调螺杆4调节，同样根据不同环境需求，调节其距离大小，两层板距离越近，则薄膜应力增大，相应的吸声频率范围增大。若需要较高频率的隔声范围，则增大薄膜张力即缩短两板之间的距离；反之若需要较低频率的隔声范围，则减小薄膜张力即增大两板之间的距离。
单个胞元的安装如图2所示，可调螺杆4连接两层支撑板结构1，从而实现距离可调，达到调节吸声频率范围的目的。
将整体结构安装在墙壁内，以阵列的方式排布，包覆需要隔声的声源，通过调节两层板的距离，可以实现100-1500Hz范围的隔声。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构，其特征在于，所述的结构包括若干个以阵列的方式排布的单个胞元结构，所述的单个胞元结构包括上下两层支撑板结构(1)，上下两层支撑板结构(1)之间通过可调螺杆(4)固定，上下两层支撑板结构(1)中均设置有薄膜(2)，所述的上下设置的薄膜(2)中心分别设置相斥的永磁铁(3)，所述的永磁铁(3)作为负重；所述的薄膜(2)以及中心设置的相斥的永磁铁(3)之间产生的相位相反的振动，通过调节可调螺杆(4)调节支撑板结构(1)之间的距离，进而调节隔声频段。
2.根据权利要求1所述的一种基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构，其特征在于，所述的上下设置的薄膜(2)完全相同；所述的相斥的永磁铁(3)质量对等、受力相同；所述的薄膜(2)、永磁铁(3)对称布置在上下两层支撑板结构(1)上；所述的支撑板结构(1)固定并张紧薄膜(2)。
3.根据权利要求1所述的一种基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构，其特征在于，所述的薄膜(2)为PI胶贴薄膜，所述的永磁铁(3)尺寸、质量可调节。
4.根据权利要求1所述的一种基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构，其特征在于，磁力大小与永磁铁(3)的磁极面积和两个相斥的永磁铁(3)之间的距离有关，设定薄膜张力合力可等效为T＝kx，k表示薄膜的横向振动等效刚度，磁力大小表达式为：
Figure FDA0004136134540000011
其中，c表示一个常数，A为磁极面积，s表示两相对磁极稳定状态的距离，x表示磁铁偏离稳定中心的位移，(s+2x)则表示两磁铁之间的实际距离；
初始状态的薄膜张力用磁力表示，由等式T＝G，薄膜此时的等效刚度表示为：
Figure FDA0004136134540000012
其中，x0是初始稳定位置薄膜的横向位移。
5.根据权利要求4所述的一种基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构，其特征在于，由等效刚度公式得出通过控制两层支撑板结构(1)之间的距离s，间接调节磁力大小，控制薄膜(2)张力大小T，调节隔声频段；所述的薄膜张力随着支撑板结构(1)之间的距离s增大而变小，所述的隔声频段随着控制薄膜(2)张力的增大而变大。
6.根据权利要求1所述的一种基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构，其特征在于，所述的永磁铁(3)采用圆形或者环形永磁铁；当所述的永磁铁(3)为环形永磁铁时，隔声频段随着永磁铁(3)的圆环半径增大而变小。
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