CN109671420B - 一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料 - Google Patents
一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109671420B CN109671420B CN201811425527.3A CN201811425527A CN109671420B CN 109671420 B CN109671420 B CN 109671420B CN 201811425527 A CN201811425527 A CN 201811425527A CN 109671420 B CN109671420 B CN 109671420B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silica gel
- sound insulation
- acoustic metamaterial
- type active
- gel film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/175—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using interference effects; Masking sound
- G10K11/178—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using interference effects; Masking sound by electro-acoustically regenerating the original acoustic waves in anti-phase
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Building Environments (AREA)
Abstract
本发明涉及低频噪声主动控制的声学超材料技术领域，具体为一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料。所述薄膜型主动声学超材料的结构由内部可产生匀强磁场的通电螺线管和中心附加钕铁硼磁铁的硅胶薄膜等结构组成，通电后可使得硅胶薄膜上磁铁受到一轴向电磁力作用，实现了超材料结构声学特性的非接触式主动控制。本结构具有较好的低频隔声性能，通过改变电流强度产生不同强度的磁场，从而改变作用在磁铁上的受力，能够定量调节所设计声学超材料的固有频率，实现隔声峰值频率的定向移动，从而拓宽了声学超材料的隔声频率范围，为在低频范围内的噪声控制提供了有效的实际应用。
Description
技术领域
本发明涉及低频噪声主动控制的声学超材料技术领域，具体为一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料。
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。传统材料的低频隔声量遵循质量定律，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。
声学超材料是一种具有负等效特性的周期性亚波长结构组成的复合材料,可以通过小尺寸控制大波长。近年来,研究者们提出了大量的声学超材料,为低频噪声控制提供了有利的结构模型。2012年，梅军等人设计了一种在弹性薄膜上镶嵌有一些非对称性的硬质金属片的声学超材料，实现了低频区域的高效隔声；2017年，周榕等人发明了一种一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料(专利申请号为CN201611165543.4)，使得材料在500Hz以下的频率范围被产生多个隔声峰值，改变薄膜位置可以改变隔声峰值对应频率，实现声学超材料隔声性能的半主动控制。
传统的被动式声学超材料以及半主动式声学超材料一旦制备完成，其隔声峰值频率固定，或者可调节范围较窄，难以适应实际复杂声学环境。
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。通过定量改变薄膜上附加质量块的轴向受力可以定向控制超材料隔声峰值的移动，实现隔声的主动控制。
发明内容
本发明提供了一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，通过定量改变输入电流的大小，改变硅胶薄膜上磁铁轴向受力，改变结构固有频率，从而使隔声峰值定向移动，实现声学超材料的非接触式主动控制。
本发明的技术方案是：一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，所述薄膜型主动声学超材料由环形框架、磁铁、硅胶薄膜和通电螺线管组成；将漆包铜线绕制在螺线管套筒上，漆包铜线首尾留出一段接入直流电源正负极，制成通电螺线管；然后将一片环形框架放置在水平桌面上，再将硅胶薄膜自然放置在环形框架的上表面，再将另一片环形框架对准桌面上的环形框架放置在硅胶薄膜上，使硅胶薄膜夹于两片环形框架之间，用螺丝将上下两片环形框架固定，从而固定硅胶薄膜，接着用美工刀将硅胶薄膜沿着环形框架外边缘裁断，再将磁铁S极一侧用胶水粘贴在固定好的硅胶薄膜中心，然后将环形框架外侧缠上一层隔声胶带，防止漏声，最后将固定有圆形硅胶薄膜的环形框架放置于绕制好的通电螺线管内部，放置时靠近通电螺线管N极一侧。
上述方案中，由环形框架固定的硅胶薄膜垂直于磁场方向放置。
上述方案中，所述环形框架和螺线管套筒是由铝材料制成，或者由其他弱磁性材料制成。
进一步的，所述的环形框架外半径为17-32mm，内半径为15-30mm，单片厚度为2mm。
进一步的，所述的硅胶薄膜固定在两片环形框架之间，并用4颗螺丝对称固定。
进一步的，所述硅胶薄膜半径为15-30mm，厚度为0.3-0.6mm，杨氏模量为1MPa-3MPa。
进一步的，所述硅胶薄膜也可采用其他材料弹性薄膜。
上述方案中，所述磁铁沿厚度方向充磁，其S极一侧用胶水粘贴在硅胶薄膜中心。
进一步的，所述磁铁半径为8mm，厚度为1.5mm。
上述方案中，所述通电螺线管是由漆包铜线绕制在铝质螺线管套筒上制成，输入电流强度为0-15A。
进一步的，通电螺线管内半径为17-32mm，长度为60mm。
上述方案中，由环形框架固定下的硅胶薄膜置于通电螺线管内并靠近通电螺线管N极一侧。
上述方案中，输入电流通电螺线管内部产生的磁场方向与声波入射方向相反。
本发明的优点有：
1、可实现隔声峰值的定向移动，根据实际声学环境定量控制输入电流的大小，实现隔声性能的非接触式主动控制。
2、结构简单，由传统薄膜声学超材料和通电螺线管的组合，机械加工工艺简便，可批量生产。
3、通过电磁调节结构固有频率，控制隔声峰值变化响应快。
4、磁铁置于薄膜中心位置，保证薄膜在振动过程中保持磁铁受轴向磁力作用。
附图说明
图1为本发明单元结构示意图。
图2为本发明中环形框架固定下的硅胶薄膜结构示意图。
图3为本发明通电螺线内部磁感线方向及声波方向示意图。
图4为本发明隔声特性随结构所受轴向力变化曲线图。
图5为本发明中采用0.3mm厚硅胶薄膜结构隔声特性变化曲线。
图6为本发明中采用0.4mm厚硅胶薄膜结构隔声特性变化曲线。
图7为本发明中采用0.6mm厚硅胶薄膜结构隔声特性变化曲线。
图8为本发明中采用1MPa杨氏模量硅胶薄膜结构隔声特性变化曲线。
图9为本发明中采用1MPa杨氏模量硅胶薄膜结构隔声特性变化曲线。
图10为本发明中采用1MPa杨氏模量硅胶薄膜结构隔声特性变化曲线。
图11为本发明隔声峰值频率变化量随硅胶薄膜厚度的变化趋势图。
图12为本发明隔声峰值频率变化量随硅胶薄膜杨氏模量的变化趋势图。
附图标记说明：1-通电螺线管漆包铜线；2-磁铁；3-硅胶薄膜；4-通电螺线管套筒；5-环形框架；6-电流输入；7-电流输出；8-声波入射方向；9-通电螺线管内部磁感线方向。
具体实施方式
下面结合附图度本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本实施例中磁铁采用钕铁硼磁铁。
见图1和图2，第一步：将一片环形框架放置于水平桌面上，并将硅胶薄膜自然放置在桌面上的环形框架上表面；
第二步：将另一片环形框架对准桌面上环形框架放置在硅胶薄膜上，将硅胶薄膜夹于两片环形框架之间，并用四颗螺丝将上下两片环形框架固定，从而固定硅胶薄膜；
第三步：用美工刀将硅胶薄膜沿着环形框架外边缘裁断；
第四步：将钕铁硼磁铁S极一侧用胶水粘贴在固定好的硅胶薄膜中心；
第五步：将环形框架外侧缠上一层隔声胶带，防止漏声；
第六步：将固定有硅胶薄膜的环形框架放置于通电螺线管内部，放置时靠近通电螺线管N极一侧；
第七步：整理好预留出的漆包铜线，控制漆包铜线首尾两端接入直流电源的正负，使通电螺线管内部磁感线方向与入射声波方向反向；
第八步：调整输入电流大小，使钕铁硼磁铁受不同大小轴向力作用，得到结构在不同大小轴向磁力作用下隔声曲线的变化。
如图1所示主动声学超材料结构，环形夹板外半径为17mm，内半径为15mm，单片厚度为2mm；硅胶薄膜半径为15mm，厚度为0.6mm；钕铁硼磁铁半径为8mm，厚度为1.5mm；通电螺线管内半径为17mm，长度为60mm。所述主动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]；硅胶薄膜[密度ρ＝980kg/m3；弹性模量E＝2e6Pa；泊松比ν＝0.45]。
所述基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料应用COMSOL Multiphysics5.3a有限元软件中“声-固耦合，频率”模块对其进行隔声曲线计算，图4为采用0.6mm厚硅胶薄膜主动声学超材料结构所受不同轴向力时隔声曲线变化。
如图4所示，在输入电流变化的过程中，硅胶薄膜上钕铁硼磁铁所受轴向力变化，结构隔声峰值频率有明显移动，移动量超过100Hz，所以所设计主动声学超材料可实现隔声特性的非接触式主动控制，有效拓宽低频隔声可控范围。
本发明所述的基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料为了达到理想的隔声效果，研究了不同硅胶薄膜杨氏模量和不同硅胶薄膜厚度对隔声峰值频率变化的影响。保持其他参数不变，选取了杨氏模量为1MPa，2MPa，3MPa的硅胶薄膜，选取了厚度为0.3mm，0.4mm，0.6mm的硅胶薄膜。
选取厚度为0.3mm，杨氏模量为2MPa的硅胶薄膜，第一步：将一片环形框架放置于水平桌面上，并将硅胶薄膜自然放置在桌面上的环形框架上表面；
第二步：将另一片环形框架对准桌面上环形框架放置在硅胶薄膜上，将硅胶薄膜夹于环形框架之间，并用四颗螺丝将上下两片环形框架固定，从而固定硅胶薄膜；
第三步：用美工刀将硅胶薄膜沿着环形框架外边缘裁断；
第四步：将钕铁硼磁铁S极一侧用胶水粘贴在固定好的硅胶薄膜中心；
第五步：将环形框架外侧缠上一层隔声胶带，防止漏声；
第六步：将固定有硅胶薄膜的环形框架放置于绕制好的通电螺线管内部，放置时靠近通电螺线管N极一侧；
第七步：整理好预留出的漆包铜线，控制漆包铜线首尾两端接入直流电源的正负，使通电螺线管内部磁感线方向与入射声波方向反向；
第八步：调整输入电流大小，使钕铁硼磁铁受不同大小轴向力作用，得到结构在不同大小轴向磁力作用下隔声曲线的变化，如图5所示。
选取厚度为0.4mm，杨氏模量为2MPa的硅胶薄膜，重复上述步骤一到步骤七，调整输入电流大小，得到结构在不同大小轴向磁力作用下隔声曲线的变化，如图6所示。
选取厚度为0.6mm，杨氏模量为2MPa的硅胶薄膜，重复上述步骤一到步骤七，调整输入电流大小，得到结构在不同大小轴向磁力作用下隔声曲线的变化，如图7所示。
如图5、图6和图7所示，当采用相同半径，相同杨氏模量硅胶薄膜时，随着硅胶薄膜厚度的增加，隔声峰值变大，隔声带宽变宽，隔声峰值频率整体向高频移动。
选取杨氏模量为1MPa，厚度为0.6mm的硅胶薄膜，重复上述步骤一到步骤七，调整输入电流大小，得到结构在不同大小轴向磁力作用下隔声曲线的变化，如图8所示。
选取杨氏模量为2MPa，厚度为0.6mm的硅胶薄膜，重复上述步骤一到步骤七，调整输入电流大小，得到结构在不同大小轴向磁力作用下隔声曲线的变化，如图9所示。
选取杨氏模量为3MPa，厚度为0.6mm的硅胶薄膜，重复上述步骤一到步骤七，调整输入电流大小，得到结构在不同大小轴向磁力作用下隔声曲线的变化，如图10所示。
如图8、图9和图10所示，当采用相同半径，相同厚度硅胶薄膜时，随着硅胶薄膜杨氏模量的增加，声学超材料结构隔声带宽变宽，隔声峰值频率整体向高频移动。
如图11和图12所示，随着硅胶薄膜杨氏模量的增大，隔声峰值频率变化量变大，随着薄膜厚度的变大，隔声峰值频率变化量变大。在设计主动薄膜型声学超材料参数时，考虑其低频隔声效果及其隔声控制范围，应选择杨氏模量及厚度相对较大的薄膜。
根据本发明的上述特点，其可以应用于交通工具的隔声装置以及建筑隔声等方面，具有良好的工程应用前景。
上述所述为优选的实施例，不能作为本发明的全部范围，在以本发明所述声学超材料结构为基准做任何明显的改进或简单变换均属于本发明的专利覆盖范围内。
Claims (9)
1.一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：所述薄膜型主动声学超材料由环形框架、磁铁、硅胶薄膜和通电螺线管组成；将漆包铜线绕制在螺线管套筒上，漆包铜线首尾留出一段接入直流电源正负极，制成通电螺线管；然后将一片环形框架放置在水平桌面上，再将硅胶薄膜自然放置在环形框架的上表面，再将另一片环形框架对准桌面上的环形框架放置在硅胶薄膜上，使硅胶薄膜夹于两片环形框架之间，用螺丝将上下两片环形框架固定，从而固定硅胶薄膜，接着用美工刀将硅胶薄膜沿着环形框架外边缘裁断，再将磁铁S极一侧固定在硅胶薄膜中心，然后将环形框架外侧缠上一层隔声胶带，防止漏声，最后将固定有圆形硅胶薄膜的环形框架放置于绕制好的通电螺线管内部，放置时靠近通电螺线管N极一侧；由环形框架固定的硅胶薄膜垂直于磁场方向放置。
2.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：所述环形框架和螺线管套筒是由铝材料制成。
3.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：所述的环形框架外半径为17-32mm，内半径为15-30mm，单片厚度为2mm。
4.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：所述的硅胶薄膜固定在两片环形框架之间，并用4颗螺丝对称固定；所述硅胶薄膜半径为15-30mm，厚度为0.3-0.6mm，杨氏模量为1MPa-3MPa。
5.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：所述磁铁沿厚度方向充磁，其S极一侧用胶水粘贴固定在硅胶薄膜中心；所述磁铁半径为8mm，厚度为1.5mm。
6.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：所述通电螺线管是由漆包铜线绕制在铝质螺线管套筒上制成，输入电流强度为0-15A；所述通电螺线管内半径为17-32mm，长度为60mm。
7.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：输入电流通电螺线管内部产生的磁场方向与声波入射方向相反。
8.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：当采用相同半径，相同杨氏模量硅胶薄膜时，随着硅胶薄膜厚度的增加，隔声峰值变大，隔声带宽变宽，隔声峰值频率整体向高频移动；当采用相同半径，相同厚度硅胶薄膜时，随着硅胶薄膜杨氏模量的增加，声学超材料结构隔声带宽变宽，隔声峰值频率整体向高频移动。
9.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：随着硅胶薄膜杨氏模量的增大，隔声峰值频率变化量变大，随着薄膜厚度的变大，隔声峰值频率变化量变大。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811425527.3A CN109671420B (zh) | 2018-11-27 | 2018-11-27 | 一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811425527.3A CN109671420B (zh) | 2018-11-27 | 2018-11-27 | 一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109671420A CN109671420A (zh) | 2019-04-23 |
| CN109671420B true CN109671420B (zh) | 2023-03-21 |
Family
ID=66143272
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811425527.3A Active CN109671420B (zh) | 2018-11-27 | 2018-11-27 | 一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109671420B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110501419A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-11-26 | 江苏大学 | 一种带轴向可调节匀强磁场加载装置的声学测量系统 |
| CN110491360A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-11-22 | 江苏大学 | 一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料 |
| CN111369962A (zh) * | 2020-02-02 | 2020-07-03 | 江苏大学 | 一种内置薄膜型声学超材料的双层板隔声装置 |
| CN112863471A (zh) * | 2021-01-14 | 2021-05-28 | 湖北航鹏化学动力科技有限责任公司 | 隔声装置 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103594080A (zh) * | 2013-10-25 | 2014-02-19 | 国家电网公司 | 一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置 |
| US9759447B1 (en) * | 2016-03-14 | 2017-09-12 | Acoustic Metameterials, Inc. | Acoustic metamaterial noise control method and apparatus for ducted systems |
| US10573291B2 (en) * | 2016-12-09 | 2020-02-25 | The Research Foundation For The State University Of New York | Acoustic metamaterial |
| CN106782477A (zh) * | 2016-12-16 | 2017-05-31 | 江苏大学 | 一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料 |
| CN108447467B (zh) * | 2018-03-30 | 2022-04-12 | 北京速阔智能科技有限公司 | 一种主动声学超材料结构单元及其控制装置 |
-
2018
- 2018-11-27 CN CN201811425527.3A patent/CN109671420B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109671420A (zh) | 2019-04-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109671420B (zh) | 一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料 | |
| CN1627864B (zh) | 声振动发生元件 | |
| EP1615466B1 (en) | Acoustic diaphragm | |
| CN107195292B (zh) | 一种宽低频吸声的超薄吸声结构 | |
| ATE254382T1 (de) | Lautsprecherantriebeinheit mit einem resonanten plattenförmigen element | |
| CN1270488A (zh) | 扬声器 | |
| CN204498361U (zh) | 音圈及设有该音圈的扬声器 | |
| CN104681021A (zh) | 一种磁场可调控低频隔声结构及隔声材料 | |
| CN110491360A (zh) | 一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料 | |
| CN1219834A (zh) | 扬声器 | |
| TW564655B (en) | Flat panel sound radiator with enhanced audio performance | |
| CZ20031501A3 (cs) | Reproduktor | |
| CN110277485A (zh) | 复合材料叠层弯曲振动元件及其制备方法 | |
| CN204498369U (zh) | 音圈及设有该音圈的扬声器 | |
| CN105187983B (zh) | 一种弯曲圆柱换能器及其实现方法 | |
| CN202210328U (zh) | 双面压电陶瓷报警器 | |
| KR101445654B1 (ko) | 압전 스피커 | |
| CN203504745U (zh) | 一种阶梯型音圈及使用该音圈的发声器 | |
| CN115425391A (zh) | 一种陶瓷压电水下探测和5g手机天线 | |
| CN104702152A (zh) | 基于声学超材料的低频和宽频噪声发电装置 | |
| US11463804B2 (en) | Panel loudspeakers constructed of panels with viscoelastic damping material | |
| CN108810758A (zh) | 一种薄膜式声波换能器 | |
| CN204377110U (zh) | 一种耳机用压电扬声器 | |
| CN209250879U (zh) | 动圈静电复合电声换能器 | |
| KR101981870B1 (ko) | 다중 가닥의 독립 입출식 보이스코일 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |