CN110097869B - 宽频声学超材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽频声学超材料，其包括具有多个镂空部位的格栅板；弹性薄膜，其张紧固定于所述格栅板，且第一表面与所述格栅板贴合；多个质量块，固定于所述弹性薄膜的第二表面，每个所述质量块与所述格栅板的一个镂空部位相对；且每个所述质量块的周围围绕有多个所述刚度控制块，每个所述刚度控制块固定于所述弹性薄膜的第二表面。本发明解决了现有声学超材料有效隔声带较窄的问题，提升了其隔声降噪效果。

Description

宽频声学超材料

技术领域

本发明涉及声学超材料技术领域，特别涉及一种宽频声学超材料。

背景技术

声学超材料作为一种新型隔声材料，其隔声基于局域共振原理，即当设计频段的声波入射到声学超材料上时，会激励声学超材料发生形变，产生局域共振。声学超材料一半左右的部分产生于声波相同方向的振动变形，另一半产生与声波相反方向的振动变形，因此透过声学超材料的远场声波产生的正负叠加而干涉抵消的现象，实现了隔声效果。声学超材料突破了传统隔声材料低频隔声受质量定理的限制，利用小尺寸低密度的声学超材料可以实现较高的低频隔声，低频隔声峰值处的隔声量比相同面密度的传统声学材料高30dB以上。

声学超材料虽然在其隔声峰值频率附近有非常好的隔声性能，但其15dB以上的有效隔声带宽一般小于200Hz。而实际的噪声源，例如制冷装置的压缩机噪声、风机噪声等，其主要噪声分布100Hz-1500Hz在一个较高的频率范围内。因此，如何增大声学超材料的隔声频带的宽度，使其于应用在制冷装置领域，成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是要提供一种宽频声学超材料，以解决现有声学超材料有效隔声带宽较窄的问题，提升其隔声降噪效果。

为此，本发明提供了一种宽频声学超材料，其包括：

具有多个镂空部位的格栅板；

弹性薄膜，其张紧固定于所述格栅板，且第一表面与所述格栅板贴合；

多个质量块，固定于所述弹性薄膜的第二表面，每个所述质量块与所述格栅板的一个镂空部位相对；且

每个所述质量块的周围围绕有多个所述刚度控制块，每个所述刚度控制块固定于所述弹性薄膜的第二表面。

可选地，每个所述质量块为轴线垂直于所述弹性薄膜表面的圆柱状。

可选地，每个所述质量块周围围绕有4个所述刚度控制块。

可选地，每个所述刚度控制块为长方体状。

可选地，每个所述刚度控制块的长度方向沿所述质量块的径向方向延伸，形状均相同且在所述质量块的周围均布。

可选地，每个所述刚度控制块的长度方向垂直于所述质量块的径向方向延伸，形状均相同且在所述质量块的周围均布。

可选地，所述格栅板由多个横格栅条和多个竖格栅条构成，每相邻两个所述格栅条的间距相等，每相邻两个所述竖格栅条的间距相等，以形成多个形状相同的矩形镂空部位；每个所述质量块与一个所述矩形镂空部位的中央位置相对。

可选地，所述格栅板由硬质塑料或硬质复合材料制成。

可选地，所述弹性薄膜由硅橡胶材料制成。

可选地，所述弹性薄膜上设置有多个安装孔，每个所述质量块嵌固于一个所述安装孔内。

本发明基于声学超材料的隔声机理，通过在质量块的周围设置刚度控制块，能够优化声学超材料的关键模态，从而可明显增大声学超材料的有效隔声带宽。相比于现有技术采用增大质量块质量的方式，本发明的方法不会增加太多成本，材料的可靠性也不会降低。

本发明通过增大声学超材料的有效隔声频带的宽度，能够使其更加适用于阻隔制冷装置中分布在100Hz～1500Hz的压缩机和风机噪声，扩展了其应用范围。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是现有声学超材料的局部平面示意图；

图2是图1所示声学超材料隔声量曲线图；

图3示意了图1所示声学超材料的一阶整体模态振型及其第一隔声低谷对应频率；

图4示意了图1所示声学超材料的一阶整体模态振型及其第二隔声低谷对应频率；

图5是本发明一个实施例的声学超材料的局部平面示意图；

图6是图5所示声学超材料的分解示意图；

图7示意了图5所示声学超材料的一阶整体模态振型及其第一隔声低谷对应频率；

图8示意了图5所示声学超材料的一阶整体模态振型及其第二隔声低谷对应频率；

图9是本发明另一实施例的声学超材料的局部平面示意图。

具体实施方式

图1是现有声学超材料的局部平面示意图，图2是图1所示声学超材料隔声量曲线图。

图1示意的仅是声学超材料的一个局部，实际的材料可以此为基础向四方延续。现有的声学超材料基本包括三个部分，即格栅板100、弹性薄膜200以及质量块300。图1中，格栅板100位于弹性薄膜200的后方，用于将弹性薄膜200张紧，因此在图中以虚线表示。格栅板100由多个横格栅条和多个竖格栅条构成，以形成多个小方格单元，称为隔声单元10。

图2是图1所示声学超材料隔声量曲线图。图3示意了图1所示声学超材料的一阶整体模态振型及其第一隔声低谷对应频率；图4示意了图1所示声学超材料的一阶整体模态振型及其第二隔声低谷对应频率。

图2所示的曲线中，声学超材料的第一隔声低谷对应的频率为f1，对应着声学超材料的第一阶整体模态，如图3所示。声学超材料的第二隔声低谷对应的频率为f2，f2对应着声学超材料弹性薄膜自身的第一阶整体模态，如图4所示。f1与f2之间的频率定义为声学超材料的有效隔声频带。

为增大有效隔声频带，可使f1向更低频率移动，也可以让f2向更高频移动。频率f1与弹性薄膜200的等效刚度k及质量块300的等效质量m相关，如下述公式所示：

发明人认为，可以采取增大质量块300的等效质量或者减小弹性薄膜100的等效刚度k的方式让f1往低频率移动。但是，增大质量块的等效质量会使得声学超材料的成本增加、可靠性降低，而减小弹性薄膜的等效刚度会使得其自身第一阶整体模态对应的频率f2也往低频移动。但是，因第一隔声低谷对应的频率为f1本身已比较低，再往低频移动的空间比较小，对有效隔声带宽的影响也有限。

因此，本发明实施例为增大声学超材料有效隔声带宽，而采取的方式是在保证f1基本不变的同时，尽可能的使得f2往高频移动。

图5是本发明一个实施例的声学超材料的局部平面示意图，图6是图5所示声学超材料的分解示意图。

如图5和图6所示，本发明实施例的声学超材料包括具有多个镂空部位的格栅板100、弹性薄膜200、多个质量块300以及多个刚度控制块400。

其中，格栅板100用于支撑弹性薄膜200，由多个横格栅条101和多个竖格栅条102构成，以形成前述的多个镂空部位。格栅板100可由硬质塑料、硬质复合材料或金属材料制成，只需具有足够刚度和强度，能够张紧弹性薄膜200即可。弹性薄膜200张紧固定于格栅板100，且第一表面与格栅板100贴合(如粘贴)，弹性薄膜200可由硅橡胶材料制成。多个质量块300固定于弹性薄膜200的第二表面，且每个质量块300与格栅板100的一个镂空部位相对，质量块300的密度应相对较大，以使其占据较小的面积且具有较大重量，提升隔声效果。例如，质量块300可由钢铁、铜等金属材料制成。

如图6所示，可使弹性薄膜200上设置有多个安装孔250，使每个质量块300嵌固在安装孔250内。例如，使圆柱形的质量块300通过螺纹连接的方式安固定于安装孔250。

在一些替代性的实施例中，还可不设置安装孔，将质量块以粘接的方式固定于弹性薄膜200。当然，还有其他多种方式可将质量块300固定于弹性薄膜200，在此不再一一举例。

每个质量块300的周围围绕有多个前述的刚度控制块400，每个刚度控制块400固定于弹性薄膜200的第二表面。如图5和图6所示，为便于制作，每个质量块300可为轴线垂直于弹性薄膜200表面的圆柱状。当然，质量块300也可设置为其他形状。

根据图4所示的声学超材料一阶整体模态特征，弹性薄膜200自身的第一阶整体模态中，每个质量块300周围具有4个模态峰值，从质量块300径向向外振动水平变化梯度最大。因此，优选使每个质量块300周围围绕有4个刚度控制块400，且将其设置在模态峰值区域处，以达到增大该共振区域等效刚度，进而提高该模态对应模态频率f2的目的。经发明人实验发现，刚度控制块400最好由低密度、高刚度材料(如非金属复合材质)制成，以提升其增大共振区域等效刚度的效果。

每个刚度控制块400可为长方体状。可进一步如图5所示，使每个刚度控制块400的长度方向沿质量块300的径向方向延伸，形状均相同且在质量块300的周围均布。具体地，还可进一步使每相邻两个横格栅条101的间距相同，使每相邻两个竖格栅条102的间距相同，以形成多个形状相同的矩形镂空部位，每个质量块300与一个矩形镂空部位的中央位置相对，以提升其隔声效果。

本发明一些实施例中，如图5，质量块300的半径的取值范围可为3mm≤R≤4mm，厚度范围可为2mm-3mm。格栅板的每个矩形镂空部位可为正方形，其边长的取值范围可为22mm≤L1≤24mm。刚度控制块400的长度的取值范围可为7mm≤L2≤8mm，宽度的取值范围可为1mm≤B≤1.5mm，质量块300中心距刚度控制块400最近边的距离的取值范围可为4mm≤C≤4.5mm。弹性薄膜200厚度范围可为0.5-1mm，

在一个具体实施例中，使R＝3.3mm。质量块300厚度为5.8mm，L1＝23mm，L2＝7.7mm，B＝1.2mm，C＝4.2mm，弹性薄膜200厚度＝0.8mm。对其进行计算分析，结果如图7和图8所示。

图7示意了图5所示声学超材料的一阶整体模态振型及其第一隔声低谷对应频率，图8示意了图5所示声学超材料的一阶整体模态振型及其第二隔声低谷对应频率。

将图7与图3进行比较可知，f1从改进前的86.776Hz(参考图3)升高到改进后的97.853Hz(参考图7)，仅升高11.077Hz。

将图8与图4进行对比计算，f2从改进前的751.39Hz(参考图4)升高到改进后的1023.3Hz(参考图8)，大幅度升高了271.91Hz.。

改进前，有效隔声频带为751.39-86.776＝664.614Hz；

改进后，有效隔声频带为1023.3-97.853＝925.447Hz，相比改进前扩大了39.2％。

由上可见，基于声学超材料的隔声机理，本发明实施例通过在质量块300的周围设置刚度控制块400，能够优化声学超材料的关键模态，从而可明显增大声学超材料的有效隔声带宽。相比于现有技术采用增大质量块300质量的方式，本发明的方法不会增加太多成本，材料的可靠性也不会降低。

本发明并不对刚度控制块400的具体形状和位置进行严格限定。图9是本发明另一实施例的声学超材料的局部平面示意图。图9与图5相比，改变了刚度控制块400的布置状态，使刚度控制块400的长度方向垂直于质量块300的径向方向延伸，形状均相同且在质量块300的周围均布。图9的实施例也能取得类似图5实施例的增大有效隔声带宽的效果，具体实验数据在此不再赘述。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (6)

1.一种宽频声学超材料，包括：

具有多个镂空部位的格栅板；

弹性薄膜，其张紧固定于所述格栅板，且其第一表面与所述格栅板贴合；

多个质量块，固定于所述弹性薄膜的第二表面，每个所述质量块与所述格栅板的一个镂空部位相对；且

每个所述质量块的周围围绕有多个刚度控制块，每个所述刚度控制块固定于所述弹性薄膜的第二表面；

每个所述刚度控制块为长方体状，每个所述刚度控制块形状均相同且在所述质量块的周围均布；

每个所述刚度控制块的长度方向沿所述质量块的径向方向延伸；

所述格栅板由多个横格栅条和多个竖格栅条构成，每相邻两个所述格栅条的间距相等，每相邻两个所述竖格栅条的间距相等，以形成多个形状相同的矩形镂空部位；

每个所述质量块与一个所述矩形镂空部位的中央位置相对。

2.根据权利要求1所述的宽频声学超材料，其中

每个所述质量块为轴线垂直于所述弹性薄膜表面的圆柱状。

3.根据权利要求2所述的宽频声学超材料，其中

每个所述质量块周围围绕有4个所述刚度控制块。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的宽频声学超材料，其中

所述格栅板由硬质塑料或硬质复合材料制成。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的宽频声学超材料，其中

所述弹性薄膜由硅橡胶材料制成。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的宽频声学超材料，其中

所述弹性薄膜上设置有多个安装孔，每个所述质量块嵌固于一个所述安装孔内。

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