CN110473512A - 低声速超材料层及由其制成的中低频高效吸声的超材料复合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中低频高效吸声的超材料复合结构，包括由外向内顺次连续排布的多孔性吸声材料层、低声速超材料层和硬反射材料，低声速超材料层由厚度相同的超材料片叠加而成；超材料片是一种在声场中可以视为均匀流体的片状材料，其延展方向与多孔性吸声材料内表面平行，法向声速小于空气声速，超材料片由一定厚度的空气和嵌入其中的穿孔薄板共同组成，超材料片的法向声速与穿孔薄板厚度、小孔面积等参数相关。该复合结构以较小的空腔尺寸实现了中低频吸声系数的明显提高，能够大大降低铁路、工厂、建筑室内的中低频噪声。
Description
技术领域
本发明涉及吸声结构，特别是涉及一种低声速超材料层及由其制成的中低频高效吸声的超材料复合结构。
背景技术
低频吸声控制是噪声控制领域的普遍难题之一。工程中广泛使用的多孔性吸声材料对中高频声波的吸收效果好，但是对低频声波吸收效果差。为了弥补多孔性吸声材料的低频缺陷，最常用的方法是在多孔性吸声材料与刚性反射壁(板)之间增加一道空腔。当空腔深度约为声波波长1/4的奇数倍时，入射声波与反射声波在吸声材料处形成干涉效应，对应频率下的吸声系数有明显提升。由于空气中的声波波长等于声速除以频率，声速一定时，吸声峰值频率越低，对应的1/4波长越长，所需的空腔越深。然而，在铁路、建筑、航空等领域的噪声控制工程中，吸声结构的尺寸不能过大，否则结构的技术复杂性和经济成本极大提高，因此多孔性材料加空腔的方式很多情况下并不可行。
为吸收低频噪声，人们提出微穿孔吸声结构，利用开有小孔、窄缝的薄板与背后空腔形成特定频率的声学共振，使小孔或窄缝内的空气质点与结构壁发生强烈摩擦，消耗声能量，形成窄带吸声峰值。小孔的半径需小于0.4mm，才能产生较好的吸声效果，因此其加工成本明显高于孔径较大的普通穿孔板。为了形成宽频的吸声效果，需将多层微穿孔板与空气层交替排列，导致结构整体厚度过大，工程应用受到很大制约。
声超材料是指一类具有超常声学性能的新兴人工复合结构或材料。一种典型的声超材料由常见的硬质固体材料和自然环境中的普通流体(如空气、水)构成，通过对固体材料细微结构的加工与多种材料的排列组合，在宏观上体现出原材料所不具备的特殊属性，比如负密度、负模量、各向异性、低声速等，同时保留原流体材料均匀、无剪切形变等一般属性。超材料的本质是一种等效材料，即天然材料组合后的整体物理性能与某种非天然的、虚构的材料物理性能等效。超材料的新奇声学性能与传统声学性能有时分属于不同频率，比如某种铜片和水组成的声超材料，在不发生共振的较低频率范围内，呈现出正交方向的不同声速和密度，而在共振频率处，呈现出负的折射率。声超材料的属性在一定频率范围内的可控性，为人类操控声波提供了更丰富的技术手段。声超材料与传统吸声材料的适当组合，有望超越吸声材料自身的性能极限，产生更高的吸声效率。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的一个目的是提供一种低声速超材料层。
本发明的另一目的是提供一种结构整体厚度较小、中低频吸声效率较高的超材料复合吸声结构。
为此，本发明的技术方案如下：
一种低声速超材料层，包括至少一个超材料片，所述超材料片为由厚度为H的空气层和嵌入其中间且厚度为h的穿孔薄板组成的片状等效流体材料，所述穿孔薄板由金属或硬质非金属材料制成，穿孔薄板的延展方向与超材料片的延展方向一致，穿孔薄板的表面与超材料片的表面平行；
其中，0.01H≤h≤0.2H，且h≥0.5mm；穿孔薄板的空间压缩率为ζ，ζ＝H/(H-h)；穿孔薄板上的小孔的形状为圆形、矩形或任意便于加工的形状；单个小孔的面积为S，所述小孔按正方格均匀排列；相邻小孔的中心距为D，D≤H，穿孔率为σ，σ＝S/D2，且
所述超材料片的法向声速C(f)与所述H、h、ζ、S、D的关系符合以下公式组合：
当所述超材料片为多个时，多个所述超材料片的大小和厚度相同且在厚度方向叠加而成，且多个所述超材料片的法向声速一致，多个所述超材料片的穿孔薄板的外缘通过固定架固定连。
所述超材料片按照如下步骤进行设计：
S1、设定所需的超材料片的法向声速Cpre；
S2、选定所述H<2.3×104/f0，单位mm，f0为超材料片调控的最大频率，优先考虑将H取为满足要求的较大数值；
S3、设定穿孔板的厚度h、小孔中心距D、穿孔面积S的初始值；
S5、将f、H、h、D、S代入所述公式组合，求解C的值；
S6、当C>Cpre时，减小S或增大D或增大h，C<Cpre时，增大S或减小D或减小h，并重新回到第S4步，反复尝试，直至找到满足C＝Cpre的S、h、D。
其中，所述C(f)小于空气中的声速并大于空气中声速的1/5。
优选的是，5mm≤H≤100mm。所述超材料片的个数为1-5个。
一种中低频高效吸声的超材料复合结构，包括由外向内顺次连接的多孔性吸声材料层、权利要求1-5中任一项所述的低声速超材料层和硬反射材料，所述低声速超材料层中的各穿孔薄板经所述固定支架与所述多孔性吸声材料层和硬反射材料固定连接。
在本发明的一个实施例中，所述多孔性吸声材料层由流阻率20000Pa·s/m2的聚氨脂吸声材料制成，厚度为20mm；所述低声速超材料层由1层超材料片组成；超材料片的厚度为20mm，包含厚度为1mm的穿孔薄板，所述穿孔薄板由硬树脂制成，穿孔间距为20mm，穿孔半径1mm；硬反射材料为平整的混凝土墙。
在本发明的另一实施例中，所述多孔性吸声材料层的流阻率为40000Pa·s/m2，厚度为10mm，所述低声速超材料层由5层超材料片组成，超材料片的厚度为20mm，超材料片的穿孔薄板由铝合金制成，穿孔薄板厚度为1mm，穿孔半径为2.5mm，穿孔间距为20mm，超材料片的法向声速为160m/s。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明的中低频高效吸声的超材料复合结构由多个超材料片叠加而成的低声速超材料层与表层多孔性吸声材料集成形成复合吸声效应，大幅提高了低频吸声系数，与现有的多孔性材料空腔式复合吸声结构相比，该结构拥有更优的中低频吸声效果以及更小的整体厚度，为噪声控制工程提供了高效、经济的解决方案。该复合结构明显提高了中低频吸声系数，能够大大降低铁路、工厂、建筑室内的中低频噪声。
附图说明
图1为本发明的中低频高效吸声的超材料复合结构的剖面结构示意图；
图2为图1中单层超材料片的局部剖面结构示意图；
图3为图1中超材料片正面的局部结构示意图(小孔形状为圆形)；
图4为本发明的实施例二的吸声性能曲线；
图5为本发明的实施例三的吸声性能曲线。
图中：
1、多孔性吸声材料层 2、低声速超材料层(图中虚线为超材料片的边界)
3、硬反射材料 4、超材料片(图中虚线为超材料片的边界)
5、空气 6、穿孔薄板 7、小孔
具体实施方式
本发明中提到的术语定义/解释如下：
(1)等效流体材料：指一种特殊的人工复合材料，它是天然流体与硬质固体材料的组合，在特定频率范围内体现出与原流体材料不同的物理属性，如密度、体积模量、声速等参数放大、减小、各向异性或呈现负数值，同时具备流体无剪切形变的基本特征。
2、中低频：不同领域有各自的高中低频划分方式，本发明的中低频指20-1000Hz。工程领域中低频噪声的治理难度相对较大。
3、流阻率：是多孔吸声材料最重要的参数，指单位厚度材料两边空气气压差和空气流速之比，流阻率的大小与多孔材料的吸声能力直接相关。
4、低声速：即小于空气中的声速。
下面结合附图对本发明的中低频高效吸声的超材料复合结构进行详细说明。
参见图1-3，本发明的中低频高效吸声的超材料复合结构包括由外向内顺次连续排布的多孔性吸声材料层、低声速超材料层和硬反射材料。所述多孔性吸声材料层的表面接收声波。
所述低声速超材料层由厚度相同的多个超材料片叠加而成。
所述超材料片是一种在声场中可以视为均匀分布的片状等效流体材料，超材料片的延展方向与所述多孔性吸声材料的内表面平行。
在本发明中，设超材料片的总数量为N，N为正整数，C0为空气中的声速，单层超材料片的厚度为H，则5mm≤H≤100mm；所述超材料片在频率f时的法向声速为C(f)，C(f)小于空气中的声速，所使用的N层超材料片的法向声速一致；所述低声速超材料层不吸声、不共振，通过缩短声波干涉所需的传播距离，促使更低频声波在多孔性吸声材料位置发生干涉效应，在较低频率制造吸声峰值，该吸声峰值频率低于同等厚度的空气层对应的吸声峰值频率，更适合中低频吸声。
所述超材料片是由厚度为H的空气层和嵌入其中的穿孔薄板组成的等效材料，空气层的外边界与单层超材料片的边界一致；所述穿孔薄板由金属或非金属硬质材料制成，穿孔薄板延展方向与超材料片的延展方向一致，穿孔薄板表面与超材料片平行，厚度为h，取值范围0.01H≤h≤0.2H，且出于结构稳定性考虑，h不应小于0.5mm，空间压缩率为ζ，用于代表超材料片整体体积和其中空气体积的近似相对关系，ζ＝H/(H-h)；穿孔薄板的小孔形状为圆形、矩形或任意便于加工的形状，面积为S，小孔按正方格均匀排列，相邻小孔的中心距为D，D≤H，穿孔率为σ，σ＝S/D2；为避免超材料片自身发生低频共振，应保证所述超材料片的法向声速C(f)可调，所述穿孔薄板的穿孔率越小，超材料片的法向声速C(f)越小，最低时仅为空气中声速的1/5；所述穿孔薄板、空气及硬反射材料组合结构，其声学共振频率远离所述中低频高效吸声的超材料复合结构的吸声峰值频率，在超材料片的声速调控频率范围内不发生共振吸声效应；
所述超材料片的法向声速C(f)与超材料片厚度H、穿孔板厚度h、空间压缩率ζ、穿孔面积S、相邻小孔的中心距D的关系符合以下公式组合：
所述超材料片可以按照如下流程进行设计：
S1、设定所需的超材料片法向声速Cpre，
S2、选定超材料片厚度H，H<2.3×104/f0，单位mm，f0为超材料片调控的最大频率，宜优先考虑将H取为满足要求的较大数值，
S3、设定穿孔板的厚度h、小孔中心距D、穿孔面积S的初始值，
S5、将f、H、h、D、S代入所述权利要求2的公式组合，求解C的值，
S6、当C>Cpre时，减小S或增大D或增大h，C<Cpre时，增大S或减小D或减小h，并重新回到第S4步，反复尝试，直至找到满足C＝Cpre的S、h、D。
实施例一
一种超材料片，厚度为20mm，包括设置在其中间、厚度为1mm的穿孔薄板，穿孔薄板由硬树脂制成。穿孔薄板上相邻穿孔的间距为20mm，穿孔半径为1mm，最大有效调控频率为1150Hz。代入上述公式组合，得到超材料片在20～1150Hz范围内的法向声速为78～89m/s，其中在200Hz时的法向声速为88.8m/s，在500Hz时的法向声速为87.4m/s，在1000Hz时的法向声速为81.2m/s。
实施例二
一种中低频高效吸声的超材料复合结构，其多孔性吸声材料层由流阻率20000Pa·s/m2的某种聚氨脂类吸声材料制成，厚度为20mm；低声速超材料层由1层超材料片组成；超材料片的厚度为20mm，包含厚度1mm的穿孔薄板，穿孔薄板由硬树脂制成，穿孔间距为20mm，穿孔半径1mm；硬反射材料为平整的混凝土墙。
图4为实施例二的效果吸声曲线。经计算可知，在100～2000Hz范围内，超材料片的法向声速为60～89m/s。图4表明，当多孔性吸声材料与硬反射材料之间为空气空腔时，由于空腔过浅，2000Hz以下不能形成声干涉，无吸声峰；而实施例二的中低频高效吸声的超材料复合结构在1000Hz左右的中频形成吸声峰值，改变了多孔性吸声材料自身没有吸声峰值的情况，显著提高了中低频吸声效果。
实施例三
一种中低频高效吸声的超材料复合结构，其多孔性吸声材料层由某种流阻率为40000Pa·s/m2的多孔性吸声材料制成，厚度为10mm，多孔性吸声材料层与硬反射材料之间存在100mm的空气空腔，吸声峰值在800Hz附近，需要在不增加空腔深度、不增加吸声材料用量的前提下，将吸声峰值移至400Hz。经过设计，利用中低频高效吸声的超材料复合结构替代原方案，低声速超材料层由5层超材料片组成，超材料片的厚度为20mm，超材料片的穿孔薄板由铝合金制成，穿孔薄板厚度为1mm，穿孔半径为2.5mm，穿孔间距为20mm，超材料片的法向声速应为160m/s左右，构成超材料片的穿孔薄板穿孔半径2.5mm。
图5为实施例三的效果吸声曲线。图5表明，当多孔性吸声材料与硬反射材料之间为空气空腔时，仅在800Hz有一个吸声峰值，低频吸声效果差；而本发明的中低频高效吸声的超材料复合结构使吸声峰值向低频方向大幅移动，使第1个吸收峰值频率下降至400Hz，在没有增加结构总体尺寸的情况下，使300～500Hz的低频吸声性能提高了20％以上。
所述穿孔薄板、空气及硬反射材料组合结构，其声学共振频率远离所述中低频高效吸声的超材料复合结构的吸声峰值频率，在超材料片的声速调控频率范围内不发生共振吸声效应。
Claims (8)
1.一种低声速超材料层，其特征在于：包括至少一个超材料片，所述超材料片(4)为由厚度为H的空气层和嵌入其中间且厚度为h的穿孔薄板组成的片状等效流体材料，所述穿孔薄板由金属或硬质非金属材料制成，穿孔薄板的延展方向与超材料片的延展方向一致，穿孔薄板的表面与超材料片的表面平行；
其中，0.01H≤h≤0.2H，且h≥0.5mm；穿孔薄板的空间压缩率为ζ，ζ＝H/(H-h)；穿孔薄板上的小孔的形状为圆形、矩形或任意便于加工的形状；单个小孔的面积为S，所述小孔按正方格均匀排列；相邻小孔的中心距为D，D≤H，穿孔率为σ，σ＝S/D2，且
所述超材料片的法向声速C(f)与所述H、h、ζ、S、D的关系符合以下公式组合：
当所述超材料片为多个时，多个所述超材料片的大小和厚度相同且在厚度方向叠加而成，且多个所述超材料片的法向声速一致，多个所述超材料片的穿孔薄板的外缘通过固定架固定连。
2.根据权利要求1所述的低声速超材料层，其特征在于，所述超材料片按照如下步骤进行设计：
S1、设定所需的超材料片的法向声速Cpre；
S2、选定所述H<2.3×104/f0，单位mm，f0为超材料片调控的最大频率，优先考虑将H取为满足要求的较大数值；
S3、设定穿孔板的厚度h、小孔中心距D、穿孔面积S的初始值；
S5、将f、H、h、D、S代入所述公式组合，求解C的值；
S6、当C>Cpre时，减小S或增大D或增大h，C<Cpre时，增大S或减小D或减小h，并重新回到第S4步，反复尝试，直至找到满足C＝Cpre的S、h、D。
3.根据权利要求2所述的低声速超材料层，其特征在于：所述C(f)小于空气中的声速并大于空气中声速的1/5。
4.根据权利要求2所述的低声速超材料层，其特征在于：5mm≤H≤100mm。
5.根据权利要求2所述的低声速超材料层，其特征在于：所述超材料片的个数为1-5个。
6.一种中低频高效吸声的超材料复合结构，其特征在于：包括由外向内顺次连接的多孔性吸声材料层(1)、权利要求1-5中任一项所述的低声速超材料层(2)和硬反射材料(3)，所述低声速超材料层(2)中的各穿孔薄板经所述固定支架与所述多孔性吸声材料层(1)和硬反射材料(3)固定连接。
7.根据权利要求6所述的超材料复合结构，其特征在于：所述多孔性吸声材料层由流阻率20000Pa·s/m2的聚氨脂吸声材料制成，厚度为20mm；所述低声速超材料层由1层超材料片组成；超材料片的厚度为20mm，包含厚度为1mm的穿孔薄板，所述穿孔薄板由硬树脂制成，穿孔间距为20mm，穿孔半径1mm；硬反射材料为平整的混凝土墙。
8.根据权利要求6所述的超材料复合结构，其特征在于：所述多孔性吸声材料层的流阻率为40000Pa·s/m2，厚度为10mm，所述低声速超材料层由5层超材料片组成，超材料片的厚度为20mm，超材料片的穿孔薄板由铝合金制成，穿孔薄板厚度为1mm，穿孔半径为2.5mm，穿孔间距为20mm，超材料片的法向声速为160m/s。
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