CN110491360A - 一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低频噪声控制的声学超材料技术领域，具体为一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料。通过设计将环状质量块和圆形质量块粘贴于圆形磁流变薄膜上，形成环状质量块、圆形质量块在磁流变薄膜上相互间隔的结构形式，并在其外部加上径向磁场或者轴向磁场，可以定量改变外加径向磁场或者轴向磁场的输入电流的大小，改变磁流变薄膜的受力，变化环状多振子主动声学超材料的固有频率，从而使隔声峰值定向移动，实现环状多振子主动声学超材料的非接触式主动控制。除此之外，可以变化磁流变薄膜径向宽度与环状质量块径向宽度的比例，可以实现超材料隔声峰值的移动，并拓宽隔声带隙。最终实现对低频噪声的较宽隔声带隙的有效控制。

Description

一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料
技术领域
本发明涉及低频噪声控制的声学超材料技术领域，具体为一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料。
背景技术
在现代社会生活中,低频范围内的噪声不仅存在于工业、航空和交通等各个领域中,并给其领域中的仪器、设备等造成了严重的安全隐患,而且严重影响了人们的日常工作生活。低频噪声由于波长长、传播距离远、不易衰弱等特点,对其有效的控制一直是噪声控制领域有挑战性的难题。一般来说，传统材料的低频隔声量遵循质量定律，所以在现有的低频噪声控制方法中,通常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来降噪,这些方法制备困难、价格较高。
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,研究者们提出了一些声学超材料结构模型,为低频噪声控制提供了有利新颖的方法。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，可以通过调整薄膜在腔内的位置，来改变隔声峰值所对应的频率，实现声学超材料隔声性能的半主动控制。2018年，闻轶凡等人发明了一种磁流变薄膜中心附加质量块结构形式的声学超材料，可以调节外附加径向磁场加载装置输入电流，来变化径向磁场对磁流变薄膜的作用力，以实现对隔声峰值所对应频率的有效控制。(专利申请号为201811083083.X)
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，得到了广泛的关注。薄膜型声学超材料弥补了传统的线性隔声材料应对低频噪声问题上的缺陷，表现出了良好的低频降噪性能。基于结构局域共振原理的薄膜型声学超材料，以及成为超材料在低频噪声领域应用的主要发展趋势。
发明内容
本发明提供了一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料，通过设计将环状质量块和圆形质量块粘贴于圆形磁流变薄膜上，形成环状质量块、圆形质量块在磁流变薄膜上相互间隔的结构形式，并在其外部加上径向磁场或者轴向磁场，可以定量改变外加径向磁场或者轴向磁场的输入电流的大小，改变磁流变薄膜的受力，变化环状多振子主动声学超材料的固有频率，从而使隔声峰值定向移动，实现环状多振子主动声学超材料的非接触式主动控制。除此之外，可以变化磁流变薄膜径向宽度与环状质量块径向宽度的比例，可以实现超材料隔声峰值的移动，并拓宽隔声带隙。最终实现对低频噪声的较宽隔声带隙的有效控制。
本发明的技术方案是：一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料，结构单元由上环形铝制框架、下环形铝制框架、环状质量块、圆形质量块、磁流变薄膜、锁紧螺栓和磁场加载装置组成。
上述方案中，先平放下环形铝制框架，再将磁流变薄膜自然平放置在下环形铝制框架的上表面，再将上环形铝制框架对准下环形铝制框架及螺栓孔，放置在磁流变薄膜上，拉拽磁流变薄膜四周使其表面张紧，同时用锁紧螺栓将上环形铝制框架和下环形铝制框架固定，从而固定磁流变薄膜，接着用美工刀将磁流变薄膜沿着上环形铝制框架外边缘裁断，再将圆形质量块一侧用胶水粘贴在固定好的磁流变薄膜中心，接下来同样将环状质量块一侧用胶水粘贴在磁流变薄膜上，使得圆形质量块与环形质量块在磁流变薄膜上形成相互间隔的结构形式，然后将上环形铝制框架和下环形铝制框架外侧缠上一层隔声胶带，再在隔声胶带外侧涂上一层凡士林，用于润滑以及防止漏声。径向磁场加载装置和轴向磁场加载装置位于阻抗管外侧，通过改变外加电流可改变磁场加载装置产生的磁场强度，进而改变磁流变薄膜所受的磁力大小。
上述方案中，轴向磁场加载装置产生的磁场垂直作用于固定好的磁流变薄膜上；径向磁场加载装置产生的磁场作用于固定好的磁流变薄膜半径方向。
进一步的，所述磁流变薄膜半径为50mm，厚度为0.2mm-1mm，铁磁颗粒体积分数为10％～30％。
上述方案中，所述上环形铝制框架和下环形铝制框架是由铝材料制成，或者由其它弱磁性材料制成。
进一步的，所述的上环形铝制框架和下环形铝制框架外半径为50mm，内半径为37mm，单片厚度为5mm。所述的上环形铝制框架和下环形铝制框架在表面每间隔60°均匀分布有6个直径为6mm的锁紧螺栓孔。
上述方案中，所述圆形质量块和环状质量块由铅或者钢材料制成。
进一步的，所述的圆形质量块半径为13mm-30mm，厚度为2mm；环状质量块厚度为2mm，外半径为28mm-34mm，内半径为19mm-33mm。
上述方案中，所述的磁流变薄膜固定在上环形铝制框架和下环形铝制框架之间，并用6颗锁紧螺栓对称夹紧固定。
上述方案中，磁场加载装置分为径向磁场加载装置和轴向磁场加载装置两种。所述径向磁场加载装置是由漆包铜线绕制在铁芯上制成，总共4个小结构单元，每间隔90°均匀分布在径向磁场加载装置的环型铝制框架上；轴向磁场加载装置的套筒由铝材料制成，或者由其它弱磁性材料制成，由漆包铜线直接绕制在铝制套筒上制成；两种磁场加载装置输入电流强度均为0-15A。
进一步的，轴向磁场加载装置的铝制套筒内半径为50mm，外半径为60mm，长度为60mm。
上述方案中，由上环形铝制框架和下环形铝制框架固定下的磁流变薄膜置于轴向磁场加载装置的铝制套筒内；径向磁场加载装置则直接加在阻抗管外侧，对应环状多振子主动声学超材料的位置。
上述方案中，输入电流之后，轴向磁场加载装置内部产生磁场方向与环状多振子主动声学超材料的半径方向相垂直。输入电流之后，径向磁场加载装置产生磁场方向与环状多振子主动声学超材料的半径方向相同。
本发明的优点有：
1、通过改变磁流变薄膜的径向宽度和环状质量块的径向宽度的不同比例尺寸，可以使整个环状多振子主动声学超材料的隔声峰值实现移动。
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、由磁流变薄膜声学超材料和磁场加载装置的组合，机械加工工艺简便，可批量生产。
3、通过电磁调节环状多振子主动声学超材料的固有频率，控制隔声峰值变化响应快。
4、环状质量块、圆形质量块与磁流变薄膜镶嵌组合成的整个环状多振子主动声学超材料结构，可以拓宽该环状多振子主动声学超材料的隔声带隙。
附图说明
图1为本发明环状多振子主动声学超材料单元示意图。
图2为本发明中上环形铝制框架和下环形铝制框架固定下的整个磁流变薄膜、圆形质量块和环状质量块的结构示意图。
图3为径向磁场加载装置所产生的径向磁场作用于环状多振子主动声学超材料的示意图。
图4为轴向磁场加载装置所产生的轴向磁场作用于环状多振子主动声学超材料的示意图。
图5为环状多振子主动声学超材料的磁流变薄膜径向宽度为6mm时，磁流变薄膜径向宽度与环状质量块的径向宽度比例不断变化的情况下，隔声特性的曲线图。
图6为环状多振子主动声学超材料的磁流变薄膜径向宽度为6mm时，磁流变薄膜径向宽度与环状质量块的径向宽度比例为0.5时，加径向磁场的情况下，环状多振子主动声学超材料的隔声性能曲线图。
图7为环状多振子主动声学超材料的磁流变薄膜径向宽度为6mm时，磁流变薄膜径向宽度与环状质量块的径向宽度比例为1时，加径向磁场的情况下，环状多振子主动声学超材料的隔声性能曲线图。
附图标记说明：1-磁流变薄膜；2-环状质量块；3-圆形质量块；4-锁紧螺栓；5-下环形铝制框架；6-上环形铝制框架；7-磁场磁感线方向；8-环状质量块径向宽度；9-磁流变薄膜径向宽度；
具体实施方式
如图2所示环状多振子主动声学超材料的结构，上环形铝制框架和下环形铝制框架的外半径为50mm，内半径为37mm，单片厚度为5mm；磁流变薄膜半径为50mm，厚度为1mm；圆形质量块半径为13mm-30mm，厚度为2mm；环状质量块厚度为2mm，外半径为28mm-34mm，内半径为19mm-33mm；轴向磁场加载装置的铝制套筒的内半径为50mm，外半径为60mm，长度为210mm。径向磁场加载装置的外部框架内半径为450mm，外半径为500mm；所述环状多振子主动声学超材料结构的材料参数为：上环形铝制框架和下环形铝制框架：铝[密度ρ＝2700kg/m3；弹性模量E＝7e10Pa；泊松比ν＝0.33]；磁流变薄膜[密度ρ＝2100kg/m3；弹性模量E＝6.3e6Pa；泊松比ν＝0.45]，铁磁颗粒含量为23.9％；圆形质量块：铅[密度ρ＝11.3g/cm3；弹性模量E＝17e10Pa；泊松比ν＝0.41]；锁紧螺栓：钢[密度ρ＝7900kg/m3；弹性模量E＝2.12e10Pa；泊松比ν＝0.31]；
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
具体实施1：
第一步：将圆形质量块和环状质量块粘贴于磁流变薄膜上，使得圆形质量块与环状质量块在磁流变薄膜上形成一环一环镶嵌的结构形式，并用上环形铝制框架、下环形铝制框架和锁紧螺栓夹紧固定。此时形成的环状多振子主动声学超材料结构中，磁流变薄膜的径向宽度与环状质量块径向宽度形成一定的比例。
第二步：在上环形铝制框架和下环形铝制框架外侧缠上一层隔声胶带，再在隔声胶带外侧涂上一层凡士林，用于润滑以及防止漏声,并置于阻抗管内。
第三步：在阻抗管外部相对于环状多振子主动声学超材料的位置加上径向磁场加载装置。
第四步：整理好漆包线，分清电流进和出的方向，接通电源，产生径向磁场并使径向磁场作用在磁流变薄膜的径向方向。
第五步：调整输入电流大小，使磁流变薄膜受不同大小径向力的作用，测试得到环状多振子主动声学超材料在不同大小磁力作用下隔声曲线的变化。
具体实施2：
第一步：将圆形质量块和环状质量块粘贴于磁流变薄膜上，使得圆形质量块与环状质量块在磁流变薄膜上形成一环一环镶嵌的结构形式，并用上环形铝制框架、下环形铝制框架和锁紧螺栓夹紧固定。此时形成的环状多振子主动声学超材料结构中，磁流变薄膜的径向宽度与环状质量块径向宽度形成一定的比例。
第二步：在上环形铝制框架和下环形铝制框架外侧缠上一层隔声胶带，再在隔声胶带外侧涂上一层凡士林，用于润滑以及防止漏声,将其置于轴向磁场加载装置套筒内。
第三步：整理好漆包线，分清电流进和出的方向，接通电源，产生轴向磁场，并使磁场作用在磁流变薄膜的轴向方向。
第四步：调整输入电流大小，使磁流变薄膜受不同大小轴向力的作用，测试得到环状多振子主动声学超材料在不同大小磁力作用下隔声曲线的变化。
具体实施3：
第一步：改变圆形质量块和环状质量块的尺寸，并将其粘贴于磁流变薄膜上，使得圆形质量块与环状质量块在磁流变薄膜上形成一环一环镶嵌的结构形式，并用上环形铝制框架、下环形铝制框架和锁紧螺栓夹紧固定。此时形成的环状多振子主动声学超材料结构中，磁流变薄膜的径向宽度与环状质量块径向宽度的比例也随之变化，可以从0.5变化到3，每间隔0.5变化。
第二步：在上环形铝制框架和下环形铝制框架外侧缠上一层隔声胶带，再在隔声胶带外侧涂上一层凡士林，用于润滑以及防止漏声,并在其外部加上径向磁场。
第三步：整理好漆包线，分清电流进和出的方向，接通电源，产生径向磁场，并使磁场作用在磁流变薄膜上。
第四步：调整输入电流大小，使磁流变薄膜受不同大小力的作用，测试得到整个超材料在不同大小磁力作用下隔声曲线的变化。
所述的一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料利用COMSOLMultiphysics5.3a有限元软件中声学模块对其进行隔声曲线计算。
如图6所示，选取厚度为1mm的磁流变薄膜，当选定磁流变薄膜径向宽度为6mm时，磁流变薄膜径向宽度和环状质量块径向宽度之比选定为0.5时，在输入电流变化改变径向磁场强度的过程中，整个环状多振子主动声学超材料结构所受径向力变化，隔声峰值频率有明显移动，移动量超过100Hz，所以所设计的环状多振子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。
如图7所示，选取厚度为1mm的磁流变薄膜，当选定磁流变薄膜径向宽度为6mm时，磁流变薄膜径向宽度和环状质量块径向宽度之比选定为1时，调整输入电流大小，改变轴向磁场强度的过程中，整个环状多振子主动声学超材料结构所受轴向力变化，隔声峰值频率有明显移动，得到结构在不同大小磁力作用下隔声曲线的变化。
选取厚度为1mm的磁流变薄膜，当选定磁流变薄膜径向宽度为6mm时，变化磁流变薄膜径向宽度和环状质量块径向宽度之比，从0.5开始变化到3，得到环状多振子主动声学超材料在不同比例尺寸下的隔声曲线的变化，如图5所示，隔声峰值所对应的频率向高频移动，从400Hz移动到550Hz，而且带隙明显拓宽。
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，应选择等效刚度相对较大的磁流变薄膜。
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领域隔声等方面，改善人们的生活环境，尤其是在低频方面，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、替换或变型均属于本发明的专利覆盖范围内。

Claims (10)

1.一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料，其特征在于，结构单元由上环形铝制框架、下环形铝制框架、环状质量块、圆形质量块、磁流变薄膜、锁紧螺栓和磁场加载装置组成；先平放下环形铝制框架，再将磁流变薄膜自然平放置在下环形铝制框架的上表面，再将上环形铝制框架对准下环形铝制框架及螺栓孔，放置在磁流变薄膜上，拉拽磁流变薄膜四周使其表面张紧，同时用锁紧螺栓将上环形铝制框架和下环形铝制框架固定，从而固定磁流变薄膜，接着将磁流变薄膜沿着上环形铝制框架外边缘裁断，再将圆形质量块一侧用胶水粘贴在固定好的磁流变薄膜中心，接下来同样将环状质量块一侧用胶水粘贴在磁流变薄膜上，使得圆形质量块与环形质量块在磁流变薄膜上形成相互间隔的结构形式，然后将上环形铝制框架和下环形铝制框架外侧缠上一层隔声胶带，再在隔声胶带外侧涂上一层凡士林，用于润滑以及防止漏声；径向磁场加载装置和轴向磁场加载装置位于阻抗管外侧，通过改变外加电流可改变磁场加载装置产生的磁场强度，进而改变磁流变薄膜所受的磁力大小。
2.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料，其特征在于，轴向磁场加载装置产生的磁场垂直作用于固定好的磁流变薄膜上；径向磁场加载装置产生的磁场作用于固定好的磁流变薄膜半径方向。
3.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料，其特征在于，所述磁流变薄膜半径为50mm，厚度为0.2mm-1mm，铁磁颗粒体积分数为10％～30％；所述的磁流变薄膜固定在上环形铝制框架和下环形铝制框架之间，并用6颗锁紧螺栓对称夹紧固定。
4.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料，其特征在于，所述上环形铝制框架和下环形铝制框架是由铝材料制成，或者由其它弱磁性材料制成；所述的上环形铝制框架和下环形铝制框架外半径为50mm，内半径为37mm，单片厚度为5mm；所述的上环形铝制框架和下环形铝制框架在表面每间隔60°均匀分布有6个直径为6mm的锁紧螺栓孔。
5.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料，其特征在于，所述圆形质量块和环状质量块由铅或者钢材料制成；所述的圆形质量块半径为13mm-30mm，厚度为2mm；环状质量块厚度为2mm，外半径为28mm-34mm，内半径为19mm-33mm。
6.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料，其特征在于，磁场加载装置分为径向磁场加载装置和轴向磁场加载装置两种；所述径向磁场加载装置是由漆包铜线绕制在铁芯上制成，总共4个小结构单元，每间隔90°均匀分布在径向磁场加载装置的环型铝制框架上；轴向磁场加载装置的套筒由铝材料制成，或者由其它弱磁性材料制成，由漆包铜线直接绕制在铝制套筒上制成；两种磁场加载装置输入电流强度均为0-15A。
7.如权利要求6所述的一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料，其特征在于，轴向磁场加载装置的铝制套筒内半径为50mm，外半径为60mm，长度为60mm。
8.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料，其特征在于，由上环形铝制框架和下环形铝制框架固定下的磁流变薄膜置于轴向磁场加载装置的铝制套筒内；径向磁场加载装置则直接加在阻抗管外侧，对应环状多振子主动声学超材料的位置。
9.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料，其特征在于，输入电流之后，轴向磁场加载装置内部产生磁场方向与环状多振子主动声学超材料的半径方向相垂直；输入电流之后，径向磁场加载装置产生磁场方向与环状多振子主动声学超材料的半径方向相同。
10.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的环状多振子主动声学超材料，其特征在于，一方面，通过定量改变输入电流的强度，可以实现隔声峰值的定向移动，得到想要控制的噪声频率范围，达到低频噪声非接触式主动控制的效果；另一方面，还可以变化磁流变薄膜径向宽度与环状质量块径向宽度的比例，来实现隔声峰值所对应频率的移动。
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