CN111128109B - 一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构 - Google Patents

一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构，包括若干个由四个嵌套开缝共振腔单元构成的晶格，所述单元通过连接体构成晶格，所述晶格包括不同方向开缝的嵌套开缝共振腔单元；嵌套开缝共振腔单元内部包含大尺寸外侧不同方向开缝的开缝共振腔，以及其嵌套形成的内部波导和内部腔体；每四个套型共振腔逆时针设置不同方向的开缝，内部开缝共振腔开缝方向不变；每列嵌套开缝共振腔的开缝方向是一致的，每一行每四个开缝开口方向各不相同的嵌套开缝共振腔为一个晶格；嵌套开缝共振腔单元通过连接体连接为晶格，通过连接体将晶格阵列为板件；本发明是由单一的基体材料组成，工艺生产上可利用3D打印技术制备，生产工艺简单，设备和材料投入成本低廉，节能环保以及本发明实现很好的中低频宽频域吸声效果。

Description

一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构
技术领域
本发明涉及一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构，属于声学领域。
背景技术
超材料选择介于原子、分子的微观结构尺寸与宏观尺寸间的介观尺度来构建人工微结构。由这样的微结构阵列构成的人工材料的材料参数可以通过微观结构的设计实现大范围的人为调节，作为超材料领域的重要分支，声学超材料通过在亚波长物理尺度上的结构设计，获得具有超常力学、声学性能的复合材料或复合结构，为人们控制弹性波的传播提供了新的技术途径。声学超材料的研究源于局域共振声子晶体，刘正猷在2000年提出局域共振声子晶体：利用软橡胶材料包裹高密度芯体构成局域共振单元，在弹性介质中周期性排列局域共振单元构成人工周期结构，在亚长波频段利用弹性波的局域共振效应成功实现了低频弹性波带隙，为低频小尺寸减振降噪提供新的途径。
共振腔共振消耗声能量是一种非常有效的吸声结构。温激鸿等采用有限元方法，深入分析了局域共振声学超材料结构内在的能量耗散机理，系统讨论了各因素对局域共振吸声的影响，总结得出各参数对局域共振吸声的影响规律；2008年HU等人通过实验证实周期排列的共振腔可以产生带隙；SangHyumSeo将不同声学特性的HR矩形排列，并通过优化结构，得出一种新型声学超材料。
目前很多声学超材料综合不同材料特性设计制备的，从而加大了加工制造的工艺难度，不适合大规模生产制造。现阶段基于共振腔类的声学超材料多为尺寸较大的腔体，占用空间较大，不能满足常规使用环境。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构，适用于宽频域低频降噪，单一的基体材料，加工工艺简单，整体密度小，实现了轻量化，适合于实际的生产制造以及工程应用。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构，包括若干个单元，所述两个大小不同的开缝方形共振腔嵌套为一个单元，外侧开缝方形共振腔逆时针设置四个方向的开缝口与内侧开缝共振腔组合阵列为包含四个单元的晶格，单元之间通过连接体连接；以四个单元作为一个晶格进行横向和纵向的二维阵列；每列对应的嵌套开缝共振腔单元开口方向一致，一个晶格横向四个开缝共振腔开口方向逆时针交替设置。
作为优选，所述开缝结构的几何形状为矩形。
作为优选，所述单个嵌套开缝共振腔单元和连接体为同一材料制成，通过3D打印制备。
有益效果：本发明的一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构，与现有的声学超材料相比具有以下优点：
(1)加工制备工艺简单，整体结构是由单一的基体材料构成，可采用3D打印技术制备，与传统的局域共振型声学超材料的生产制备方法相比，具有加工工艺简单，基体材料单一，工艺简单，制备成本低廉，工艺生产过程节能环保，适合大批量生产制造等优点。
(2)实现了结构的轻量化，超材料内部为空腔结构，整个声学超材料的整体密度是基体材料密度的42.98％。
(3)与其它声学超材料相比，本发明晶格尺寸小，周期排列之后也具有较小的厚度，便于实际工程应用中的安装降噪使用。
(4)与传统吸声材料相比，本发明具有更好的中低频降噪效果，在1000Hz-2000Hz范围内出现两段声学带隙，在带隙范围内可进行有效吸声；与其它声学超材料相比，本发明拓宽了中低频降噪频域，至少实现500Hz频域的吸声范围。
附图说明
图1为本发明声学超材料的主视图；
图2为本发明声学超材料的俯视图；
图3为本发明声学超材料图2的A-A剖视图；
图4为本发明声学超材料传递损失的曲线图；
图5为本发明声学超材料放置在阻抗管中的实验测试吸声曲线；
图6为本发明的声学超材料与传统吸声材料三聚氰胺泡沫吸声效果对比曲线。
其中，1、晶格；2、嵌套上方开缝共振腔单元；3、嵌套左侧开缝共振腔单元；4、嵌套下方开缝共振腔单元；5、嵌套右侧开缝共振腔单元；6、连接体；7、上方开口外侧大尺寸开缝共振腔；8、左侧开口外侧大尺寸开缝共振腔；9、下方开口外侧大尺寸开缝共振腔；10、右侧开口外侧大尺寸开缝共振腔；11、内部开缝共振腔单元；12、内部波导结构；13、开缝结构；14、单元间波导。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图3所示，本发明的一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构，由若干晶格1通过连接体6顺序二维阵列构成；晶格1由四个嵌套上方开缝共振腔单元2、嵌套左侧开缝共振腔单元3、嵌套下方开缝共振腔单元4和嵌套右侧开缝共振腔单元5通过连接体6线性排列构成；嵌套上方开缝共振腔单元2由大尺寸上方开缝共振腔7嵌套小尺寸开缝共振腔11构成，嵌套左侧开缝共振腔单元3由大尺寸左侧开缝共振腔8嵌套小尺寸开缝共振腔11构成，嵌套下方开缝共振腔单元4由大尺寸下方开缝共振腔9嵌套小尺寸开缝共振腔11构成，嵌套右侧开缝共振腔单元5由大尺寸右侧开缝共振腔10嵌套小尺寸开缝共振腔11构成；大尺寸开缝方形共振腔分别逆时针设置四个方向开缝结构13，内侧小尺寸开缝共振腔结构均相同；每列对应的嵌套开缝共振腔单元开口方向一致，一个晶格横向四个嵌套开缝共振腔开口方向逆时针设置。
所有嵌套型共振腔内部小尺寸的腔11的开缝方向不变，开口方向均为Y轴正方向，大尺寸上方开缝共振腔7开缝方向为Y轴正方向，大尺寸左侧开缝共振腔8开缝方向为X轴负方向，大尺寸下方开缝共振腔9开缝方向为Y轴负方向，大尺寸右侧开缝共振腔10开缝方向为X轴正方向；四个单元沿X轴排列，嵌套开缝共振腔单元之间的连接都是通过连接体6连接为一个晶格，将四个开口不同的开缝嵌套型共振腔单元组成的晶格结构沿X方向和Y方向进行二维周期阵列，最终形成声学超材料板件，通过3D打印技术进行制备。
在本发明中，通过大小开缝共振腔的嵌套结构形成了环绕内部共振腔的波导结构12，又一个晶格中四个共振腔单元的开缝方向各不相同，从而形成不同的波导结构；嵌套开缝共振腔单元2、3、4、5通过连接体6连接，使得共振腔单元之间间隙形成了又一种外波导结构14；声波需要通过外部波导结构14，进入内部波导12，再进入最内侧的共振腔体11。
实施例中，所述晶格为体积为V1＝20mm×80mm×10mm＝16000mm3，开缝嵌套型共振腔单元是体积为V2＝18mm×18mm×10mm＝3240mm3的长方体腔体，制备的腔体壁厚1mm，开缝开口矩形尺寸为高8mm、宽1mm，尺寸大的开缝共振腔18mm×18mm×10mm＝3240mm3，尺寸较小的开缝共振腔16mm×16mm×10mm＝2560mm3，开缝共振腔单元之间的连接体尺寸为2mm×3mm×2mm＝12mm3，内部波导宽度为两个共振腔间隙1mm，嵌套开缝共振腔单元间间隙为2mm。
在实际应用中，可根据工程需求，对本发明中晶格的几何尺寸、晶格排列个数、禁带频率及带宽、振动衰减力度等进行设计，以达到按需生产的目的。
本发明的具体制备过程如下：
1.利用CATIA和COMSOL等具有3D建模和声振分析功能的软件，从实际的工程应用需求出发，确定本发明各个尺寸参数和选定基体材料，同时生成适用于3D打印的结构模型。
2.将设计好的声学超材料实体模型导入3D打印机中，然后3D打印机将模型分层为若干二维模型，喷射树脂并逐层固化，最终打印完整体结构。
3.完成3D打印的结构需要进行后处理，工艺过程包括静置、强制固化、去粉、包覆等。
如图4到图6所示，将制备的本发明实施例进行声学实验；本发明所涉及晶格结构是由单一基体材料构成的，在此结构中基体材料可以依据具体工程应用情景选择各种性能基体材料，比如：环氧树脂、橡胶、铝、钢等。可以根据需要整体声学超材料板件打印出来；可以制备单独的晶格结构，根据具体安装工况进行晶格阵列，并用AB胶粘连。将晶格结构进行阵列形成声学超材料板件后，利用分析软件计算得出传递损失曲线如图4所示，在941Hz-1313Hz和1623Hz-2000Hz两段范围内出现传递损失峰值；取一定尺寸的声学超材料样件放置在阻抗管中进行实验测试，因阻抗管测试条件的限制，低频测试最高频率只能到1600Hz，所以得出测试结果如图5所示，该发明在中低频具有良好的吸声效果，在970Hz-1280Hz，吸声系数达到0.6以上；同时作为对比，对传统的吸声材料进行吸声测试，传统吸声材料选用常用的厚10mm、直径100mm、孔隙率为0.98的三聚氰胺泡沫，吸声曲线对比如图6所示，本发明的嵌套开缝共振腔型声学超材料吸声效果在800Hz-1600Hz范围内明显好于传统吸声材料三聚氰胺泡沫。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明技术方案进行的修改或者等同替换，不能脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构，其特征在于：由晶格(1)通过连接体(6)顺序二维阵列构成；晶格(1)由嵌套上方开缝共振腔单元(2)、嵌套左侧开缝共振腔单元(3)、嵌套下方开缝共振腔单元(4)和嵌套右侧开缝共振腔单元(5)通过连接体(6)线性排列构成；嵌套上方开缝共振腔单元(2)由大尺寸上方开缝共振腔(7)嵌套小尺寸开缝共振腔(11)构成，嵌套左侧开缝共振腔单元(3)由大尺寸左侧开缝共振腔(8)嵌套小尺寸开缝共振腔(11)构成，嵌套下方开缝共振腔单元4由大尺寸下方开缝共振腔(9)嵌套小尺寸开缝共振腔(11)构成，嵌套右侧开缝共振腔单元(5)由大尺寸右侧开缝共振腔(10)嵌套小尺寸开缝共振腔(11)构成，大尺寸开缝方形共振腔分别逆时针设置四个方向开缝位置，内侧小尺寸开缝共振腔结构均相同；每列对应的嵌套开缝共振腔单元开口方向一致，一个晶格横向四个嵌套开缝共振腔开口方向逆时针设置。
2.根据权利要求1所述的一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构，其特征在于：所述嵌套开缝共振腔声学超材料结构由晶格(1)二维周期排列构成。
3.根据权利要求1所述的一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构，其特征在于：所述晶格(1)由四个嵌套上方开缝共振腔单元(2)、嵌套左侧开缝共振腔单元(3)、嵌套下方开缝共振腔单元(4)和嵌套右侧开缝共振腔单元(5)通过连接体(6)线性排列构成。
4.根据权利要求1所述的一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构，其特征在于：单个嵌套开缝共振腔单元和连接体(6)为同一材料制成，通过3D打印制备。
5.根据权利要求1所述的一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构，其特征在于：所述嵌套上方开缝共振腔单元(2)由大尺寸上方开缝共振腔(7)嵌套小尺寸开缝共振腔(11)构成，嵌套左侧开缝共振腔单元(3)由大尺寸左侧开缝共振腔(8)嵌套小尺寸开缝共振腔(11)构成，嵌套下方开缝共振腔单元4由大尺寸下方开缝共振腔(9)嵌套小尺寸开缝共振腔(11)构成，嵌套右侧开缝共振腔单元(5)由大尺寸右侧开缝共振腔(10)嵌套小尺寸开缝共振腔(11)构成。
6.根据权利要求1所述的一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构，其特征在于：所述开缝共振腔开缝形状为矩形。
7.根据权利要求1所述的一种嵌套开缝共振腔型声学超材料结构，其特征在于：所述嵌套开缝共振腔单元开缝位置不同。
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