CN111312203A - 柔性声学超材料结构 - Google Patents

Abstract

一种柔性声学超材料结构。所述声学超材料结构包括薄膜和框架，所述框架设置于所述薄膜的一侧表面，所述薄膜和所述框架均由高分子聚合物制成，所述框架包括至少两个环形框架部，所述至少两个环形框架部在所述框架的径向上间隔开地嵌套设置，任意两个相邻的所述环形框架部之间形成环形槽。柔性声学超材料结构包括均由高分子聚合物制成的薄膜和框架，框架包括至少两个环形框架部，至少两个环形框架部在框架的径向上间隔开地嵌套设置，任意两个相邻的环形框架部之间形成环形槽，这样，使得该柔性声学超材料结构的隔声频带较宽、结构简单、易于加工且容易在框架的中心区域进行集中隔声降噪。

Description

柔性声学超材料结构

技术领域

本发明涉及噪声吸收的声学功能材料领域，尤其涉及一种柔性声学超材料结构。

背景技术

低频噪声由于传播距离远，透射能力强，会对人们的日常生活和身心健康造成严重的干扰和影响，而且一般很难消除，因而降噪需求突出。传统的隔声材料在低频段的隔声性能需要遵循质量密度定律，即面密度决定隔声材料的隔声量，增加隔声材料面密度才能提高低频隔声量，由此带来隔声材料重量增加的问题，这也使得传统隔声材料应用受限。对于用于人体健康和工业装备监测的柔性电子贴片式的器件结构声学被动降噪，考虑到其轻、薄、柔的特性，器件的大小和厚度都非常小，若要在非常有限的空间里实现很好的隔声降噪，探索轻薄、紧凑、柔性的隔声结构设计很有必要。

近年来，声学超材料概念的提出为实现轻质条件下的低频隔声提供了新的理论基础和技术途径。声学超材料是指由特殊设计的人工声学结构单元周期排列在基体材料中构成的新型声学材料或结构，可以获得自然界材料所不具有的超常特性：负质量密度、负模量以及负折射等等。已有研究还表明，一些典型声学超材料(如声学超材料板、声学超材料膜等)中的人工声学结构单元在声波激励下会产生区部单元的低频共振，由此可以打破质量密度定律限制，在轻质条件下高效隔离低频声波的传播。因此，这类声学超材料在低频降噪领域展现出非常广阔的应用前景。然而目前二维声学超材料多是基于刚性材料框架，带来结构整体不够柔性，隔声频带较窄，加工困难等应用问题。

此外，目前的声学超材料大多设计成整体上进行均匀隔声降噪的结构，难以进行集中隔声降噪。

发明内容

基于现有技术中的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种隔声频带较宽、结构简单、易于加工且容易进行集中隔声降噪的柔性声学超材料结构。

为此，本发明提供如下技术方案。

本发明提供了一种柔性声学超材料结构，所述声学超材料结构包括薄膜和框架，所述框架设置于所述薄膜的一侧表面，

所述薄膜和所述框架均由高分子聚合物制成，

所述框架包括至少两个环形框架部，所述至少两个环形框架部在所述框架的径向上间隔开地嵌套设置，任意两个相邻的所述环形框架部之间形成环形槽。

优选地，所述环形框架部的径向宽度与所述环形槽的径向宽度相等。

优选地，所述环形框架部为圆环形。

优选地，所述至少两个环形框架部同心设置。

优选地，所述薄膜为圆形，所述薄膜的直径大于所述框架的外径。

优选地，所述薄膜的厚度不大于1mm。

优选地，所述框架的厚度在1mm至10mm的范围内。

优选地，所述薄膜由聚酰亚胺、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙或硅胶材料制成。

优选地，所述框架由乙烯-醋酸乙烯共聚物或三元乙丙橡胶材料制成。

优选地，所述薄膜和所述框架粘接连接。

通过采用上述的技术方案，本发明提供了一种柔性声学超材料结构，其包括均由高分子聚合物制成的薄膜和框架，框架包括至少两个环形框架部，至少两个环形框架部在框架的径向上间隔开地嵌套设置，任意两个相邻的环形框架部之间形成环形槽，这样，使得该柔性声学超材料结构的隔声频带较宽、结构简单、易于加工且容易在框架的中心区域进行集中隔声降噪。

附图说明

图1示出了根据本发明的柔性声学超材料结构的结构示意图。

图2示出了本发明的柔性声学超材料结构的隔声降噪效果STL(声波透射损失)分布频谱图。

图3示出了本发明的柔性声学超材料结构与常规完整结构的隔声降噪效果STL(声波透射损失)的对比图。

图4示出了本发明的柔性声学超材料结构的薄膜厚度变化与其隔声降噪效果STL(声波透射损失)的对比图。

图5示出了本发明的柔性声学超材料结构的框架厚度变化与其隔声降噪效果STL(声波透射损失)的对比图。

附图标记说明

1薄膜；2框架；21环形框架部；22环形槽。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的保护范围。

下面根据图1至图5详细说明根据本发明的柔性声学超材料结构的具体实施方式。

在本实施方式中，如图1所示，根据本发明的柔性声学超材料结构包括薄膜1和框架2。框架2设置于薄膜1的一侧表面(图1中的上表面)。框架2和薄膜1之间可以粘接连接。

在本实施方式中，如图1所示，薄膜1整体呈圆形。薄膜1可以由聚酰亚胺(PI)材料制成。薄膜1的厚度不大于1mm。

在本实施方式中，如图1所示，框架2包括环形框架部21。环形框架部21的数量可以有多个，任意两个相邻的环形框架部21之间形成环形槽22。

环形框架部21为圆环形，多个环形框架部21可以同心设置。这样，使得框架2易于加工制作。

可以理解，环形框架部21的径向宽度与环形槽22的径向宽度可以相等，也可以不等。各个环形框架部21的径向宽度可以相同，也可以不同。各个环形槽22的径向宽度可以相同，也可以不同。此外，最小的环形框架部21的内孔的半径可以等于环形槽22的径向宽度。

框架2可以由乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)材料制成。框架2的厚度在1mm至10mm的范围内。

框架2的外径(即直径最大的环形框架部21的外径)小于薄膜1的直径。

在将本申请的柔性声学超材料结构具体应用到隔声降噪时，薄膜1的外边界超出框架2的部分可以通过夹具固定约束，可以给薄膜1施加一定的预张力，欲消除的低频声波可以从薄膜1的一侧(图1中的下侧)入射，经过薄膜1和框架2后，透射出的声波会明显大幅减小，进而达到在低频下在较宽频带内的良好隔声降噪效果。可以理解，通过调节环形框架部21和环形槽22的径向宽度、薄膜1的厚度、框架2的厚度，可以实现对不同频率段的隔声降噪。同时，通过设置合适的各个环形框架部21和环形槽22的径向宽度，就可以实现柔性声学超材料结构的中心区域的集中隔声降噪，亦即，在柔性声学超材料结构的径向上，越靠近结构的中心区域，隔声降噪的能力越强。

在本实施方式中，图2示出了本发明的柔性声学超材料结构的隔声降噪效果STL(声波透射损失)分布频谱图。

在图2使用的柔性声学超材料结构中，薄膜1为由聚酰亚胺(PI)材料制成的PI薄膜，直径为102mm，厚度为0.1mm。框架2由乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)材料制成，外径为100mm，厚度为1mm，环形框架部21和环形槽22的径向宽度均为5mm，环形槽22的数量为5个。

同时，PI薄膜的密度为1420kg/m³，弹性模量为2.65GPa，泊松比为0.36，损耗因子为0.03，EVA泡棉材料的密度为936kg/m³，弹性模量为210MPa，泊松比为0.45，损耗因子为0.05。

通过Comsol声固相互作用模块模拟超材料隔声降噪能力，最终结果如图2所示。从图2中可以看出，本发明的柔性声学超材料结构在低频段大约240Hz至1000Hz范围内实现了很好的隔声降噪效果。

在本实施方式中，图3示出了本发明的柔性声学超材料结构与常规完整结构的隔声降噪效果STL(声波透射损失)的对比图。

上述的常规完整结构指的是在图1中的柔性声学超材料结构中，框架2为完整均质的，不存在环形槽22。图3中使用的参数设置与图2中相同。

如图3所示，本申请的柔性声学超材料结构的隔声频带(如图中实线线的波峰A和波谷B之间的横轴距离)大致为240Hz至1000Hz，而常规完整结构的隔声频带(如图中虚线曲线的波峰a和波谷b之间横轴距离)大致为100Hz至550Hz。由此可知，本申请的柔性声学超材料结构一方面能够像现有的常规完整结构一样，具有落在低频(不超过1000Hz)区域的隔声频带，另一方面，本申请的柔性声学超材料结构的隔声频带比现有的常规完整结构宽，低频噪声的消除效果更好。

应当理解，隔声频带是指噪声被绝大部分阻隔，或者说隔声量很大的频率范围。

图4示出了本发明的柔性声学超材料结构的薄膜厚度变化与其隔声降噪效果STL(声波透射损失)的对比图。图5示出了本发明的柔性声学超材料结构的框架厚度变化与其隔声降噪效果STL(声波透射损失)的对比图。

如图4所示，当PI薄膜的厚度分别取0.05mm、0.1mm和0.2mm时，本申请的柔性声学超材料结构的隔声频带相应地逐渐变化，即分别为280Hz-1200Hz、240Hz-1000Hz、200Hz-780Hz。

如图5所示，当框架2的厚度分别取1mm、2mm和3mm时，本申请的柔性声学超材料结构的隔声频带也相应地逐渐变化，即分别为240Hz-1000Hz、280Hz-1400Hz、300Hz-1120Hz。

因此，可以理解，通过调整薄膜1和框架2的厚度可以调节本申请的柔性声学超材料结构的隔声频带。

通过采用上述技术方案，根据本发明的柔性声学超材料结构至少具有如下优点：

(1)在本发明的柔性声学超材料结构中，通过利用两种高分子聚合物材料巧妙设计薄膜型声学超材料结构，轻薄柔性，在小尺寸结构范围内提升低频段的隔声性能，突破传统的隔声材料需满足的质量密度定律，通过尺寸设计还可以实现隔声降噪频段的连续可调，这种简单、易于加工的柔性声学超材料在小尺寸或曲面型结构的隔声降噪应用中很有潜力。

(2)在本发明的柔性声学超材料结构中，框架包括多个环形框架部，任意两个相邻的环形框架部之间形成环形槽，这样，通过设置合适的各个环形框架部和环形槽的径向宽度，可以实现柔性声学超材料结构的中心区域的集中隔声降噪。

在发明人已知的一种结构中，在薄膜的一侧形成格栅框架，在格栅框架内设置十字薄片和圆形薄片，也可以实现低频隔声降噪。该设计是一种单胞二维周期性延拓划分，结构较复杂，实现的是对整个平面区域进行均匀降噪。

本发明的环状沟槽式结构是一种整体式结构局域化划分，结构更简单，实现起来更方便，对于环状中心区域更集中的降噪效果更佳，通过尺寸设计能够实现要求的降噪效果和频带范围。

以上的具体实施方式对本发明的技术方案进行了详细阐述，但是还需要补充说明的是：

(1)虽然在上述实施方式中说明了薄膜由聚酰亚胺材料制成，但是本发明不限于此，薄膜还可以由聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙或硅胶等其它高分子聚合物材料制成。

(2)虽然在上述实施方式中说明了框架由乙烯-醋酸乙烯共聚物材料制成，但是本发明不限于此，框架也可以由三元乙丙橡胶或其它高分子聚合物材料制成。薄膜的厚度为几百微米且不超过1毫米。框架为泡棉类的有空隙的材料，其厚度为几毫米。薄膜比框架软。

(3)虽然在上述实施方式中说明了多个环形框架部同心设置，但是本发明不限于此，多个环形框架部也可以不同心设置。

Claims (10)

1.一种柔性声学超材料结构，其特征在于，所述声学超材料结构包括薄膜(1)和框架(2)，所述框架(2)设置于所述薄膜(1)的一侧表面，

所述薄膜(1)和所述框架(2)均由高分子聚合物制成，

所述框架(2)包括至少两个环形框架部(21)，所述至少两个环形框架部(21)在所述框架(2)的径向上间隔开地嵌套设置，任意两个相邻的所述环形框架部(21)之间形成环形槽(22)。

2.根据权利要求1所述的柔性声学超材料结构，其特征在于，所述环形框架部(21)的径向宽度与所述环形槽(22)的径向宽度相等。

3.根据权利要求1所述的柔性声学超材料结构，其特征在于，所述环形框架部(21)为圆环形。

4.根据权利要求3所述的柔性声学超材料结构，其特征在于，所述至少两个环形框架部(21)同心设置。

5.根据权利要求3所述的柔性声学超材料结构，其特征在于，所述薄膜(1)为圆形，所述薄膜(1)的直径大于所述框架(2)的外径。

6.根据权利要求1所述的柔性声学超材料结构，其特征在于，所述薄膜(1)的厚度不大于1mm。

7.根据权利要求1所述的柔性声学超材料结构，其特征在于，所述框架(2)的厚度在1mm至10mm的范围内。

8.根据权利要求1所述的柔性声学超材料结构，其特征在于，所述薄膜(1)由聚酰亚胺、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙或硅胶材料制成。

9.根据权利要求1所述的柔性声学超材料结构，其特征在于，所述框架(2)由乙烯-醋酸乙烯共聚物或三元乙丙橡胶材料制成。

10.根据权利要求1所述的柔性声学超材料结构，其特征在于，所述薄膜(1)和所述框架(2)粘接连接。

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