CN111489728A - 一种基于局域共振的主动声学超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于局域共振的主动声学超材料，所述超材料以硬质薄板金属材料为基体板材，在基体板材上嵌有若干磁质质量块单元，磁质质量块单元由磁质质量块及与之固定的圆形薄膜构成，磁质质量块单元在基体板材上呈晶格形式周期性排列，在每块磁质质量块单元上方还设置有一个电流大小及电流正负可调的电磁铁，电磁铁与磁质质量块之间垂直距离为2‑3cm，用于对磁质质量块单元施加可调的反回复力。本发明提供的声学超材料引入电流可调的电磁铁，主动调整薄膜型声学超材料单元的本征频率，从而调整隔声峰频率，使超材料具有负质量密度，能够实现远高于质量定律的隔声量，从而实现低频线谱隔声。
Description
技术领域
本发明属于声隐身材料技术领域，具体涉及一种基于局域共振的主动声学超材料。
背景技术
长期作战环境下的舱室舒适性是保障舰艇战斗力的重要因素，舱室较高的空气噪声不仅影响海军官兵的交流，还会干扰他们的日常生活。随着我国舰艇执行远航任务日益频繁，舱室空气噪声受到越来越多的重视。
目前常用的方法是在声源舱和受声舱布置具有重量轻、小尺寸、低频、强衰减特性的吸、隔声材料，采用常规的吸声材料如并联穿孔板、多层穿孔板复合吸声结构、分层多孔材料复合结构等，在高频段作用良好，在低频段吸声系数较低，要吸收很低频的声波，就需要非常厚的结构或非常深的后腔；常采用的隔声材料，其隔声性能服从质量定律，为了有效地隔离数百赫兹的低频声波，理论上需要厚达1m 左右的混凝土墙。对于低频噪声的控制，过多使用各种隔声与吸声材料或大型的隔声设备，势必会增加系统的复杂度，大幅升高系统的成本和重量，降噪效果却没有得到显著改善。此外，被动吸声、隔声措施的适应性差，对于旋转机械设备带来单频高噪声问题难以进行针对性应对。
近年来出现了薄膜型声学超材料，一般采用框架分隔出单个单元，并在薄膜上布置质量块，采用局域共振机制，在两个本征频率之间的某个特定的频率具有等效负质量密度，使其能够以小尺寸结构控制大波长弹性波，实现远高于质量定律的隔声量。但由于薄膜和质量块一旦制造出来就很难调整，薄膜型声学超材料的本征频率既已固定，与之相关的隔声峰对应的频率也随之确定，只对其附近非常窄的频带内隔声能力较好。因此，对某些声场多变的舱室，这种声学超材料无法针对不同声源的频谱特征自动调节隔声峰频率，对不同的入射声波难以进行针对性隔声。如何实现薄膜型声学超材料隔声峰频率的主动可调是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种基于局域共振的主动声学超材料，在此基础上提供一种具有多孔材料-薄膜型超材料复合结构的声隐身材料，该声隐身材料中超材料共振频率可调，根据声波入射频率调整超材料的振动频率，实现低频隔声，而多孔材料可实现高频吸声，因此该具有多孔材料-薄膜型超材料复合结构的声隐身材料的降噪效果好。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种基于局域共振的主动声学超材料，所述超材料以硬质薄板金属材料为基体板材，在基体板材上嵌有若干磁质质量块单元，磁质质量块单元由磁质质量块及与之固定的圆形薄膜构成，磁质质量块单元在基体板材上呈晶格形式周期性排列，在每块磁质质量块单元上方还设置有一个电流大小及电流正负可调的电磁铁，电磁铁与磁质质量块之间垂直距离为2-3cm，用于对磁质质量块单元施加可调的反回复力。该电磁铁对磁质质量块单元的作用相当于弹簧，使其产生微位移，用于调节磁质质量块单元本征频率。
按上述方案，所述圆形薄膜面积大于磁质质量块面积，并且磁质质量块固定于圆形薄膜中间位置。
按上述方案，所述电磁铁的电流大小为mA级(0-50mA)，所述磁质质量块单元的质量不大于10g。
本发明还包括根据上述基于局域共振的主动声学超材料制备得到的复合声隐身材料，所述声隐身材料包括一层多孔材料，所述超材料的电磁铁嵌入多孔材料中。
按上述方案，所述多孔材料与主动声学超材料的基体板材间距为1-2cm。
按上述方案，所述多孔材料为普通吸声材料，厚度为30～50mm，如纤维材料、泡沫材料等高频吸声性能较好的材料。
按上述方案，所述复合声隐身材料还包括DSP控制系统，以及与DSP控制系统相连的一个或多个传声器，传声器靠近声源方向设置。
经典的薄膜型负质量密度声学超常介质单元结构为：一块周边被硬边框固定的小面积弹性薄膜，并在薄膜中央附着一个小的质量块。如图1所示为经典薄膜型声学超材料的等效质量密度和平均位移图，由于重物与薄膜密度的巨大差异，使得整个薄膜型声学超材料表现出两种本征振动模态。其中，第一种本征振动模态是由于重物与薄膜组成的弹簧质量块系统局域振动引起的，第二种本征振动模态是由于重物与边界之间薄膜自身共振引起的。当入射波频率大于第一种本征振动模态频率时，重物与薄膜组成的弹簧质量系统振动反相，使得整个材料隔声性能提高。若声波垂直入射到薄膜表面，声波入射频率与在位于系统两个最低的本征频率之间的某个特定频率匹配良好时，薄膜几乎可将声波完全反射。
薄膜型声学超材料的隔声峰频率位于第一个和第二个本征频率之间，实现系统两个最低本征频率的自适应调节，可以实现与之相关的隔声峰频率可调。
本发明提出了一种基于局域共振的主动型声学超材料，在典型的局域共振型薄膜声学超材料单元中，加入了线圈电流可调的电磁铁，用电磁铁对磁质质量块施加可调的反回复力，其作用可等效为加入了刚度可调的弹簧，使系统可针对不同声源的频谱特征，主动调节电流大小和电流正负方向来调节所需的等效弹簧的刚度，实现对100-300Hz范围的本征模态频率的主动调控，继而使整个薄膜面内的平均法向位移为零(质量块与薄膜组成的弹簧质量系统振动反相)时对应的频率(系统在该频率具有负质量密度)与声波入射频率相同，从而实现了隔声峰频率自调整，对低频线谱有较好的控制效果。将引入的电磁铁嵌入在多孔材料中，形成多孔材料- 薄膜型超材料复合结构，实现了低频线谱隔声、高频吸声的效果。
本发明的有益效果在于：1、本发明提供的声学超材料引入电流可调的电磁铁，主动调整薄膜型声学超材料单元的本征频率，从而调整隔声峰频率，使超材料具有负质量密度，能够实现远高于质量定律的隔声量，从而实现低频线谱隔声。2、本发明提供的基于局域共振的主动声学超材料得到的声隐身材料在舱室传统的高频多孔材料基础上增加了局域共振原理的薄膜型声学超材料，从而对低频线谱和高频噪声均有较好的降噪效果。
附图说明
图1为经典薄膜型声学超材料的等效质量密度和平均位移图；
图2为实施例1具有多孔材料-薄膜型超材料复合结构的声隐身材料的结构示意图；
图3为实施例1基于局域共振的主动声学超材料隔声结构的等效模型；
图4为实施例1基于局域共振的主动声学超材料隔声结构的弹簧-质量块模型；
图5为实施例1基于局域共振的主动声学超材料隔声结构布置方式示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种基于局域共振的主动声学超材料，所述超材料以厚度为5mm的金属硬质材料为基体板材，在基体板材上嵌有若干磁质质量块单元，磁质质量块单元由重量为5g的圆形磁质质量块及与之固定的圆形薄膜单元构成，圆形薄膜面积大于磁质质量块面积，并且磁质质量块固定于圆形薄膜中间位置，磁质质量块单元在基体板材上呈晶格形式周期性排列，在每块磁质质量块单元上方设置有一个电流大小及电流正负可调(电流幅值大小范围为0～50mA)的电磁铁用于对磁质质量块单元施加可调的反回复力(吸力或者斥力)，该反回复力与位移方向相反，作用相当于弹簧，用于调节质量块单元本征频率。电磁铁与磁质质量块之间垂直距离为2～3cm。
将上述超材料的电磁铁嵌入一层厚度为40mm的舱室传统的高频多孔材料中，多孔材料与主动声学超材料的基体板材间距为1-2cm，超材料与多孔材料复合得到具有多孔材料-薄膜型超材料复合结构的声隐身材料，结构示意图如图2所示。复合声隐身材料还包括DSP控制系统，以及与DSP控制系统相连的一个或多个传声器，传声器靠近声源方向设置。
在薄膜型声学超材料的前方布置一个传声器，传声器与控制系统相连，使用前，通过计算建立本征频率与隔声峰频率，电流大小与本征频率之间的对应关系，作为关联库，存入控制系统中的小型信号处理元件。使用时，由传声器接收声信号，将材料反射表面的入射声和反射声分离，识别出入射声的低频线谱，作为控制系统的输入信号。然后控制系统针对低频线谱的频率，得到需匹配的薄膜超材料系统的隔声峰频率，计算出所需的电磁铁线圈电流大小，输出控制信号给电磁铁，电磁铁产生对应的电磁力，从而使与本征频率相关的隔声峰频率(薄膜中心与四周的位移反相时对应的频率)与声波入射频率匹配良好，对低频线谱进行针对性隔声。
下面用数学的形式定性地说明实现本征频率自适应调节的方法。将超材料隔声结构(包括一个磁质质量块-薄膜单元及其对应的电流可调的电磁铁)简化为弹簧质量块模型，如附图3、4所示，超材料隔声结构布置方式示意图如图5所示。
对于该振动模型，电磁铁与质量块的初始位置距离为L，令电磁铁对质量块的作用力为Fd，满足如下关系式：
Fd＝f(N,I,S,L-xz(t))
其中N为线圈匝数、I为电流、S为电磁铁线圈平均截面积，xz(t)为质量块相对于初始位置的位移，ε为磁导率。线圈匝数N、电磁铁线圈平均截面积S、磁导率ε已定时，作用力与电流和位移有关。
在引入电磁铁前，振动微分方程为
其中，M矩阵为总质量矩阵，K矩阵为总刚度矩阵，它们可以通过多刚体法，用局部坐标下的质量矩阵和刚度矩阵通过平移变换矩阵T与旋转变换矩阵R得到。 X为位移矩阵，F(t)为外作用力。
在引入电磁铁的作用力后，振动微分方程变为：
Fd在z向作用于质量块，上式可表示为
可化为：
在N、S、L已定的情况下，当电流大小为I时，Fd与质量块相对于电磁铁的距离有关。以条形电磁铁为例，Fd的计算式为：
这里给出电流I对振动微分方程的影响，提出一种控制策略：
由于L>>xz(t)，因此Fd的计算式可表示为：
由上式可见，Fd与电流I的平方成正比。即
Fd＝k1I2
其中，
现在令输入电流I的控制逻辑为：电流的平方随xz(t)变化，且始终正比于xz(t)，表示为
I2＝k2xz(t)
系数k2可根据情况选定。
则可以建立起Fd与xz(t)的关系，表示为
Fd＝kdxz(t)
kd＝k1k2
原振动微分方程可表示为
即
在该控制策略下，其他结构参数一定的情况下，电磁铁对系统的作用完全等效为了刚度为kd的弹簧，从而改变了原刚度矩阵K，进而改变系统本征频率。因此，可以根据入射声波的频率，通过实时调节电磁线圈电流，可使其电磁力始终等效为某一个负刚度的弹簧，从而自调整薄膜型超材料的本征频率，从而使系统的隔声峰频率与入射声波的频率相匹配。
综上，本成果提出的这种能针对舱内声源进行自调节的主动型声学超材料复合结构，可通过参数调节进行隔声峰频率调整，对声场多变的低频线谱有较好的隔声效果，并与多孔吸声材料联合应用，兼具高频段吸声能力，为舰艇舱室噪声控制技术提供了新的手段。这种声学超材料还具有轻质和良好的扩展性，易于模块化扩展、装配。
Claims (7)
1.一种基于局域共振的主动声学超材料，其特征在于，所述超材料以硬质薄板金属材料为基体板材，在基体板材上嵌有若干磁质质量块单元，磁质质量块单元由磁质质量块及与之固定的圆形薄膜构成，磁质质量块单元在基体板材上呈晶格形式周期性排列，在每块磁质质量块单元上方还设置有一个电流大小及电流正负可调的电磁铁，电磁铁与磁质质量块之间垂直距离为2-3cm，用于对磁质质量块单元施加可调的反回复力。
2.根据权利要求1所述的基于局域共振的主动声学超材料，其特征在于，所述圆形薄膜面积大于磁质质量块面积，并且磁质质量块固定于圆形薄膜中间位置。
3.根据权利要求1所述的基于局域共振的主动声学超材料，其特征在于，所述电磁铁的电流大小为mA级，所述磁质质量块单元的质量不大于10g。
4.一种根据权利要求1-3任一所述的基于局域共振的主动声学超材料制备得到的复合声隐身材料，其特征在于，所述声隐身材料包括一层多孔材料，所述超材料的电磁铁嵌入多孔材料中。
5.根据权利要求4所述的复合声隐身材料，其特征在于，所述多孔材料与主动声学超材料的基体板材间距为1-2cm。
6.根据权利要求4所述的复合声隐身材料，其特征在于，所述多孔材料为普通吸声材料，厚度为30～50mm。
7.根据权利要求4所述的复合声隐身材料，其特征在于，所述复合声隐身材料还包括DSP控制系统，以及与DSP控制系统相连的一个或多个传声器，传声器靠近声源方向设置。
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