CN111883093B - 一种具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于声学超材料相关技术领域，其公开了一种具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料及其制备方法，所述吸声超材料包括多个吸声超材料单元，多个所述吸声超材料单元组成阵列；其中，所述吸声超材料单元包括自上而下设置的微穿孔板、双螺旋卷曲结构及背板，所述双螺旋卷曲结构包括隔板，所述隔板按照双螺旋形式设置，且形成了双螺旋卷曲空间；所述双螺旋卷曲空间包括螺旋状的第一声通道及第二声通道；所述微穿孔板开设有两个微孔，两个所述微孔分别与所述第一声通道及所述第二声通道相连通。本发明有效扩宽了吸声频率范围，达到更为理想的吸声效果。

Description

一种具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料及其制备方法

技术领域

本发明属于声学超材料相关技术领域，更具体地，涉及一种具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料及其制备方法。

背景技术

低频噪声问题广泛的存在于日常生活中，其传播距离远、透声能力强，长期暴露在低频噪声环境中会引起人体脑中枢机能下降，容易产生眩晕、疲劳等身体不适，还会引发神经系统、脊柱和胃肠道疾病，因而低频噪声控制是现代降噪过程中的重点和难点。在自然材料中，声波的阻隔遵循质量定律，具体表达为：

TL＝20lg(f)+20lg(M)-42

其中，TL为隔声量，dB；f为声波频率，Hz；M为隔声体的面密度，kg/m²。可见，隔声量同时受声波频率和隔声体面密度的影响，声波频率越高，越容易被阻隔，声波频率越低，穿透力越强。对于低频声波，要想取得和高频声波相同的隔声量，需要隔声体有更好的面密度，在材料相同的情况下，意味着隔声体的厚度越大。例如，对于面密度为200kg/m²的隔声体，当声波频率为10000Hz时，隔声量为84dB，当声波频率降低为100Hz时，隔声量仅为44Hz。要想获得与10000Hz声波相同的隔声量，隔声体面密度需增加到19953kg/m²，厚度增加了近100倍！在实际应用中显然是不现实的。因此，如何合理的控制噪声水平，提出简单高效的控制方法抑制噪声，一直是值得深入研究的课题。

超材料是一种具有人工周期性结构的材料，具备一些自然材料无法实现的超常物理性质，例如负泊松比、负折射、声波聚焦、隐身、吸收等等，具有十分广阔的应用前景。微穿孔板消声器是利用微穿孔板声结构制成的新型吸声材料，由钻有规则排列的微孔的薄板和其背后的空腔共同组成，当其应用于低频声波的吸收时，背后的空腔尺寸将达到米的量级，难以应用于实际。为解决此问题，有学者创造性的将背景空腔“卷曲”起来，以达到减小尺寸的目的，取得了较为理想的效果，其尺寸可以减小到声波波长的1/100，这种声学超材料在特定频率下可以达到近乎100％的吸声效果，但是频率范围很窄，半峰宽(吸声系数为50％的吸收峰频宽)通常在20～100Hz之间，难以满足较宽频率范围内的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料及其制备方法，所述吸声超材料形成有双螺旋卷曲结构，所述双螺旋卷曲结构形成有双螺旋卷曲空间，所述双螺旋卷曲空间包括两个螺旋状的声通道，微穿孔板的两个微孔分别与两个声通道相连通，每个微孔与对应的声通道对应一个吸收峰，当声波从微穿孔板一侧射向所述声学超材料时，两个声通道相互影响，配合预定的尺寸参数可以有效扩宽吸声频率范围，达到更为理想的吸声效果。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料，所述吸声超材料包括多个吸声超材料单元，多个所述吸声超材料单元组成阵列；

其中，所述吸声超材料单元包括自上而下设置的微穿孔板、双螺旋卷曲结构及背板，所述双螺旋卷曲结构包括隔板，所述隔板按照双螺旋形式设置，且形成了双螺旋卷曲空间；所述双螺旋卷曲空间包括螺旋状的第一声通道及第二声通道；所述微穿孔板开设有两个微孔，两个所述微孔分别与所述第一声通道及所述第二声通道相连通。

进一步地，所述第一声通道的形状与所述第二声通道的形状相同，且所述第一声通道及所述第二声通道的曲折度n均大于等于3。

进一步地，所述吸声超材料单元为正方形，其边长a为20mm～200mm，厚度t为0.2mm～2mm。

进一步地，两个所述微孔的直径分别为d₁和d₂，且取值范围均为0.2mm～5mm。

进一步地，所述第一声通道及所述第二声通道的宽度分别为w₁及w₂，且取值范围均为2mm～30mm，同时满足如下关系d₁≤w₁，d₂≤w₂，([n/2]+1)×(w1+w2)+(2×[n/2]+3)×b＝a，其中[n/2]表示取n/2的整数部分；n为第一声通道的曲折度。

进一步地，所述第一声通道的深度与所述第二声通道的深度相同，所述第一声通道的深度D的最小取值应大于等于2mm，最大取值小于等于工作波长的1/100。

进一步地，所述隔板的厚度b的取值范围为0.5mm～3mm。

进一步地，所述背板的厚度为1mm～5mm。

按照本发明的另一个方面，提供了一种如上所述的具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料的制备方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料及其制备方法主要具有以下有益效果：

1.所述双螺旋卷曲空间包括两个螺旋状的声通道，微穿孔板的两个微孔分别与两个声通道相连通，每个微孔与对应的声通道对应一个吸收峰，当声波从微穿孔板一侧射向所述声学超材料时，两个声通道相互影响，配合预定的尺寸参数可以有效扩宽吸声频率范围，达到更为理想的吸声效果。

2.吸声超材料将两个不同取向的卷曲空间声通道相互耦合，当改变吸声超材料的各项尺寸参数时，可以获得不同的吸声效果，且不同声通道的宽度是不用限制为相等的，可以通过不同尺寸的配合达到远优于单螺旋卷曲空间超材料的吸声效果。

3.在同样的尺寸限制下，传统的单螺旋卷曲空间微穿孔板吸声超材料只有一个声通道，只能获得单一的共振吸收峰，双螺旋卷曲空间可以使得具有不同吸声效果的声通道耦合在更小的空间之内，获得两个共振吸收峰，从而拓宽其吸声频率范围。

4.设置吸声超材料的各个尺寸在合适的范围内，继而使得吸声超材料的声阻与空气相等，声抗为0，以获得最佳的吸声效果。

附图说明

图1是本发明提供的具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料的结构示意图；

图2中的(a)、(b)、(c)分别是图1中的具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料沿不同角度的示意图；

图2中的(d)是图1中的具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料的剖视图；

图3中的是(a)、(b)、(c)分别是图1中的具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料不同微孔的位置布置示意图；

图4中的(a)、(b)分别是图1中的具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料的吸声系数随频率的变化曲线。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-微穿孔板，2-双螺旋卷曲结构，3-背板，4-微孔，5-第一声通道，6-隔板，7-第二声通道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供的具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料，所述吸声超材料是针对传统吸声材料在低频范围内吸声效率低、吸声频率过窄的问题，其将两个具有不同吸声频率范围的微穿孔板、卷曲空间吸声体以双螺旋的方式相互耦合在一起，可以取得比普通的阵列组合方式更好的吸声效果和更宽的吸声频率范围，可以在一定频率范围内实现接近100％的完美吸声效果，同时相较于传统单螺旋卷曲空间吸声超材料获取相同的吸声频率所需尺寸更小，更容易满足实际的应用。

本实施方式中，在一个双螺旋取向的卷曲空间吸声超材料单元中，两个微孔分别对应一个卷曲空间声通道；当声波从微穿孔板1的一侧射向所述吸声超材料时，由于流动边界层及热边界层厚度相较于微孔的孔径不可以忽略，因此在微孔内部压力声学的理论计算会出现较大误差，应当使用热粘性声学理论来进行分析，同时微孔的孔径相较于声波波长是可以忽略不计的，声波射向吸声超材料时可以认为是平面波，利用热粘性声学的基本理论可以得到微孔的声阻抗。声波在微穿孔板1上略过时会产生额外的声阻，微孔声波在向外辐射时会产生额外的声抗，经过修正可以得到微穿孔板的声阻抗，因此可以认为微穿孔板提供了一个声阻和一个声质量，通过精心设置其尺寸参数，可以使声阻等于空气的特性阻抗；卷曲空间声通道可以等效为一个声质量，其的声阻抗可以利用阻抗转移公式获得，继而可以求得真个吸声超材料单元的声阻抗，在声硬场边界条件下，所述吸声超材料的声阻抗只与其形状及尺寸参数相关，通过精细的尺寸调节，可以使其与微穿孔板的声质量的相互耦合抵消；背板可以有效防止声波的泄漏。最终，得到一个声阻在一定频率范围内与空气特性阻抗相等而声抗为0的声学超材料，从而可以达到接近100％的共振吸声效果。由于每一个微孔与声通道都具有一个特定的共振吸声频率，通过精确设计其尺寸参数，可以使双螺旋卷曲空间声通道相互耦合，实现了拓宽吸声频率范围的效果。

所述吸声超材料包括多个吸声超材料单元，多个所述吸声超材料单元组成阵列，且每个单元的尺寸参数可以互不相同。所述吸声超材料单元包括自上而下设置的微穿孔板1、双螺旋卷曲结构2及背板3，所述双螺旋卷曲结构2包括隔板6，所述隔板6按照双螺旋形式设置，且形成了双螺旋卷曲空间，所述双螺旋卷曲空间包括螺旋状的第一声通道5及第二声通道7，所述第一声通道5与所述第二声通道7的形状相同。

本实施方式中，所述第一声通道5及所述第二声通道7的曲折度(即声通道的弯折次数)n为6，其是可以根据实际需要进行调节的，取值应满足n≥3，且n为正整数；所述第一声通道5及所述第二声通道7的宽度分别为w₁、w₂，取值范围为2～30mm，且满足如下关系：d₁≤w₁，d₂≤w₂，([n/2]+1)×(w1+w2)+(2×[n/2]+3)×b＝a，其中[n/2]表示取n/2的整数部分；声通道的深度为D，最小取值应不小于2mm，最大取值应不大于工作波长的1/100；所述隔板6的厚度b的取值范围为0.5～3mm。

所述微穿孔板1上形成有两个微孔4，两个所述微孔4分别与所述第一声通道5及所述第二声通道7相连通。请参阅图3，所述微孔4与声通道的对应方式有三种，不同的对应方式可以取得不同的吸声效果。

所述微穿孔板1为正方形，其边长为a，取值范围为20～200mm，厚度为t，取值范围为0.2～2mm；两个所述微孔4的直径分别为d₁和d₂，取值范围为0.2～5mm；所述背板3为正方形实心薄板，可以起到防止声波溢出的作用，其厚度为h，取值范围为1～5mm。

所述吸声超材料选用的材料的阻抗应与空气相差较大，可以将材料表面视为硬边界，不同部分可以采用相同材料也可以采用不同材料，当声波入射到材料表面时会发生全反射，吸声效果完全是由结构所引起的。

如上所述的具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料是采用增材制造技术制备而成的。

以下以具体实施例来对本发明进行进一步的说明。

实施例1

本发明所提出的吸声超材料的尺寸参数众多，根据吸声理论，有些参数(如隔板厚度、背板厚度等)对吸声效果的影响较小，有些参数(如孔径，声通道尺寸等)的影响较大。对于影响较小的参数，需要先将其固定；对于影响较大的参数，也需要先固定一些参数，进而达到较为理想的吸声效果。以下为具体设计步骤：

(1)首先确定对吸声效果影响较小的参数值：取声通道间的隔板厚度b为1mm，背板厚度h为2mm。

(2)确定对吸声效果影响较大的参数值，并保留一个作为调节参数：取吸声超材料单元边长a为100mm，声通道厚度D为10mm，微穿孔板厚度t为0.2mm，微孔孔径d₁＝d₂＝2mm，声通道的曲折度n为6，保留声通道宽度w₁、w₂作为调节参数，由于w₁、w₂并不是独立变化的，一个值确定，另一个利用关系式([n/2]+1)×(w1+w2)+(2×[n/2]+3)×b＝a(其中[n/2]表示取n/2的整数部分)也随之确定。

(3)微孔与声通道间的配合方式取图3(a)，位于声通道的端部，与端部的三个内壁距离相等。

(4)采用UG三维绘图软件构建所设计的模型，用于实际制造时，直接构造微穿孔板、隔板及背板再进行布尔求和即可得到所设计的模型；用于模拟以验证其功能时，只需构造声通道部分的模型。由于后续需要进行模拟验证，因此该步骤为利用UG构造声通道部分模型。

(5)将UG构造的声通道模型导入到COMSOL Mutiphysics软件中，再添加微孔和背景声场部分，所构建模型的材料均为空气。设置好模拟参数，可以得到所设计吸声超材料的吸声曲线。图4(a)为w₁＝14.75mm，w₂＝8mm时的吸声系数曲线，可以看到，在150～600Hz范围内出现了两个吸收峰，且最大吸声系数均超过了0.7。改变参数w₁、w₂继续进行模拟，得到吸声系数曲线关于声通道宽度的数据库。

(6)取吸声效果最好的尺寸参数，按步骤(4)所述的方法构建吸声超材料模型并导出成三维STL模型，以光敏树脂为原料，利用光固化(Stereo lithography Apparatus，SLA)3D打印技术进行成形。

实施例2

(1)首先确定对吸声效果影响较小的参数值：取声通道间的隔板厚度b为1mm，背板厚度h为2mm。

(2)确定对吸声效果影响较大的参数值，并保留一个作为调节参数：取吸声超材料单元边长a为100mm，声通道厚度D为10mm，穿孔板厚度t为0.2mm，声通道的曲折度n为6，声通道宽度w₁＝14.75mm，w₂＝8mm，保留微孔孔径d₁、d₂作为调节参数。

(3)微孔与声通道间的配合方式取图3(c)，位于声通道的端部，与端部的三个内壁距离相等。

(4)采用UG 10.0三维绘图软件构建所设计的模型，用于实际制造时，直接构造微穿孔板、隔板及背板再进行布尔求和即可得到所设计的模型；用于模拟以验证其功能时，只需构造声通道部分的模型。由于后续需要进行模拟验证，因此该步骤为利用UG构造声通道部分模型。

(5)将UG构造的声通道模型导入到COMSOL Mutiphysics软件中，再添加微孔和背景声场部分，所构建模型的材料均为空气。设置好模拟参数，可以得到所设计吸声超材料的吸声曲线。图4(b)为d₁＝3mm，d₂＝2mm时的吸声系数曲线，可以看到，在100～600Hz范围内出现了四个吸收峰，且最大吸声系数均超过了0.6，其中两个吸收峰的吸声系数均超过0.8。改变参数d₁、d₂继续进行模拟，得到吸声系数曲线关于声通道宽度的数据库。

(6)取吸声效果最好的尺寸参数，按步骤(4)所述的方法构建吸声超材料模型并导出成三维STL模型，选用PLA为原料，利用FDM(Fused Deposition Modeling，FDM)3D打印技术进行成形制造。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料，其特征在于：

所述吸声超材料包括多个吸声超材料单元，多个所述吸声超材料单元组成阵列；

其中，所述吸声超材料单元包括自上而下设置的微穿孔板、双螺旋卷曲结构及背板，所述双螺旋卷曲结构包括隔板，所述隔板按照双螺旋形式设置，且形成了双螺旋卷曲空间；所述双螺旋卷曲空间包括螺旋状的第一声通道及第二声通道；所述微穿孔板开设有两个微孔，两个所述微孔分别与所述第一声通道及所述第二声通道相连通；

所述吸声超材料单元为正方形，其边长a为20mm～200mm，厚度t为0.2mm～2mm；两个所述微孔的直径分别为d₁和d₂，且取值范围均为0.2mm～5mm；所述第一声通道及所述第二声通道的宽度分别为w₁及w₂，且取值范围均为2mm～30mm，同时满足如下关系d₁≤w₁，d₂≤w₂，([n/2]+1)×(w1+w2)+(2×[n/2]+3)×b＝a，其中[n/2]表示取n/2的整数部分；n为第一声通道的曲折度；所述第一声通道的深度与所述第二声通道的深度相同，所述第一声通道的深度D的最小取值应大于等于2mm，最大取值小于等于工作波长的1/100；所述隔板的厚度b的取值范围为0.5mm～3mm；所述背板的厚度为1mm～5mm。

2.如权利要求1所述的具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料，其特征在于：所述第一声通道的形状及所述第二声通道的形状相同，且所述第一声通道及所述第二声通道的曲折度n均大于等于3。

3.一种具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1-2任一项所述的具有双螺旋卷曲空间的吸声超材料。