CN111916041B - 一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，该吸隔声结构的四个腔壁围合成截面为正方形的框壁，框壁的后方安装有穿孔板，前方安装有开孔框架，中间形成空腔，开孔框架内固定有薄膜，薄膜中心粘贴有质量块，薄膜为正六边形，质量块为实心圆柱结构，开孔框架的四角开四分之一圆孔。解决了现有的超材料结构在中高频段的吸声性能差问题的问题，提出一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，当薄膜单元的直径在一定范围内变化时，随着薄膜面积的增加，共振频率逐渐向高频方向移动，在全频域显现出优异的吸隔声性能，应用于船舶及其他领域隔声设计，改善人们的生活环境，具有良好的工程应用前景。

Description

一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构
技术领域
本发明涉及一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，属于吸隔声结构技术领域。
背景技术
伴随着现代工业和交通运输业的高速发展，以及人们对于环境保护意识的不断增强，噪声污染已经同空气污染和水污染一样，成为当前人类面临的三大污染问题之一。目前，噪声问题已经被列为“城市新公害”，为了更好地控制环境噪声污染问题，改善人们的生活和工作环境，世界各国在减振降噪方面都投入了大量的人力、物力，并制定了一系列的标准与法规。
常用的隔声材料主要分为多孔材料和共振结构两大类，多孔材料的孔隙尺寸与高频声波的波长接近，一般在高频范围内隔声效果好，对低频噪声隔声效果较差。由于其制造成本低，常用作空间吸声体、吸声尖劈等进行室内噪声控制，但不适用于高温高湿等恶劣环境，因为多孔材料在吸入大量水汽后隔声性能变差，同时细小的纤维脱落后会污染空气，对人体造成危害。共振结构主要分为薄膜共振结构、薄板共振结构和穿孔板共振结构。薄膜和薄板共振结构由于只引入了板后空腔的共振吸收，一般仅在共振频率附近极小的频率范围内隔声效果较好，因此其有效隔声频带一般很窄，通常只用作特定频率噪声的降噪。
相比多孔材料共振型结构在低频具有较好的隔声表现，但是其频带较窄，因而限制了其使用的范围。因此，改善共振型结构材料在中高频的隔声特性以及拓宽共振结构的低频带宽具有十分重要的意义。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术中提到的现有的超材料结构在中高频段的吸声性能差的问题，提出一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，应用于船舶及其他领域隔声设计，改善人们的生活环境，具有良好的工程应用前景。
本发明提出一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，包括穿孔板、质量块、薄膜、开孔框架和四个腔壁，四个腔壁围合成截面为正方形的框壁，所述框壁的后方安装有穿孔板，前方安装有开孔框架，中间形成空腔，所述开孔框架内固定有薄膜，所述薄膜中心粘贴有质量块，所述薄膜为正六边形，所述质量块为实心圆柱结构，所述开孔框架的四角开四分之一圆孔。
优选地，所述穿孔板为正方形，厚度为0.9mm-2mm，孔隙率5％-25％，穿孔直径2-5mm。
优选地，所述空腔为立方体形状，所述腔壁的材料为铝或铁，壁厚度为1mm-2mm。
优选地，所述质量块为金属材料，半径为2mm-3mm，高度为1.5mm-3mm，质量为150g-2000g。
优选地，所述薄膜由硅胶制成，其边长为20mm-40mm，厚度为0.2mm-1mm。
优选地，所述开孔框架为中间开六边形孔的刚性框架，为铝或其它轻质材料制造制成，其边长为40mm-80mm，厚度为2mm。
优选地，所述穿孔板的材料为铁或铝。
优选地，所述穿孔板的材料为木材或塑料。
优选地，所述穿孔板为金属材料时，其厚度为1mm-3mm，穿孔板1和开孔框架5之间的距离为10mm-30mm。
优选地，所述穿孔板为非金属材料时，其厚度为3mm-10mm，穿孔板1和开孔框架5之间的距离为40mm-100mm。
本发明所述的开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构的有益效果为：
本发明将薄膜-质量块结构固定在刚性框架内，声波由穿孔板通过空腔，经过穿孔板与开孔型超材料的声学耦合作用，既将声学超材料的隔声性能提高，同时显著增加开孔型超材料的隔声带宽。当薄膜单元的直径在一定范围内变化时，随着薄膜面积的增加，共振频率逐渐向高频方向移动，在全频域显现出优异的隔声性能，在中高频段的吸声性能良好。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明所述的一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构的立体结构示意图一；
图2为本发明所述的一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构的开孔型超材料的示意图；
图3为本发明所述的一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构的穿孔板示意图；
图4为本发明所述的一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构的立体结构示意图二；
其中，1-穿孔板、2-空腔、3-质量块、4-薄膜、5-开孔框架、6-腔壁。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-4说明本实施方式。本实施方式所述的开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，包括穿孔板1、质量块3、薄膜4、开孔框架5和四个腔壁6，四个腔壁6围合成截面为正方形的框壁，所述框壁的后方安装有穿孔板1，前方安装有开孔框架5，中间形成空腔2，所述开孔框架5内固定有薄膜4，所述薄膜4中心粘贴有质量块3，所述薄膜4为正六边形，所述质量块3为实心圆柱结构，所述开孔框架5的四角开四分之一圆孔。
所述穿孔板1为正方形，厚度为0.9mm-2mm，孔隙率5％-25％，穿孔直径2-5mm。
所述空腔2为立方体形状，所述腔壁6的材料为铝或铁，壁厚度为1mm-2mm。
所述质量块3为金属材料，半径为2mm-3mm，高度为1.5mm-3mm，质量为150g-2000g。
所述薄膜4由硅胶制成，其边长为20mm-40mm，厚度为0.2mm-1mm。
所述开孔框架5为中间开六边形孔的刚性框架，为铝或其它轻质材料制造制成，其边长为40mm-80mm，厚度为2mm。
开孔型超材料由薄膜4、质量块3和开孔框架5组成；其中，开孔框架5又分为上框架和下框架，在开孔框架5的四角开四分之一圆孔；质量块3用胶水固定于薄膜4的中心，再用上框架和下框架夹紧薄膜4，并用胶水固定好薄膜4，制成开孔型超材料。
所述空腔2为前后两端是正方形截面的立方体空腔结构。所述空腔2由包括铁，铝在内的金属材料制成。所述空腔2的截面形状与穿孔板1和框壁相同。所述空腔2的宽度等于穿孔板1和开孔型超材料之间的距离。开孔框架5的材料为铝或其它轻质材料。
本实施例中的薄膜4由硅胶制成；质量块3的材料为铁；开孔框架5的材料为铝；穿孔板1的材料为铁或铝。具体的材料参数为：铝[密度ρ＝2700kg/m3；弹性模量E＝7e10Pa；泊松比ν＝0.33]；铁[密度ρ＝7900kg/m3；弹性模量E＝2.12e10Pa；泊松比ν＝0.31]；硅胶[密度ρ＝970kg/m3；弹性模量E＝6e6Pa；泊松比ν＝0.47]。
所述的穿孔板由包括铁、铝在内的金属材料制成，或由包括木材、塑料在内的非金属材料制成。所述穿孔板1为金属材料时，其厚度为1mm-3mm，穿孔板1和开孔框架5之间的距离为10mm-30mm。所述穿孔板1为非金属材料时，其厚度为3mm-10mm，穿孔板1和开孔框架5之间的距离为40mm-100mm。所述的穿孔板1和开孔型超材料之间的距离、穿孔板的厚度和开孔孔径大小能够改变隔声峰值的频率和吸声带宽。
本发明提供了一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，将薄膜-质量块结构固定在开孔刚性开孔框架5内，声波由穿孔板1通过空腔2，经过穿孔板1与开孔型超材料的声学耦合作用，既将声学超材料的隔声性能提高，同时显著增加开孔型超材料的隔声带宽，显现出优异的隔声性能，以及的良好的中高频段的吸声性能。
本发明的原理是由于穿孔板的低频吸声效果较差，而共振结构在低频区域具有较好的隔声性能。因此，本发明结合二者的吸声特性，制备一种在全频域具有优良隔声性能的隔声装置。通过调节穿孔板以及开孔型超材料参数可以在一定范围内控制吸声峰值所在频率，同时显著增加开孔型超材料与穿孔板1复合隔声装置的隔声带宽；该隔声装置的各项参数均为常数，其隔声性能可由软件精确计算；穿孔板1可在一定程度上保护开孔型超材料结构。
根据本发明的上述特点，其可以应用于船舶及其他领域隔声设计，改善人们的生活环境，具有良好的工程应用前景。
本发明所述的一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构的制造方法为：
用开孔框架5固定好薄膜4，用胶水将质量块3固定于薄膜4中心；将穿孔板1和开孔型超材料的外壁固定在空腔内壁上，构成一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，不能作为本发明的全部范围，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，其特征在于，包括穿孔板(1)、质量块(3)、薄膜(4)、开孔框架(5)和四个腔壁(6)，四个腔壁(6)围合成截面为正方形的框壁，所述框壁的后方安装有穿孔板(1)，前方安装有开孔框架(5)，中间形成空腔(2)，所述开孔框架(5)内固定有薄膜(4)，所述薄膜(4)中心粘贴有质量块(3)，所述薄膜(4)为正六边形，所述质量块(3)为实心圆柱结构，所述开孔框架(5)的四角开四分之一圆孔；所述质量块(3)设置在朝向空腔(2)的薄膜(4)的内侧。
2.根据权利要求1所述的开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，其特征在于，所述穿孔板(1)为正方形，厚度为0.9mm-2mm，孔隙率5％-25％，穿孔直径2-5mm。
3.根据权利要求1所述的开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，其特征在于，所述空腔(2)为立方体形状，所述腔壁(6)的材料为铝或铁，壁厚度为1mm-2mm。
4.根据权利要求1所述的开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，其特征在于，所述质量块(3)为金属材料，半径为2mm-3mm，高度为1.5mm-3mm，质量为150g-2000g。
5.根据权利要求1所述的开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，其特征在于，所述薄膜(4)由硅胶制成，其边长为20mm-40mm，厚度为0.2mm-1mm。
6.根据权利要求1所述的开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，其特征在于，所述开孔框架(5)为中间开六边形孔的刚性框架，为铝或其它轻质材料制造制成，其边长为40mm-80mm，厚度为2mm。
7.根据权利要求1所述的开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，其特征在于，所述穿孔板(1)的材料为铁或铝。
8.根据权利要求1所述的开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，其特征在于，所述穿孔板(1)为金属材料时，其厚度为1mm-3mm，穿孔板(1)和开孔框架(5)之间的距离为10mm-30mm。
9.根据权利要求1所述的开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，其特征在于，所述穿孔板(1)的材料为木材或塑料。
10.根据权利要求1所述的开孔型超材料与穿孔板宽带吸隔声结构，其特征在于，所述穿孔板(1)为非金属材料时，其厚度为3mm-10mm，穿孔板(1)和开孔框架(5)之间的距离为40mm-100mm。
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