CN112331171A - 一种超轻质的低频降噪薄膜超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及降噪结构领域，具体涉及一种超轻质的低频降噪薄膜超材料，包括纯聚酰亚胺膜、附着在纯聚酰亚胺膜上的一字型铝合金振子和中心十字振子以及设置在纯聚酰亚胺膜的外圆周的乙烯乙酸乙烯酯共聚物圆环，所述中心十字振子的中心点与纯聚酰亚胺膜的中心点重合，一字型铝合金振子对称设置在中心十字振子的四周。本发明的降噪结构不仅有较高的降噪效能，而且可以实现结构的超轻型、小型化要求。
Description
技术领域
本发明涉及降噪结构领域，具体涉及一种超轻质的低频降噪薄膜超材料。
背景技术
随着现代工业的发展，噪声污染已成为主要的环境污染之一，对人们的健康有着严重影响，控制噪声、保护环境已然成为人们的共识。与此同时，新型降噪材料与不同的噪声控制技术也已经被广泛应用于汽车、家居、航空航天等环境的噪声治理中。降噪原理的本质在于对声波的阻隔及能量的吸收。基于物理学的质量密度定律，声波的衰减情况与隔声结构的厚度、质量、以及噪声的频率成正相关。
目前，高频降噪技术已相对成熟，但由于低频声波波长较长，对其有效控制仍是一个颇具挑战性的难题。针对低频噪声，常规的降噪方法大多采用增大降噪结构的尺寸或增加质量来提高声波的阻隔效果。然而，这类传统的低频隔音屏障已很难满足发展的需要。因此，追求质轻体薄的降噪结构，实现低频噪声的有效控制，是隔声降噪领域亟需解决的关键问题之一。
基于局部共振型的声学超材料，可通过小尺寸结构实现低频域声波的禁带效应，从而有效阻止低频声波的传播，为低频降噪领域开辟了新的道路。作为局部共振型超材料的一种，薄膜声学超材料具有尤为优异的声反射与吸收性能，同时具备薄而轻的特质，这与低频降噪所追求的材料性质不谋而合。然而，针对薄膜声学超材料的研究仍存在以下一些局限：
(1)传统声学超材料的反共振模态是在宽频率范围内间歇产生的，这会造成反共振模态的不连续性，也是声透射损失带宽在低频区域通常较窄的主要原因。
(2)现有的声学超材料或多或少都有制约其应用研究的薄弱环节，如大、重结构、刚性框架、膜材料(橡胶)快速老化、膜张力不稳定、附加重质共振器以及复杂的结构等。
发明内容
为解决上述问题，本发明通过在薄膜超材料中心振子四周均布小型振子，改善结构的降噪性能，并参考自然界蛛网构型，提供了一种超轻质的低频降噪薄膜超材料，不仅有较高的降噪效能，而且可以实现结构的轻质化、小型化要求。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种超轻质的低频降噪薄膜超材料，包括纯聚酰亚胺(PI)膜、附着在纯聚酰亚胺(PI)膜上的一字型铝合金振子和中心十字振子以及设置在纯聚酰亚胺(PI)膜的外圆周的乙烯乙酸乙烯酯共聚物(EVA)圆环，所述中心十字振子的中心点与纯聚酰亚胺膜(PI)的中心点重合，一字型铝合金振子对称设置在中心十字振子的四周。
进一步地，所述纯聚酰亚胺(PI)膜的厚度为0.2mm。
进一步地，所述一字型铝合金振子的长、宽、高分别为13mm、4mm、1.8mm。
进一步地，所述乙烯乙酸乙烯酯共聚物(EVA)圆环的厚度为2mm、外径为100mm、宽度为5mm。
进一步地，所述中心十字振子由Elast-blk-10制成。
进一步地，所述一字型铝合金振子的数量为2组，分别对称设置在中心十字振子横边和竖边之间的外侧。
进一步地，所述一字型铝合金振子、中心十字振子和乙烯乙酸乙烯酯共聚物(EVA)圆环均通过胶水与纯聚酰亚胺(PI)膜粘结。
本发明具有以下有益效果：
本发明的降噪结构不仅有较高的降噪效能，而且可以实现结构的轻质化、小型化要求。
本发明的降噪结构能产生连续的多级反共振模态，以此来实现提高结构声透射损失带宽和幅度的目的。
附图说明
图1为本发明实施例一种超轻质的低频降噪薄膜超材料的结构示意图。
图2为本发明实施例中一字型铝合金振子的结构示意图。
图3为本发明实施例中中心十字振子的结构示意图。
图4为本发明实施例模型与参考验证模型的STL曲线对比示意图。
图中：(a)频率为5-1600Hz；(b)频率为5-3000Hz。
图5为本发明模型STL曲线的仿真值与测量值对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-图3所示，本发明实施例提供了一种超轻质的低频降噪薄膜超材料，包括厚度为0.2mm的纯聚酰亚胺(PI)膜1、通过胶水粘结在纯聚酰亚胺(PI)膜上的一字型铝合金振子3和中心十字振子2以及通过胶水粘结设置在纯聚酰亚胺膜的外圆周的乙烯乙酸乙烯酯共聚物(EVA)圆环4，所述中心十字振子由Elast-blk-10制成，纵横长度为36mm，宽度为4mm，厚度为2mm，位于纯聚酰亚胺(PI)膜中心位置，其中心点与纯聚酰亚胺膜(PI)的中心点重合；所述一字型铝合金振子的长、宽、高分别为13mm、4mm、1.8mm，数量为2组，分别对称设置在中心十字振子横边和竖边之间的外侧，且以中心十字为中心实现对称；所述乙烯乙酸乙烯酯共聚物(EVA)圆环的厚度为2mm、外径为100mm、宽度为5mm。
本发明的材料参数如表1所示。
表1薄膜模型中结构以及材料参数
实验例
本实施例首先对模型进行仿真计算分析，然后采用3D打印的方法制造了框和EVA材料的振子，通过机械加工的方法制造了金属振子，PI膜选择了成品，最终将所有部件进行了粘合组装，并放入声阻抗管中进行测试。
测试方法
本实施例依据GB/T 27764-2011标准《声学阻抗管中传声损失的测量传递矩阵法》，使用声学阻抗管对设计的声学超材料模型进行了实验，给出了其声透射损失的测量值。实验采用固定位置的四传声器法对声学超材料试件进行测量，实验采样频率为0.78125Hz。测量频率范围与传声器之间的距离和阻抗管的直径有关。本文采用的声学阻抗管的直径为100mm，测量频率范围为80-1600Hz。
本实施例采用结构重量与STL声投射损失来(STL，sound transmission loss)来衡量结构的隔声性能与效率。其中，STL可以指声能透过结构时的能量损失，如公式1所示：
其中，Pin为入射声压，试验幅值设为1Pa，Pout为透射声压，透射声能Eτ与入射声能E0的比值即为声能透射系数τ。< >和| |分别为参数的平均值和模量。
选取参考文献《Broadband low-frequency membrane-type acousticmetamaterials with multi-state anti-resonances》中的模型作为对比模型，进行对比测试。测试结果如图4所示：
如图4(a)所示，根据本发明实施例模型的STL曲线的数据，仿真计算的第一个低频STL带宽在55Hz至750Hz之间(STL带宽为695Hz)，在440Hz处的STL峰值为45.37dB。
如图4(b)所示，在3000Hz内STL值大于10dB的频段有5-15Hz，155-680Hz，810hz-1005Hz，1060hz-1130Hz，1390Hz-1985Hz，1995Hz-2005Hz，2080Hz-2290Hz，2365hz-3000Hz，共计STL值大于10dB总带宽为2250Hz。其中在1600Hz内大于10dB的总带宽为1010Hz。
本发明模型与参考文献验证模型相比，前两个低频峰的STL曲线的走向几乎相同，在第一个低频STL带宽(参考验证模型为695Hz)也与之完全相同。在之后的STL峰虽然逐渐出现了偏差，但是在3000Hz内STL值大于10dB总带宽(参考验证模型为2340Hz)是相近的，因此整体上本发明模型与参考文献验证模型的降噪性能也差别不大。
而本发明模型的振子质量仅为参考验证模型金属圆片振子的52.78％，这说明本发明模型在具有更轻的振子的同时得到了与参考验证模型基本相同的仿真计算结果。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种超轻质的低频降噪薄膜超材料，其特征在于：包括纯聚酰亚胺膜、附着在纯聚酰亚胺膜上的一字型铝合金振子和中心十字振子以及设置在纯聚酰亚胺膜的外圆周的乙烯乙酸乙烯酯共聚物圆环，所述中心十字振子的中心点与纯聚酰亚胺膜的中心点重合，一字型铝合金振子对称设置在中心十字振子的四周。
2.如权利要求1所述的一种超轻质的低频降噪薄膜超材料，其特征在于：所述纯聚酰亚胺膜的厚度为0.2mm。
3.如权利要求1所述的一种超轻质的低频降噪薄膜超材料，其特征在于：所述一字型铝合金振子的长、宽、高分别为13mm、4mm、1.8mm。
4.如权利要求1所述的一种超轻质的低频降噪薄膜超材料，其特征在于：所述乙烯乙酸乙烯酯共聚物圆环的厚度为2mm、外径为100mm、宽度为5mm。
5.如权利要求1所述的一种超轻质的低频降噪薄膜超材料，其特征在于：所述中心十字振子由Elast-blk-10制成。
6.如权利要求1所述的一种超轻质的低频降噪薄膜超材料，其特征在于：所述一字型铝合金振子的数量为2组，分别对称设置在中心十字振子横边和竖边之间的外侧，且以中心十字为中心实现对称。
7.如权利要求1所述的一种超轻质的低频降噪薄膜超材料，其特征在于：所述一字型铝合金振子、中心十字振子和乙烯乙酸乙烯酯共聚物圆环均通过胶水与纯聚酰亚胺膜粘结。
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