CN112349264B - 宽频声学材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽频声学材料，包括支撑部、表面工作部以及电学部，所述表面工作部包括多个工作单元，所述工作单元安装在支撑部上，所述电学部包括阻抗调节电路，所述支撑部包括框架以及板面，多个所述板面安装在框架上，每个所述工作单元包括前表面工作部以及后表面工作部，所述前表面工作部、后表面工作部分别安装在框架的两侧，所述前表面工作部中的第一功能部件、后表面工作部中的第二功能部件分别连接所述电学部，本发明通过电阻抗设计和机电耦合解决了现有的声学材料功能单一的问题，本发明结构简单灵活，能够适应多种应用场景的需求，如能量收集、减声降噪、声波调控等，实用性强。

Description

宽频声学材料

技术领域

本发明涉及声学材料领域，具体地，涉及一种宽频声学材料。

背景技术

噪声在生产和生活环境中广泛存在，吸声在室内声学和环境噪声消除中非常重要，在过去的一个世纪中，人们对其进行了广泛的研究和实践。其中双层声学超材料凭借与传声介质的声阻抗匹配，可以使声能无反射地进入结构并无透射地将入射声能完全吸收。声学材料按吸声机理分为两种，一是多孔材料，它们靠表面及内部许多细小的敞开孔道使声波衰减，以吸收中高频声波为主。另一类是靠共振作用吸声的材料，如膜状材料，板状材料和穿孔板等。

在人类的听力20Hz～20kHz的频率范围内，声音能量在介质(空气)中的耗散非常小。尤其是低频的声音，因为其波长特点，很难通过一般的材料和结构将其吸收。声学超材料由于其独特的单元结构，使在小尺寸范围下调节大尺寸(低频)声波成为可能。但对低频段而言，利用简单结构的共振型声学材料实现宽频吸声非常困难。当前，随着声学材料应用场景的复杂程度不断增加，亟需一种结构简单的宽频声学材料。

专利文献CN210940778U公开了一种用于隔离设备噪声的分层复合轻质声学材料，包括至少一层由周期性橡胶条组合结构构成的隔声骨架层。该隔声骨架层基于等效空气层的概念进行设计，但该设计仍然不能实现声音的全吸收效果。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种宽频声学材料。

根据本发明提供的一种宽频声学材料，包括支撑部、表面工作部以及电学部；

所述表面工作部包括多个工作单元，所述工作单元安装在所述支撑部上；

所述电学部连接所述表面工作部；

所述工作单元包括前表面工作部和/或后表面工作部。

优选地，所述支撑部包括框架以及板面，多个所述板面安装在框架上。

优选地，当所述工作单元包括前表面工作部以及后表面工作部时，所述前表面工作部、后表面工作部分别安装在框架的两侧；

当所述工作单元包括前表面工作部或后表面工作部时，所述框架采用封闭体且所述前表面工作部(21)或后表面工作部(22)安装在框架(11)的侧面。

优选地，所述前表面工作部包括第一薄片以及第一功能部件，所述第一薄片与板面之间形成第一容纳腔室，所述第一功能部件安装在第一薄片朝向第一容纳腔室的一侧；

所述后表面工作部包括第二薄片以及第二功能部件，所述第二薄片与板面之间形成第二容纳腔室，所述第二功能部件安装在第二薄片朝向第二容纳腔室的一侧；

其中，所述第一功能部件、第二功能部件分别连接所述电学部。

优选地，所述第一容纳腔室和第二容纳腔室内均能够填充气体、液体或固体材料；

所述气体包括空气，所述固体材料包括吸音棉。

优选地，所述前表面工作部还包括第一质量块，所述第一质量块安装在第一功能部件朝向板面的一侧；

所述后表面工作部还包括第二质量块，所述第二质量块安装在第二功能部件朝向板面的一侧。

优选地，所述第一功能部件、第二功能部件都采用机电换能材料，所述机电换能材料采用压电陶瓷、压电薄膜、电磁感应线圈中的任一种或任多种。

优选地，所述第一功能部件、第二功能部件分别通过导线或磁吸附电极连接所述电学部。

优选地，所述电学部包括阻抗调节电路，所述阻抗调节电路分别与所述前表面工作部、后表面工作部连接。

优选地，所述框架采用柔性材料或硬质材料；

当框架采用柔性材料时所述框架能够根据实际的应用场景进行弯曲设计；

当框架采用硬质材料时所述框架能够根据实际的应用场景设计成所需要的形状，包括球体以及长方体。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过电阻抗设计和机电耦合实现了宽频的吸声声学材料，解决了现有的声学材料功能单一的问题，且结构简单灵活，工作频带可控，能够适应多种应用场景的需求，实用性强。

2、本发明中的框架既可以采用柔性材料，可弯曲成任意形状，又可以采用硬质材料，当采用硬质材料时可先设计成所需要的形状，以满足实际产品的需求，同时，当框架形成封闭体时，前表面工作部和后表面工作部可保留一个，退化成为单面的简单的宽频吸声体，结构灵活多样，应用范围广泛。

3、本发明中的表面工作部可根据实际的应用场景灵活选择实际的数量、体积和工作单元的数量，以满足实际产品的需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的侧面结构示意图；

图3为本发明的立体结构爆炸示意图；

图4为工作单元的结构爆炸侧面示意图；

图5为在一个实施例中框架的几种立体结构示意图；

图6为多状态可切换声学材料的声阻抗理论模型示意图；

图7为第一功能部件和/或第二功能部件实施例中的材料坐标体系示意图；

图8为需要频段实现全吸收需要的电阻抗示意图；

图9为需要频段实现全吸收时实施例中一个优选的电路设计示意图；

图10为宽频全吸收的仿真结果示意图。

图中示出：

支撑部1 第一容纳腔室23 第二容纳腔室24

表面工作部2 第一薄片211 第二薄片221

电学部3 第一功能部件212 第二功能部件222

框架11 第一质量块213 第二质量块223

板面12 第一引线214 第二引线224

前表面工作部21 后表面工作部22

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种宽频声学材料，如图1、图2所示，包括支撑部1、表面工作部2以及电学部3，所述表面工作部2包括多个工作单元，所述工作单元安装在支撑部1上，所述支撑部1起结构支撑作用，所述电学部3包括阻抗调节电路，所述支撑部1包括框架11以及板面12，所述板面12安装在框架11上，优选地，所述板面12采用硬质板面且嵌入安装在框架11的内部。

具体地，如图1所示，在一个优选例中，所述工作单元包括前表面工作部21以及后表面工作部22，所述前表面工作部21、后表面工作部22分别安装在框架11的两侧，在一个变化例中，所述工作单元包括前表面工作部21或后表面工作部22，所述框架11采用封闭体，即所述前表面工作部21或后表面工作部22可以被省略，退化成为单面的简单的宽频吸声体。

进一步地，所述框架11能够采用柔性材料或硬质材料，当框架11采用柔性材料时所述框架11能够根据实际的应用场景进行弯曲变形成多种形状，以适应实际应用的需求。当框架11采用硬质材料时所述框架11能够根据实际的应用场景设计成所需要的形状，包括球体、长方体以及曲面，如图5所示，还可以根据需要设计为椭球体、棱柱体等，以满足实际应用场景的需求。

具体地，如图1、图3、图4所示，所述前表面工作部21包括第一薄片211、第一功能部件212，所述第一薄片211与板面12之间形成第一容纳腔室23，所述第一功能部件212安装在第一薄片211朝向第一容纳腔室23的一侧，所述后表面工作部22包括第二薄片221、第二功能部件222，所述第二薄片221与板面12之间形成第二容纳腔室24，所述第二功能部件222安装在第二薄片221朝向第二容纳腔室24的一侧，其中，所述第一功能部件212、第二功能部件222分别连接所述电学部3。所述第一容纳腔室23和第二容纳腔室24内均能够填充气体、液体或固体材料，所述气体例如采用空气，所述固体材料例如采用吸音棉

进一步地，所述第一功能部件212、第二功能部件222分别通过导线或磁吸附电极连接所述电学部3，在一个优选例中，所述第一功能部件212、第二功能部件222分别通过第一引线214、第二引线224连接所述电学部3。

具体地，如图1、图3、图4所示，在一个优选例中，所述前表面工作部21还包括第一质量块213，所述第一质量块213安装在第一功能部件212朝向板面12的一侧，所述后表面工作部22还包括第二质量块223，所述第二质量块223安装在第二功能部件222朝向板面12的一侧，第一质量块213、第二质量块223分别起到配重的作用。

具体地，如图1、图3所示，所述第一功能部件212、第二功能部件222都采用机电换能材料，所述机电换能材料采用压电陶瓷、压电薄膜、电磁感应线圈中的任一种或任多种。

具体地，如图3所示，所述电学部3包括阻抗调节电路，所述阻抗调节电路通过第一引线214连接前表面工作部21，通过第二引线224连接后表面工作部22，阻抗调节电路可以同时控制一个或多个表面工作部2。

本发明的工作原理如下：

如图1～图4所示，由于结构具有对称性，以前表面工作部、第一容纳腔室23 和板面12组成的单元为例说明本发明的工作原理。

定义第一薄片211朝向第一容纳腔室23的一侧为内侧，板面12朝向第一容纳腔室23的一侧为外侧，如图6所示，其中

表示左侧板面12外侧的表面声速，

表示左侧板面12外侧的表面声压，

表示左侧板面12内侧的表面声速，

表示左侧板面12内侧的表面声压，

表示右侧板面12内侧的表面声速，

表示右侧板面 12内侧的表面声压，

表示右侧板面12外侧的表面声速，

表示右侧板面12外侧的表面声压。用

分别表示左侧板面12、右侧板面12的声阻抗，则两个板面12两侧表面声速和声压的关系，可以用传递矩阵Ti(i＝1,2)表示：

板面为硬质结构，其声学阻抗近似为无穷大，即

将第一容纳腔室23的声阻抗

表示为集总参数的声阻抗：

其中k₀＝ω/c₀为波数，ω为入射声波的角频率，c₀为空气中的声速，d为第一容纳腔室23的厚度，j为虚数单位，Z₀为空气的声阻抗，第一容纳腔室23的传递矩阵T_c可表示为：

则所述单元结构的整体传递特性T可表示为：

其中，T₁为所述前表面工作单元的传递矩阵，T₂为板面12的传递矩阵，若第一容纳腔室23的厚度d远小于入射波长λ时，即d/λ＜1/100时，且板面12为硬质结构时，即，

则有：

τ＝0

其中，τ为透射系数，γ为反射系数，要使声能吸收系数α＝1，即实现声能的全吸收，需要满足τ＝0,γ＝0，将该条件带入式(5)，可得全吸收的声学条件，即，当且仅当：

时可以实现声能的全吸收。因此全吸收对第一薄片211的声阻抗要求为：

当第一功能部件212、第二功能部件222为压电材料时，在如图7所示的坐标体系下，第一功能部件等效的压电片机械阻抗

可表示为：

其中，K_oc表示压电片并联电路开路时压电片的模态刚度,k₃₁表示如图7中31 方向的机电耦合系数,

表示压电并联电路的总归一化电阻抗，用

表示第一薄片与第一质量的机械阻抗，则前表面工作部的总机械阻抗Z^M为：

加入表面工作部的声阻抗Z^A与其机械阻抗Z^M存在的关系，则前表面工作部的声阻抗可以表示为：

其中，K表示第一薄片211的模态刚度，M表示前表面工作部的模态质量，η表示第一薄片的机械阻尼，j为虚数单位，k₃₁表示如图7中31方向的机电耦合系数，ω为入射声波的角频率，

表示压电并联电路的总归一化电阻抗，K_oc表示压电片并联电路开路时压电片的模态刚度。至此，前表面工作部的声阻抗可以通过电学部 3中阻抗调节电路的电学阻抗来调控。

当压电并联电路的总电阻抗Z^E在一定频段内均满足声学模型的阻抗条件时，则在该频段内均满足全吸收条件，即实现宽频全吸收。经过算例推导，可以推算出在需要频段实现声能全吸收需要的电阻抗条件，如图8所示。

在一个具体地实施例中，经过阻抗调节电路的设计和阻抗拟合(电路形式不唯一)，如图9所示，当C₁＝0.10478μF，C₂＝-2.66μF，R₁＝-5×10¹⁵Ω，R₂＝1.2Ω， L₂＝-0.019H时，即可得到宽频的全吸收效果。图10所示是宽频全吸收的有限元仿真结果，其中A表示声能吸收系数，T表示声能透射系数，R表示声能反射系数，三者满足A+T+R＝1的能量守恒关系。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

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 (4)

1.一种宽频声学材料，其特征在于，包括支撑部（1）、表面工作部（2）以及电学部（3）；

所述表面工作部（2）包括多个工作单元，所述工作单元安装在所述支撑部（1）上；

所述电学部（3）连接所述表面工作部（2），所述支撑部（1）包括框架（11）以及板面（12），多个所述板面（12）安装在框架（11）上；

所述工作单元包括前表面工作部（21）和后表面工作部（22），所述前表面工作部（21）、后表面工作部（22）分别安装在框架（11）的两侧；

所述电学部（3）包括阻抗调节电路，所述阻抗调节电路分别与所述前表面工作部（21）、后表面工作部（22）连接；

所述的表面工作部（2）在所述的电学部（3）的阻抗控制下能够在不同模态下振动；

所述前表面工作部（21）包括第一薄片（211）以及第一功能部件（212），多个所述板面（12）包括左侧板以及右侧板，所述第一薄片（211）与左侧板之间形成第一容纳腔室（23），所述第一功能部件（212）安装在第一薄片（211）朝向第一容纳腔室（23）的一侧；

所述后表面工作部（22）包括第二薄片（221）以及第二功能部件（222），所述第二薄片（221）与右侧板之间形成第二容纳腔室（24），所述第二功能部件（222）安装在第二薄片（221）朝向第二容纳腔室（24）的一侧；

所述第一功能部件（212）、第二功能部件（222）分别通过导线或磁吸附电极连接所述电学部（3）；

所述前表面工作部（21）还包括第一质量块（213），所述第一质量块（213）安装在第一功能部件（212）朝向板面（12）的一侧；

所述后表面工作部（22）还包括第二质量块（223），所述第二质量块（223）安装在第二功能部件（222）朝向板面（12）的一侧。

2.根据权利要求1所述的宽频声学材料，其特征在于，所述第一容纳腔室（23）和第二容纳腔室（24）内均能够填充气体、液体或固体材料；

所述气体包括空气，所述固体材料包括吸音棉。

3.根据权利要求1所述的宽频声学材料，其特征在于，所述第一功能部件（212）、第二功能部件（222）都采用机电换能材料，所述机电换能材料采用压电陶瓷、压电薄膜、电磁感应线圈中的任一种或任多种。

4.根据权利要求1所述的宽频声学材料，其特征在于，所述框架（11）采用柔性材料或硬质材料；

当框架（11）采用柔性材料时所述框架（11）能够根据实际的应用场景进行弯曲设计；

当框架（11）采用硬质材料时所述框架（11）能够根据实际的应用场景设计成所需要的形状，包括球体以及长方体。

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