CN113129860A - 泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料及其制备方法，该声学超材料包括泡沫铝质的基体和设置于基体内并位于基体一侧的亥姆霍兹共振器，亥姆霍兹共振器的颈部延伸至所述基体的表面。采用渗流铸造法制备：S1，在模具中用水溶性的第一占位体铺设第一占位体层；S2，铺设水溶性的实心的亥姆霍兹共振器占位体；S3，在颈部周围铺设所述第一占位体；S4，将熔融的铝液通过加压的方式自上而下压入模具中，冷却后取出样品，用水去除样品中的第一占位体和亥姆霍兹共振器占位体，得到所述泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料。本发明的声学超材料耦合了泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器，其结构简单、性能优异，并且易于制备，能够很好的运用于实际中。
Description
技术领域
本发明属于声学领域，具体涉及泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料及其制备方法。
背景技术
目前，噪声污染是当今主要环境污染之一。但1000Hz以下的低频噪声，由于波长较长，难以在传播中衰减，又因质量定律的限制，传统的吸声材料难以对其进行有效地隔离、吸收，造成吸声系数偏低、吸声频带范围较窄的现象。而声学超材料以其独特的性能，能够大幅度提高基体的吸声性能及吸声频带范围，但现有的声学超材料存在结构复杂，实际制备难度高，加工工艺复杂。现有的声学超材料模型由于其设计理念复杂，组合结构复杂等因素导致很难制备实体结构而限制其在吸声降噪领域的应用。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料及其制备方法，本发明的声学超材料耦合了泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器，其结构简单、性能优异，并且易于制备，能够很好的运用于实际中。
本发明采用的技术方案如下：
泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料，包括基体和设置于基体内并位于基体一侧的亥姆霍兹共振器，亥姆霍兹共振器的颈部延伸至所述基体的表面，所述基体为泡沫铝质的基体。
优选的，亥姆霍兹共振器的空腔的直径为2.9～3.1mm，亥姆霍兹共振器的颈口直径为0.9～1.1mm，亥姆霍兹共振器的颈部的长度为1.9～2.1mm，基体的孔隙率为78.12％～92.15％，泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料的总厚度为8.9～11.5mm。
优选的，所述基体上均匀分布多个所述亥姆霍兹共振器。
优选的，亥姆霍兹共振器的颈部垂直于基体的表面。
优选的，所述泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料吸声系数为0.8～1.0。
制备本发明如上所述泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料的方法，包括如下过程：
采用渗流铸造法制备所述泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料；
渗流铸造的过程包括如下步骤：
S1，在模具中用水溶性的第一占位体铺设第一占位体层；
S2，在第一占位体层上面铺设水溶性的实心的亥姆霍兹共振器占位体；
S3，在亥姆霍兹共振器占位体的颈部周围铺设所述第一占位体；
S4，将熔融的铝液通过加压的方式自上而下压入模具中，冷却后取出样品，用水去除样品中的第一占位体和亥姆霍兹共振器占位体，得到所述泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料。
优选的，第一占位体采用氧化钠、氯化钠、氯化钙和硫酸钙中的一种；亥姆霍兹共振器占位体采用氧化钠、氯化钠、氯化钙和硫酸钙中的一种。
优选的，所述方法还包括对第一占位体和亥姆霍兹共振器占位体的预处理过程，预处理过程包括使第一占位体和亥姆霍兹共振器占位体中的自由水和/或结晶水去除的过程；
将经过所述预处理后的第一占位体和亥姆霍兹共振器占位体用于渗流铸造的过程。
优选的，亥姆霍兹共振器占位体采用氯化钠和氯化钙制备而成，其中氯化钠质量含量为44.95％～45.12％，氯化钙质量含量为54.88％～55.05％；
泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料吸声系数α如下：
其中，x为氯化钠的质量含量百分比，y为氯化钙的质量含量百分比，r为亥姆霍兹共振器空腔的直径，r1为亥姆霍兹共振器颈部直径，l为亥姆霍兹共振器颈部长度。
优选的，泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料吸声系数α满足如下关系：
其中，d1为第一占位体层的厚度，d2为亥姆霍兹共振器的高度，
为第一占位体的体积。
本发明具有如下有益效果：
本发明的泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料既具有亥姆霍兹共振器结构，又有泡沫铝的结构，因此具有良好的吸声效果以及较小的密度，同时由于设置了亥姆霍兹共振器，利用其吸声的优势，相对于单一的泡沫铝吸声结构，能够大大降低整体的厚度。
本发明泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料的制备方法中，采用渗流铸造法制备，其制备过程简单，能够制备出复杂的形状以及预设孔隙率、预设尺寸亥姆霍兹共振器的声学超材料；同时，第一占位体和亥姆霍兹共振器占位体均是水溶性的，因此在渗流铸造完成后，可通过水洗的方式将第一占位体和亥姆霍兹共振器占位体去除，释放出被占空间，从而得到最终的泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料。
附图说明
图1为本发明中采用渗流铸造工艺方法示意图；
图2(a)为本发明中模具中填料粒子所形成占位体的示意图；图2(b)为本发明声学超材料的结构示意图；
图3为本发明采用的加压渗流铸造法原理图；
图4为本发明实施例中吸声超材料的低频吸声系数曲线图；
图5为本发明实施例1中吸声超材料的中高频吸声系数曲线图；
图6为本发明实施例1中吸声超材料与泡沫铝在低频时吸声系数对比图；
图7为本发明实施例1中吸声超材料与泡沫铝在中高频时吸声系数对比图；
图8为本发明实施例2中孔隙率和亥姆霍兹共振器占位体中吸声超材料与泡沫铝在低频时吸声系数对比图；
图9为本发明实施例3中孔隙率和亥姆霍兹共振器占位体中吸声超材料与泡沫铝在低频时吸声系数对比图；。
图中，1-占位体，2-金属，3-孔隙，4-氯化钠和氯化钙填料粒子，5-氧化钠填料粒子，6-压头，7-溶液，8-粒子层，9-亥姆霍兹共振器，10-泡沫铝。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
本发明采用一种新型的金属基多孔功能性材料泡沫铝作为基体材料，设计了一种泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料。特定的亥姆霍兹共振器排列和传播通道可以在共振频率附近实现负弹性模量，从而与泡沫铝基体形成吸声超材料，提高泡沫铝基体在低频时的吸声性能及吸声频带范围。该声学超材料容易加工，结构简单，使用寿命长，对使用环境要求低，并且性能优异，可以很好的运用于实际生活中。
具体的，本发明制备所述泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料的过程包括如下步骤：
步骤1：制备所需的占位体，以图2(a)和图2(b)所示，由于该声学超材料下层为正常的泡沫结构，上层为具有亥姆霍兹共振器的结构。采用渗流铸造法制备，在制备所需的占位体时，采用氧化钠、氯化钠、氯化钙和硫酸钙中的一种或几种的混合填料粒子作为占位体。下层采用氧化钠作为填料粒子，在制备前需要对氧化钠其进行预处理，氧化纳易溶于水并且氧化钠粒子在加热过程中容易爆裂产生碎末阻碍铝液正常进入，因此需要对氧化钠粒子进行去除结晶水处理以及预热处理。将处理好的氧化钠粒子铺入模具中，形成占位体，占位体所占的比例即泡沫铝孔隙率。上层采用氯化钠和氯化钙作为填料粒子，制备成特定的实心亥姆霍兹共振器结构(即亥姆霍兹共振器占位体)铺到上层，铺设时使亥姆霍兹共振器占位体颈部竖直朝上设置。亥姆霍兹共振器各颈口之间的空隙用氧化钠粒子铺满，制成与下层一致的占位体。工艺方法如图1所示。料粒子在模具中形成的占位体如图2(a)所示；
步骤2：选取合适的结构参数，采用量纲分析的方法构建泡沫铝厚度d1，亥姆霍兹共振器层厚度d2以及泡沫铝孔隙率与泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料在500Hz下的吸声系数α之间的数学关系式，如下式所示。
当要满足吸声系数在0.8～1.0之间时，孔隙率应在78.12％～92.15％之间，下层的泡沫铝厚度在4.1～6.3mm之间，上层的亥姆霍兹共振器层厚度在4.9～5.2mm之间。
步骤3：亥姆霍兹共振器层的制备，填料粒子制备亥姆霍兹共振器层时，泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料在500Hz下的吸声系数α应满足如下经验公式：
其中α为吸声系数，x为氯化钠质量含量百分比，y为氯化钙质量含量百分比，r为亥姆霍兹共振器空腔的直径，r1为亥姆霍兹共振器颈部直径，l为亥姆霍兹共振器颈部长度。要满足吸声系数在0.8～1.0之间时，填料粒子制备特定结构的亥姆霍兹共振器时，氯化钠质量含量在44.95％～45.12％之间，氯化钙质量含量在54.88％～55.05％之间，亥姆霍兹共振器空腔的直径应在2.9～3.1mm之间，亥姆霍兹共振器颈口直径应在0.9～1.1mm之间，亥姆霍兹共振器颈口长度应在1.9～2.1mm之间。
步骤4：制备声学超材料，采用加压渗流铸造法制备，其原理如图3所示。将熔融的铝液通过加压的方式自上而下压入模具中，待自然冷却后将样品从模具中取出置于流水中清洗，使内部的氧化钠粒子溶于水中从而得以去除，得到如图2(b)所示的泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料；
步骤5：对制备好的声学超材料进行处理，采用线切割的方法将该声学超材料切割成特定规格的圆柱体，如直径为30mm和高度为10mm的圆柱体和直径为100mm、高度为10mm的圆柱体。将切割好的试样在超声波清洗器中清洗6h，彻底去除表面以及空隙内部的杂质，清洗完成后将试样放入真空干燥箱内，在200℃下干燥6h，去除水分；
由上述可以看出，泡沫铝基体和亥姆霍兹共振器均为同一材料通过加压渗流的方法制备。泡沫铝基体和亥姆霍兹共振器为一体结构，而不是后期通过物理复合的方式结合在一起。该吸声超材料制备时，亥姆霍兹共振器层可以在上层也可以在下层，均为本发明所保护。本发明的吸声超材料采用单一的材料制备，所需设备简单，流程短，成本较低，并且无污染，节能环保，可回收；与传统吸声材料相比，其在低频时具有更好的吸声效果；密度低，质量轻；结构简单，便于运输，并且该声学超材料耐腐蚀，耐高温，可以在复杂的环境中得以运用。
实施例1
下面根据所切割的直径为100mm的试样，进行吸声系数的测量，对该案例进行说明：
本实施例泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料中，泡沫铝孔隙率为78.26％，即氧化钠粒子所占比例为78.26％，下层泡沫铝厚度为5mm，亥姆霍兹共振器空腔的直径为3mm，颈口直径为1mm，颈口长度为2mm，即亥姆霍兹共振器层厚度为5mm；亥姆霍兹共振器对应的占位体中氯化钠质量含量为45％、氯化钙质量含量为55％。
采用加压渗流铸造法制备该声学超材料，将熔融的铝液通过加压的方式自上而下压入模具中，待自然冷却后将样品从模具中取出置于流水中清洗，使内部的填料粒子溶于水中从而得以去除，得到泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料；
采用线切割的方法将该声学超材料切割成直径100mm，厚度10mm的圆柱体。将切割好的试样在超声波清洗器中清洗6h，彻底去除表面以及空隙内部的杂质，清洗完成后将试样放入真空干燥箱内，在200℃下干燥6h，去除水分；
吸声系数测量，采用驻波管法测量直径为100mm的试样在低频时的吸声系数和直径为30mm的试样在中高频时的吸声系数并绘制如图4和图5所示的吸声系数曲线图，并与相同孔隙率的泡沫铝的吸声系数和吸声频带范围进行对比，如图6和图7所示发现1000Hz以下时吸声系数显著提高，均在0.8以上，并且显著拓宽了吸声频带范围，并且1000Hz以上的吸声系数和吸声频带范围也得到相应的改善。
实施例2
本实施例泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料中，泡沫铝孔隙率低于所选频率范围下限值，为75.21％，即氧化钠粒子所占比例为75.21％，下层泡沫铝厚度为5mm，亥姆霍兹共振器空腔的直径为3mm，颈口直径为1mm，颈口长度为2mm，即亥姆霍兹共振器层厚度为5mm；亥姆霍兹共振器对应的占位体中氯化钠质量含量低于所选频率范围下限值，为42％、氯化钙质量含量为58％。
采用加压渗流铸造法制备该声学超材料，将熔融的铝液通过加压的方式自上而下压入模具中，待自然冷却后将样品从模具中取出置于流水中清洗，使内部的填料粒子溶于水中从而得以去除，得到泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料；
采用线切割的方法将该声学超材料切割成直径100mm，厚度10mm的圆柱体。将切割好的试样在超声波清洗器中清洗6h，彻底去除表面以及空隙内部的杂质，清洗完成后将试样放入真空干燥箱内，在200℃下干燥6h，去除水分；
吸声系数测量，采用驻波管法测量直径为100mm的试样在低频时的吸声系数并与相同孔隙率的泡沫铝的吸声系数和吸声频带范围进行对比，绘制如图8所示的吸声系数曲线图，发现1000Hz以下时吸声系数与相同孔隙率的泡沫铝的吸声系数相差较小，在一些频率下吸声系数反而降低。
实施例3
本实施例泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料中，泡沫铝孔隙率高于所选频率范围上限值，为93.32％，即氧化钠粒子所占比例为93.32％，下层泡沫铝厚度为5mm，亥姆霍兹共振器空腔的直径为3mm，颈口直径为1mm，颈口长度为2mm，即亥姆霍兹共振器层厚度为5mm；亥姆霍兹共振器对应的占位体中氯化钠质量含量高于所选频率范围上限值，为46％、氯化钙质量含量为54％。
采用加压渗流铸造法制备该声学超材料，将熔融的铝液通过加压的方式自上而下压入模具中，待自然冷却后将样品从模具中取出置于流水中清洗，使内部的填料粒子溶于水中从而得以去除，得到泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料；
采用线切割的方法将该声学超材料切割成直径100mm，厚度10mm的圆柱体。将切割好的试样在超声波清洗器中清洗6h，彻底去除表面以及空隙内部的杂质，清洗完成后将试样放入真空干燥箱内，在200℃下干燥6h，去除水分；
吸声系数测量，采用驻波管法测量直径为100mm的试样在低频时的吸声系数并与相同孔隙率的泡沫铝的吸声系数和吸声频带范围进行对比，绘制如图9所示的吸声系数曲线图，发现1000Hz以下时吸声系数与相同孔隙率的泡沫铝的吸声系数相比，虽然吸声系数有所提高，但相差不大。
由上述可以看出，本发明制备能够显著提高基体泡沫铝在低频时的吸声系数，在满足参数取值范围的前提下，频率在1000Hz以下时吸声系数均在0.8以上，最高达到0.993，并且显著拓宽了低频时吸声频带范围。结果表明本发明所制备的泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料具有优异的声学性能，可广泛应用于实际生活中。
Claims (10)
1.泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料，其特征在于，包括基体和设置于基体内并位于基体一侧的亥姆霍兹共振器(9)，亥姆霍兹共振器(9)的颈部延伸至所述基体的表面，所述基体为泡沫铝质的基体。
2.根据权利要求1所述的泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料，其特征在于，亥姆霍兹共振器(9)的空腔的直径为2.9～3.1mm，亥姆霍兹共振器(9)的颈口直径为0.9～1.1mm，亥姆霍兹共振器(9)的颈部的长度为1.9～2.1mm，基体的孔隙率为78.12％～92.15％，泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料的总厚度为8.9～11.5mm。
3.根据权利要求1所述的泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料，其特征在于，所述基体上均匀分布多个所述亥姆霍兹共振器(9)。
4.根据权利要求1所述的泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料，其特征在于，亥姆霍兹共振器(9)的颈部垂直于基体的表面。
5.根据权利要求1所述的泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料，其特征在于，所述泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料吸声系数为0.8～1.0。
6.制备权利要求1-5任意一项所述泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料的方法，其特征在于，包括如下过程：
采用渗流铸造法制备所述泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料；
渗流铸造的过程包括如下步骤：
S1，在模具中用水溶性的第一占位体铺设第一占位体层；
S2，在第一占位体层上面铺设水溶性的实心的亥姆霍兹共振器占位体；
S3，在亥姆霍兹共振器占位体的颈部周围铺设所述第一占位体；
S4，将熔融的铝液通过加压的方式自上而下压入模具中，冷却后取出样品，用水去除样品中的第一占位体和亥姆霍兹共振器占位体，得到所述泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第一占位体采用氧化钠、氯化钠、氯化钙和硫酸钙中的一种；亥姆霍兹共振器占位体采用氧化钠、氯化钠、氯化钙和硫酸钙中的一种。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括对第一占位体和亥姆霍兹共振器占位体的预处理过程，预处理过程包括使第一占位体和亥姆霍兹共振器占位体中的自由水和/或结晶水去除的过程；
将经过所述预处理后的第一占位体和亥姆霍兹共振器占位体用于渗流铸造的过程。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，亥姆霍兹共振器占位体采用氯化钠和氯化钙制备而成，其中氯化钠质量含量为44.95％～45.12％，氯化钙质量含量为54.88％～55.05％；
泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料吸声系数α如下：
其中，x为氯化钠的质量含量百分比，y为氯化钙的质量含量百分比，r为亥姆霍兹共振器空腔的直径，r1为亥姆霍兹共振器颈部直径，l为亥姆霍兹共振器颈部长度。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，泡沫铝耦合亥姆霍兹共振器的声学超材料吸声系数α满足如下关系：
其中，d1为第一占位体层的厚度，d2为亥姆霍兹共振器的高度，
为第一占位体的体积。
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