CN113823254B - 非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料 - Google Patents
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Abstract
本申请设计了一种非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料，包括至少一层声学超材料单元，所述声学超材料单元包括若干排列为M*N方阵的单元胞，每一单元胞均包括支撑框架、设于所述支撑框架内的薄膜、及设于所述薄膜上的质量块，每一质量块均设于薄膜的非中心区域，且每一质量块的质量均不同，其中，M、N为大于1的正整数。本申请的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料可有效阻止低频噪声的传播。
Description
技术领域
本申请涉及噪声控制技术领域，尤其涉及一种非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料。
背景技术
低频噪声具有传播距离远和透射能力强的特点。传统的隔声技术往往只能阻止中频噪声和高频噪声的传播，并不能有效阻止低频噪声的传播。
声学超材料具有负质量密度的特性，可于轻质条件下实现高效隔声。薄膜型声学超材料是一种常见的声学超材料。传统薄膜型声学超材料单元胞能在其反共振频率处能够近乎实现声波的全反射。传统薄膜型声学超材料单元胞包括支撑框架、位于支撑框架上的薄膜、及位于薄膜中心的质量块。
通常将传统薄膜型声学超材料单元胞拓展到M*N(M、N为大于1的正整数)多元胞时，各个元胞上的质量块的质量是均匀一致的，且均位于元胞薄膜的中心。人们发现，传统薄膜型声学超材料多元胞的隔声效果小于组成该薄膜型声学超材料多元胞的单元胞的隔声效果的总和，导致该薄膜型声学超材料多元胞难以有效阻止低频噪声传播。例如，声波正入射时，一个单元胞能够产生一个反共振和两个共振，而若干排列为2*2方阵的四元胞也只能产生一个反共振和两个共振。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料，以提升现有的薄膜型声学超材料多元胞有效阻止低频噪声传播的性能。
本发明所述的一种非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料，包括至少一层声学超材料单元，所述声学超材料单元包括若干排列为M*N方阵的单元胞，每一单元胞均包括支撑框架、设于所述支撑框架内的薄膜、及设于所述薄膜上的质量块，每一质量块均设于薄膜的非中心区域，即非对称分布，且每一质量块的质量均不同，其中，M、N为大于1的正整数。
进一步地，所述若干质量块之间的质量差为0.1～0.5g。
进一步地，至少二质量块设于薄膜的相同位置；或
至少二质量块设于薄膜的不同位置。
进一步地，所述M*N方阵中，每一单元胞的支撑框架均和相邻的单元胞的支撑框架连接。
进一步地，所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料包括若干层声学超材料单元，所述若干层声学超材料单元堆叠组合。
进一步地，所述质量块的材质为铝、铁、钢、铜、或铅；和/或
所述质量块的横截面为圆形、圆环形、或多边形。
进一步地，所述薄膜的材质为弹性硅橡胶、聚乙烯、或聚酰亚胺；和/或
所述薄膜为圆形，三角形、长方形、正方形、或正六边形。
进一步地，所述支撑框架的材质可为金属、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物、或聚氯乙烯；和/或
所述支撑框架为圆形、三角形、长方形、正方形、或正六边形。
进一步地，所述薄膜的厚度为0.1～1mm。
本申请提供的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料中，所述质量块均设于薄膜的非中心区域，使得所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料中的每一单元胞均具有非对称分布的结构。且所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料中的每一质量块的质量均不同。
声波正入射单元胞时，由于所述质量块非对称分布在薄膜上，所述质量块不仅进行了平移运动，还会根据质量大小依序进行旋转运动。这使得质量块与薄膜在反相位振动中额外产生一个反共振，从而额外多产生一个隔声峰。
当将单元胞拓展到多元胞时，将使得所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料的整体模态与局部模态间的耦合反共振效应非常强烈，且所述质量块产生的旋转运动与薄膜的反振动相互影响的频率也非常高，从而产生极多的反共振、共振、及隔声峰。且，所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料在声波正入射时产生的反共振、共振、及隔声峰的数量大于组成所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料的各个单元胞在声波正入射时分别产生的反共振、共振、及隔声峰的数量的总和。即，所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料可有效阻止低频噪声的传播。
附图说明
图1是本申请一实施例提供的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料的结构示意图，其中，M、N为4。
图2是图1所示的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料的俯视图。
图3为组成本申请实施例提供的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料的单元胞的俯视图。
图4是本申请另一实施例提供的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料的俯视图，其中，M、N为2。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的所有的和任意的组合。
本申请实施例提供一种非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100。
请参阅图1和图2，所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100包括至少一层声学超材料单元10，所述声学超材料单元10包括若干排列为M*N方阵的单元胞(参图3)，每一单元胞均包括支撑框架11、设于所述支撑框架11内的薄膜13、及设于所述薄膜13上的质量块15，每一质量块15均设于薄膜13的非中心区域，且每一质量块15的质量均不同，其中，N为大于1的正整数。
在至少一实施例中，所述质量块15设于薄膜13且凸出于薄膜13。
在至少一实施例中，所述若干质量块15之间的质量差为0.1～0.5g。例如，所述若干质量块15之间的质量差为0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、或0.5g。
在至少一实施例中，至少二质量块15设于薄膜13的相同位置。
在至少另一实施例中，至少二质量块15设于薄膜13的不同位置。
可以理解的，可通过改变各质量块15的质量大小和各质量块15的位置，来调节隔声峰的位置及隔声量的大小。
在至少一实施例中，所述M*N方阵中，每一单元胞的支撑框架11均和相邻的单元胞的支撑框架11连接。
在至少一实施例中，所述支撑框架11的材质为金属，或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物、或聚氯乙烯等非金属材料。
在至少一实施例中，所述支撑框架11为圆形、三角形、长方形、正方形、正六边形、或其它多边形。
在至少一实施例中，所述薄膜13的材质为弹性硅橡胶、聚乙烯、或聚酰亚胺等高分子材料。
在至少一实施例中，所述薄膜13具有与支撑框架11相匹配的形状，为圆形、三角形、长方形、正方形、正六边形、或其它多边形。
在至少一实施例中，所述质量块15的材质为铝、铁、钢、铜、或铅等金属材料。
在至少一实施例中，所述质量块15的横截面为圆形、圆环形、方形、或其它多边形。
在至少一实施例中，所述支撑框架11的厚度为1～3mm。例如，所述支撑框架11的厚度为1mm、2mm、或3mm。
在至少一实施例中，所述薄膜13的厚度为0.1～1mm。例如，所述薄膜13的厚度为0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、或1mm。
本申请提供的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100中，所述质量块15均设于薄膜13的非中心区域，使得所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100中的每一单元胞均具有非对称分布的结构。且所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100中的每一质量块15的质量均不同。声波正入射时，所述质量块15不仅进行了平移运动，还会根据质量的大小依序进行旋转运动，使得所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100的整体模态与局部模态间的耦合反共振效应非常强烈，且所述质量块15产生的旋转运动与薄膜13的反振动相互影响的频率也非常高，从而产生极多的反共振、共振、及隔声峰。且，所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100在声波正入射时产生的反共振、共振、及隔声峰的数量大于组成所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100的各个单元胞在声波正入射时分别产生的反共振、共振、及隔声峰的数量的总和。即，所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100可有效阻止低频噪声的传播。
所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100包括若干层声学超材料单元10，所述若干层声学超材料单元10堆叠设置。
在至少一实施例中，所述若干层声学超材料单元10可通过粘结的方式堆叠设置。
本申请技术方案中，所述若干层声学超材料单元10堆叠设置，所述堆叠设置的声学超材料单元10可在低频范围内能产生更多的隔声峰，使得所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100可更有效地阻止低频噪声的传播。
请参阅图4，当M、N为2时，所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100'的每一声学超材料单元10'均包括4个排列为2*2方阵的单元胞，每一单元胞均包括支撑框架11'、设于所述支撑框架11'内的薄膜13'、及设于所述薄膜13'上的质量块15'，每一质量块15'均设于薄膜13'的非中心区域。
现有的薄膜型声学超材料四元胞(未图示)的质量块均位于薄膜的中心，且每一质量块的质量均相同。声波正入射时，质量块只进行了平移运动，产生一个反共振和两个共振，导致现有的薄膜型声学超材料四元胞难以有效阻止低频噪声传播。
所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100'的质量块15'均位于薄膜13'的非中心区域，且每一质量块15'的质量均不同。声波正入射时，质量块15'不仅进行了平移运动，还进行了旋转运动，所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100'的整体模态与局部模态间的耦合反共振效应非常强烈，且所述质量块15'产生的旋转运动与薄膜13'的反振动相互影响的频率也非常高，从而产生极多的反共振、共振、及隔声峰，使得所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料100'可有效阻止低频噪声传播。
以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料，其特征在于，所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料包括至少一层声学超材料单元，所述声学超材料单元包括若干排列为M*N方阵的单元胞，每一单元胞均包括支撑框架、设于所述支撑框架内的薄膜、及设于所述薄膜上的质量块，每一质量块均设于薄膜的非中心区域，且每一质量块的质量均不同，其中，M、N为大于1的正整数；
当声波正入射时，所述质量块进行平移运动，还会根据质量的大小依序进行旋转运动；
所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料在声波正入射时产生的反共振、共振、及隔声峰的数量大于组成所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料的各个单元胞在声波正入射时分别产生的反共振、共振、及隔声峰的数量的总和。
2.根据权利要求1所述的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料，其特征在于，所述若干质量块之间的质量差为0.1~0.5g。
3.根据权利要求1所述的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料，其特征在于，至少二质量块设于薄膜的相同位置；或
至少二质量块设于薄膜的不同位置。
4.根据权利要求1所述的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料，其特征在于，所述M*N方阵中，每一单元胞的支撑框架均和相邻的单元胞的支撑框架连接。
5.根据权利要求1所述的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料，其特征在于，所述非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料包括若干层声学超材料单元，所述若干层声学超材料单元堆叠组合。
6.根据权利要求1所述的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料，其特征在于，所述质量块的材质为铝、铁、钢、铜、或铅；和/或
所述质量块的横截面为圆形、圆环形、或多边形。
7.根据权利要求1所述的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料，其特征在于，所述薄膜的材质为弹性硅橡胶、聚乙烯、或聚酰亚胺；和/或
所述薄膜为圆形、三角形、长方形、正方形、或正六边形。
8.根据权利要求1所述的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料，其特征在于，所述支撑框架的材质为金属材料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物、或聚氯乙烯；和/或所述支撑框架为圆形、三角形、长方形、正方形、或正六边形。
9.根据权利要求1所述的非均匀质量、非对称分布的薄膜型低频隔声声学超材料，其特征在于，所述薄膜的厚度为0.1~1mm。
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