CN115565513A - 一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构，属于工程应用中的吸声结构技术领域。本发明包括穿孔板、四折痕折纸超材料结构以及底板，所述四折痕折纸超材料结构设置在所述穿孔板与所述底板之间，所述穿孔板上设置有孔洞，所述四折痕折纸超材料结构由若干折痕板排列拼接而成，相邻两个折痕板之间形成空腔，所述空腔与所述穿孔板以及底板形成吸声室，所述穿孔板上的穿孔正对所述吸声室；所述折痕板为双层结构，包括第一层板与第二层板，所述第一层板与第二层板均由四个板面构成，且任意两个相邻的板面异面并在连接处形成折痕。本发明提供的四折痕低频吸声折纸超材料结构可以在具有良好吸声性能的情况下兼具耗能缓冲的作用。

Description

一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构

技术领域

本发明属于工程应用中的吸声结构技术领域，具体涉及一种兼具耗能缓冲和低频吸声功能的四折痕折纸超材料结构。

背景技术

汽车驾驶中噪声会对机械精度产生扰动，降低设备寿命，吸声性能关系到乘客的舒适度和装备的安全等级；在制造车间内，吸声结构可以用来保护工作人员的身体健康；声学功能建筑如音乐厅、影剧院、演播室等,通过选择布置合适的吸声结构来达到最佳混响时间。传统吸声材料技术只能通过大幅提高材料厚度/重量来控制低频噪声,如何有效抑制低频噪声、实现高效宽频吸声是学术界与工程界面临的一大难题。

声学超材料结构是指由人工特殊设计的新型复合结构，能获得传统材料结构不具有的超常物理特性(如负等效质量密度、负等效模量、双负等),可以实现对低频弹性波和声波的超常操控，使得其在低频减振降噪领域有广阔的应用价值。折纸结构是近几十年发展起来的新型空间结构形式,近年来基于刚性折纸的可折叠结构在工程和建筑设计中的应用越来越广泛。刚性折纸单元有两个较为显著的特性:结构合理性和形状可变性。折纸可以很容易将本来柔软的纸材变得拥有一定的结构强度,这一点奠定了其应用于结构领域的基础。因此,优异的吸声性能对折纸超材料结构的功能型应用具有重要意义。因此,研发一种可以实现低频吸收的并且兼顾力学性能的吸声结构在工程实际应用中很有必要。

发明内容

针对上述所提到的技术问题，本发明提供了一种可以耗能缓冲并能进行低频吸声的四折痕折纸超材料结构。

为达到本发明的目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构，包括穿孔板、四折痕折纸超材料结构以及底板，所述四折痕折纸超材料结构设置在所述穿孔板与所述底板之间，所述穿孔板上设置有孔洞，所述四折痕折纸超材料结构由若干折痕板排列拼接而成，相邻两个折痕板之间形成空腔，所述空腔与所述穿孔板以及底板形成吸声室，所述穿孔板上的孔洞正对所述吸声室；所述折痕板为双层结构，包括第一层板与第二层板，所述第一层板与第二层板均由四个板面构成，且任意两个相邻的板面不处于同一平面内并在连接处形成折痕。

进一步的，所述第一层板包括A板面、B板面、C板面以及D板面，所述第二层板包括H板面、I板面、J板面以及K板面，所述A板面与所述B板面形成E凸痕，所述B板面与所述C板面形成F凹痕，所述C板面与所述D板面形成G凸痕，所述A板面与所述D板面形成M凸痕；所述H板面与所述I板面形成e凸痕，所述I板面与所述J板面形成f凹痕，所述J板面与所述K板面形成g凸痕，所述H板面与所述K板面形成m凸痕；所述E凸痕与所述e凸痕所处的中心线共线，所述G凸痕与所述g凸痕所处的中心线共线。

进一步的，所述A板面与B板面之间形成的夹角、B板面与C板面之间形成的夹角、C板面与D板面之间形成的夹角以及A板面与D板面之间形成的夹角均分别大于所述H板面与I板面之间形成的夹角、I板面与J板面之间形成的夹角、J板面与K板面之间形成的夹角以及H板面与K板面之间形成的夹角。

进一步的，所述A板面包括边缘A′、边缘A″，所述B板面包括边缘B′、边缘B″，所述C板面包括边缘C′、边缘C″，所述D板面包括边缘D′、边缘D″；所述H板面包括边缘H′、边缘H″，所述I板面包括边缘I′、边缘I″，所述J板面包括边缘J′、边缘J″，所述K板面包括边缘K′、边缘K″；所述边缘A′与边缘H′平行且共面、边缘B′与边缘I′平行且共面、边缘C′与边缘J′平行且共面、边缘D′与边缘K′平行且共面，所述边缘A″、边缘B″、边缘H″以及边缘I″共面，所述边缘C″、边缘D″、边缘J″以及边缘K″共面。

进一步的，所述边缘A″、边缘B″、边缘H″以及边缘I″与底板连接，所述边缘C″、边缘D″、边缘J″以及边缘K″与穿孔板连接。

进一步的，所述第一层板与第二层板的厚度相同，其厚度为0.2-1mm.。

进一步的，所述上穿孔板上的孔洞的直径为1-3mm。

进一步的，所述穿孔板、底板可采用金属材料或复合材料制成，所述四折痕折纸超材料结构可采用非金属材料制成。

进一步的，所述四折痕折纸超材料结构，亦可采用金属材料制成。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

本发明通过利用具有折痕的第一层板与第二层板组成的折痕板相互拼接形成具有曲折空腔的四折痕折纸超材料结构，并与穿孔板、底板结合形成多个且空间曲折的吸声室，可以使声音在进入吸声室内部时延长声波传递路径，并凭借超材料其特殊的结构特点，使其具有较强的吸声性能；同时，四折痕折纸超材料结构在荷载作用下沿着受力方向进行一定程度的折叠可间接调控空腔的体积，为吸声的调控增加了新的自由度，同时在折痕板在受压时折痕处也会进行折叠，可以起到耗能缓冲的作用。

附图说明

图1是本发明的立体机构示意图；

图2是本发明四折痕折纸超材料结构的示意图；

图3是本发明折痕板的立体结构示意图；

图4是本发明折痕板的俯视结构示意图；

图5是本发明折痕板的仰视结构示意图；

图6是本发明穿孔板的结构示意图；

图7是本发明底板的结构示意图；

图中：1-上盖板，10-穿孔，2-四折痕折纸超材料结构，20-折痕板，200-第一层板，201-A板面，2010-边缘A′,2011-边缘A″，202-B板面，2020-边缘B′，2021-边缘B″，203-C板面,2030-边缘C′，2031-边缘C″，204-D板面，2040-边缘D′，2041-边缘D″，210-第二层板，211-H板面，2110-边缘H′，2111-边缘H″，212-I板面，2120-边缘I′，2121-边缘I″，213-J板面，2130-边缘J′，2131-边缘J″，214-K板面，2140-边缘K′，2141-边缘K″，3-下底板，4-空腔，5-吸声室,601-E凸痕，602-F凹痕，603-G凸痕，604-M凸痕，701-e凸痕，702-f凹痕，703-g凸痕，704-m凹痕。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，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例，都属于本发明的保护范围。

参照图1-7所示，本发明提供了一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构，包括穿孔板1、四折痕折纸超材料结构2以及底板3，四折痕折纸超材料结构2设置在穿孔板1与底板3之间，穿孔板1上设置有孔洞10，四折痕折纸超材料结构2由若干折痕板20排列拼接而成，相邻两个折痕板20之间形成空腔4，空腔4与穿孔板1以及底板3形成吸声室5，穿孔板1上的孔洞10正对吸声室5，外界声音可通过孔洞10进入吸声室5内；折痕板20为双层结构，包括第一层板200与第二层板210，第一层板200与第二层板210均由四个板面构成，且任意两个相邻的板面不处于同一平面内并在连接处形成折痕。

第一层板200包括A板面201、B板面202、C板面203以及D板面204，第二层板210包括H板面211、I板面212、J板面213以及K板面214，A板面201与B板面202形成E凸痕601，B板面202与C板面203形成F凹痕602，C板面203与D板面203形成G凸痕603，A板面201与D板面204形成M凸痕604；H板面211与I板面212形成e凸痕701，I板面212与J板面213形成f凹痕702，J板面213与K板面214形成g凸痕703，H板面211与K板面214形成m凸痕704；E凸痕601与e凸痕701所处的中心线共线，G折痕603与g折痕703所处的中心线共线。

A板面201与B板面202之间形成的夹角、B板面202与C板面203之间形成的夹角、C板面203与D板面204之间形成的夹角以及A板面201与D板面204之间形成的夹角均分别大于H板面211与I板面212之间形成的夹角、I板面212与J板面213之间形成的夹角、J板面213与K板面214之间形成的夹角以及H板面211与K板面214之间形成的夹角，如此，便可使第一层板200与第二层板210之间存在一定的夹角，从而使两个折痕板20对接时之间能形成一个曲折的空腔4；并且，A板面201包括边缘A′2010、边缘A″2011，B板面202包括边缘B′2020、边缘B″2021，C板面203包括边缘C′2030、边缘C″2031，D板面204包括边缘D′2040、边缘D″2041，H板面211包括边缘H′2110、边缘H″2111，I板面212包括边缘I′2120、边缘I″2121，J板面213包括边缘J′2130、边缘J″2131，K板面214包括边缘K′2140、边缘K″2141；边缘A′2010与边缘H′2110、边缘B′2020与边缘I′2120、边缘C′2030与边缘J′2130、边缘D′2040与边缘K″2140分别平行且共面，边缘A″2011、边缘B″2021、边缘H″2111以及边缘I″2121共面，边缘C″2031、边缘D″2041、边缘J″2131以及边缘K″2141共面，如此，便可使折痕板2在排列拼接时能够整齐对称，并且连接处保持紧密连续。

在将折痕板20与穿孔板1、底板3进行连接时，为了提高四折痕折纸超材料结构2的耗能缓冲作用，将边缘A″2011、边缘B″2021、边缘H″2111以及边缘I″2121与底板3连接，边缘C″2031、边缘D″2041、边缘J″2131以及边缘K″2141与穿孔板1连接，通过此种连接方式，可以使四折痕折纸超材料结构2受到由穿孔板1传递而来的压力方向与折痕板20上的F凹痕602、f凹痕702、M凸痕604以及m凸痕704垂直，从而可以使折痕板20沿着F凹痕602、f凹痕702、M凸痕604以及m凸痕704进行折叠，在力撤去时，折痕板20又会恢复到原始状态，从而起到耗能缓冲作用，并且在折叠时，第一层板200与第二层板210的平面并不会进行变形，只有折痕处会进行变形，具有较高的整体刚度与较强的稳定性。

本发明提供的四折痕的低频吸声折纸超材料结构在实际生产时，穿孔板1与底板3可采用金属材料或复合材料制成，具体可通过铸造、3D打印、激光切割等工艺制备而成，其厚度根据需求加工，穿孔板1上的孔洞10直径为1-3mm,四折痕折纸超材料结构2可以采用非金属材料制成，例如热塑性聚氨酯、聚乳酸以及聚苯乙烯等材料制成，也可以采用金属材料制成，具体制作方法可采用3D打印技术进行制作，在进行3D打印时，可先设立第一层板200与第二层板210上的边缘A″、边缘B″、边缘H″以及边缘I″所在的基准面，并添加厚度参数，然后再沿着E凸痕与G凸痕为路径进行挤出成实体即可，四折痕折纸超材料结构2与穿孔板1以及底板3的连接方式可通过固接的方式实现。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构，其特征在于：包括穿孔板(1)、四折痕折纸超材料结构(2)以及底板(3)，所述四折痕折纸超材料结构(2)设置在所述穿孔板(1)与所述底板(3)之间，所述穿孔板(1)上设置有孔洞(10)，所述四折痕折纸超材料结构(2)由若干折痕板(20)排列拼接而成，相邻两个折痕板(20)之间形成空腔(4)，所述空腔(4)与所述穿孔板(1)以及底板(3)形成吸声室(5)，所述穿孔板(1)上的孔洞(10)正对所述吸声室(5)；所述折痕板(20)为双层结构，包括第一层板(200)与第二层板(210)，所述第一层板(200)与第二层板(210)均由四个板面构成，且任意两个相邻的板面不处于同一平面内并在连接处形成折痕。

2.根据权利要求1所述的一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构，其特征在于：所述第一层板(200)包括A板面(201)、B板面(202)、C板面(203)以及D板面(204)，所述第二层板(210)包括H板面(211)、I板面(212)、J板面(213)以及K板面(214)，所述A板面(201)与所述B板面(202)形成E凸痕(601)，所述B板面(202)与所述C板面(203)形成F凹痕(602)，所述C板面(203)与所述D板面(204)形成G凸痕(603)，所述A板面(201)与所述D板面(204)形成M凸痕(604)；所述H板面(211)与所述I板面(212)形成e凸痕(701)，所述I板面(212)与所述J板面(213)形成f凹痕(702)，所述J板面(213)与所述K板面(214)形成g凸痕(703)，所述H板面(211)与所述K板面(214)形成m凸痕(704)；所述E凸痕(601)与所述e凸痕(702)的所处的中心线共线，所述G折痕(603)与所述g折痕(703)所处的中心线共线。

3.根据权利要求2所述的一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构，其特征在于：所述A板面(201)与B板面(202)之间形成的夹角、B板面(202)与C板面(203)之间形成的夹角、C板面(203)与D板面(204)之间形成的夹角以及A板面(201)与D板面(204)之间形成的夹角均分别大于所述H板面(211)与I板面(212)之间形成的夹角、I板面(212)与J板面(213)之间形成的夹角、J板面(213)与K板面(214)之间形成的夹角以及H板面(211)与K板面(214)之间形成的夹角。

4.根据权利要求2所述的一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构，其特征在于：所述A板面(201)包括边缘A′(2010)、边缘A″(2011)，所述B板面(202)包括边缘B′(2020)、边缘B″(2021)，所述C板面(203)包括边缘C′(2030)、边缘C″(2031)，所述D板面(204)包括边缘D′(2040)、边缘D″(2041)；所述H板面(211)包括边缘H′(2110)、边缘H″(2111)，所述I板面(212)包括边缘I′(2120)、边缘I″(2121)，所述J板面(213)包括边缘J′(2130)、边缘J″(2131)，所述K板面(214)包括边缘K′(2140)、边缘K″(2141)；所述边缘A′(2010)与边缘H′(2110)平行且共面、边缘B′(2020)与边缘I′(2120)平行且共面、边缘C′(2030)与边缘J′(2130)平行且共面、边缘D′(2040)与边缘K′(2140)平行且共面，所述边缘A″(2011)、边缘B″(2021)、边缘H″(2111)以及边缘I″(2121)共面，所述边缘C″(2031)、边缘D″(2041)、边缘J″(2131)以及边缘K″(2141)共面。

5.根据权利要求4所述的一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构，其特征在于：所述边缘A″(2011)、边缘B″(2021)、边缘H″(2111)以及边缘I″(2121)与底板(3)连接，所述边缘C″(2031)、边缘D″(2041)、边缘J″(2131)以及边缘K″(2141)与穿孔板(1)连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构，其特征在于：所述第一层板(200)与第二层板(210)的厚度相同，其厚度为0.2-1mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构，其特征在于：所述上穿孔板(1)上的穿孔(10)的直径为1-3mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构，其特征在于：所述穿孔板(1)、底板(3)采用金属材料或复合材料制成，所述四折痕折纸超材料结构(2)可采用非金属材料制成。

9.根据权利要求1所述的一种基于四折痕的低频吸声折纸超材料结构，其特征在于：所述四折痕折纸超材料结构(2)可采用金属材料制成。

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