CN217847436U - 一种轻质声学超材料元胞及其低频宽带吸声超结构装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轻质声学超材料元胞及其低频宽带吸声超结构装置，该超材料元胞包括虹吸共振模块与阻抗适调模块；虹吸共振模块包括底壁、围壁、一级调谐部与虹吸入口；围壁的底端与底壁相连，一级调谐部设在围壁顶端的一侧，壁顶端的另一侧为虹吸入口，底壁、围壁、一级调谐部围成与虹吸入口相通的空腔；阻抗适调模块包括第一高孔隙率吸声介质与阻抗适调空腔；第一高孔隙率吸声介质设在空腔内对应虹吸入口的一侧，且第一高孔隙率吸声介质的宽度大于虹吸入口的宽度，空腔的另一侧为阻抗适调空腔。本实用新型应用于降噪材料领域，能实现良好的低频、宽带、高效的吸声性能，又具有更灵活、更大范围的调控能力，匹配性和适用性更强等优势。

Description

一种轻质声学超材料元胞及其低频宽带吸声超结构装置

技术领域

本实用新型涉及降噪新材料技术领域，具体是一种轻质声学超材料元胞及其低频宽带吸声超结构装置，可应用于飞机、轨道列车、大型船舶、智能汽车、新型输变系统、静音空调等高新装备，或应用于风洞、高速公路、桥梁/隧道、乘候车厅/馆、会议场馆、录音/演播厅、消声室等功能建筑。

背景技术

随着社会发展，生产生活中的噪声污染问题日益突出，已经成为影响装备声振品质、人民生活品质的重要要素。在噪声控制方面，具有吸声降噪功能的材料或结构，按照吸声原理的不同通常分为多孔吸声材料和共振吸声结构两大类。

在工程实践中，中、高频噪声(1000Hz以上)的波长短、传播能力相对弱，采用传统吸声技术(多孔吸声)能取得较好的效果。但这类吸声技术存在一些不足：如其定义了材料的五个宏观参数：孔隙率、流阻、曲折率、粘性特征长度和热特征长度，通常需要通过改变多孔材料的等效体积模量和密度来来影响材料的整体吸声性能，考虑到材料的实际制备工艺，在可加工制备范围内，这五个宏观参数对声学性能的调节范围非常有限，很难实现宽频大幅地调节。此外，传统吸声技术的最优吸声频率主要取决于材料整体的厚度，厚度每增加1倍，最优吸声频率向低频方向移动一个倍频程，因此其很难在低频段实现高效吸声。

低频段噪声(1000Hz以下)，由于其波长大、传播能力强，采用传统技术手段对低频噪声很难控制，往往需要付出较大的材料空间厚度/重量成本代价。为了解决这个低频吸声控制难题，现有技术通常采用共振吸声结构(如薄膜型共振吸声结构、迷宫型共振吸声结构、微穿孔板型共振吸声结构)来实现。这类吸声技术同样存在一些不足：如薄膜型共振吸声结构，现有研究结果表明在没有背腔的情况下，薄膜型共振吸声结构的吸声系数最大一般不超过0.5，通过多层薄膜结构的相干吸收或者薄膜结构与空腔的杂化共振可以提高薄膜型共振吸声结构的吸声系数，实现声波在低频的高效吸收；此外薄膜型共振吸声结构其使用时往往需要对薄膜施加预应力，这种预应力的精确施加大大增加了其实施的难度和成本；并且薄膜容易受到外界破坏，可靠性和稳定性较差也限制了其工程应用。对于微穿孔板型共振吸声结构结构而言，要提升低频段的吸声性能，也要显著增大背腔的厚度，并且其吸收峰主要在共振频率附近，难以实现宽频高效吸收；对于迷宫型共振吸声结构而言，其可通过弯曲/折叠构成迷宫型的通道，来延长声波传播路径，能够在减小总厚度的情况下实现低频高效吸声；但迷宫通道型结构的构型复杂，加工难度大，通常需要理由3D打印增材制造实现，并且面密度高，增加了重量和成本。共振类吸声结构为了实现宽带吸声，通常通过共振耦合作用，将足够多数量的不同吸收频率的共振吸声结构进行并联，实现了有效拓宽吸声带宽的目的，但是，随着吸声带宽的拓宽，其吸声系数也会有所下降，很难实现低频宽带高效吸声。总之，现有的共振吸声结构很难实现轻质、低频和宽带吸声的完美统一。

实用新型内容

针对上述现有技术中得不足，本实用新型提供一种轻质声学超材料元胞及其低频宽带吸声超结构装置，克服工程应用中由于受结构空间尺寸/重量、加工制造工艺、造价成本等限制，导致的现有吸声材料和结构难以实现对声波的低频宽带进行高效吸收的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种轻质声学超材料元胞，包括虹吸共振模块与阻抗适调模块；

所述阻抗适调模块包括第一高孔隙率吸声介质与阻抗适调空腔；

所述虹吸共振模块包括底壁、围壁、一级调谐部与虹吸入口；

所述围壁的底端与所述底壁相连，所述一级调谐部、所述虹吸入口设在所述围壁的顶端，所述底壁、所述围壁、所述一级调谐部围成与所述虹吸入口相通的空腔；

所述一级调谐部为不穿孔穴的板状结构或穿孔穴的板状结构：

若所述一级调谐部为不穿孔穴的板状结构：所述一级调谐部设在所述围壁顶端的一侧，所述围壁顶端的另一侧为所述虹吸入口；所述第一高孔隙率吸声介质设在所述空腔内对应所述虹吸入口的一侧并与所述围壁紧密接触，且所述第一高孔隙率吸声介质的宽度大于所述虹吸入口的宽度，所述空腔的另一侧为所述阻抗适调空腔；

若所述一级调谐部为穿孔穴的板状结构：所述一级调谐部完全覆盖在所述围壁的顶端，所述一级调谐部上的穿孔穴即为所述虹吸入口，所述第一高孔隙率吸声介质设在所述空腔内一侧并与所述围壁紧密接触，所述空腔的另一侧为所述阻抗适调空腔。

在其中一个实施例，还包括腔波调制模块；

所述腔波调制模块包括腔波调制执行部与腔波调制操纵部，所述第一高孔隙率吸声介质的底端与所述底壁之间具有间隔，所述腔波调制执行部设在所述空腔对应间隔的位置，且所述腔波调制执行部的侧部与所述围壁相切；

所述腔波调制执行部在所述间隔内具有沿围壁内表面正切线方向移动的行程，所述腔波调制操纵部与所述腔波调制执行部相连，以驱动所述腔波调制执行部移动。

在其中一个实施例，所述阻抗适调模块还包括第二高孔隙率吸声介质，所述第二高孔隙率吸声介质设在所述空腔内并与所述围壁紧密接触；

所述间隔位于所述第一高孔隙率吸声介质的底端与所述第二高孔隙率吸声介质的顶端之间。

在其中一个实施例，所述腔波调制执行部为表面呈非平整粗糙状的板状结构。

在其中一个实施例，所述腔波调制模块还包括支撑部，所述支撑部连接在所述腔波调制执行部的上部和/或下部。

在其中一个实施例，还包括二级调谐部，所述二级调谐部设在所述空腔内，且位于所述腔波调制执行部的一侧或另一侧。

在其中一个实施例，所述二级调谐部包括调谐薄板以及设在所述调谐薄板上的调谐空穴，所述调谐薄板的侧部与所述围壁相切。

在其中一个实施例，还包括多孔吸声薄层，所述多孔吸声薄层设在所述空腔内，所述多孔吸声薄层的侧部与所述围壁相切且位于所述二级调谐部的下方。

在其中一个实施例，所述一级调谐部为平板状结构。

在其中一个实施例，所述一级调谐部包括两个以上的平板；

各所述平板依次层叠搭接，构成可伸缩的阶梯状结构，以实现对所述虹吸入口尺寸的灵活调节。

在其中一个实施例，若所述一级调谐部为穿孔穴的平板状结构，所述一级调谐部上单个穿孔穴的面积为S，所述穿孔穴的数量为N，N大于2，所述一级调谐部底部与所述空腔的交集面积大小为K，0.10≤(N×S)/K≤0.35。

为实现上述目的，本实用新型还提供一种低频宽带吸声超结构装置，其特征在于，包括两个以上的上述轻质声学超材料元胞。

相较于现有技术，本实用新型提供的一种轻质声学超材料元胞及其低频宽带吸声超结构装置，在轻质简洁的情况下，既能实现良好的低频、宽带、高效的吸声性能，又具有更灵活、更大范围的调控能力，匹配性和适用性更强等优势，克服了传统共振吸声结构吸声频带窄、拓扑构型复杂、可靠性差等缺点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为实施例1中轻质声学超材料元胞的第一种实施方式示意图，其中，(a)是一级调谐部为不穿孔穴的板状结构的示意图，(b)是一级调谐部为穿孔穴的板状结构的示意图；

图2为实施例1中轻质声学超材料元胞的第二种实施方式示意图，其中，(a)是一级调谐部为不穿孔穴的板状结构的示意图，(b)是一级调谐部为穿孔穴的板状结构的示意图；

图3为实施例1中轻质声学超材料元胞的第三种实施方式示意图，其中，(a)是一级调谐部为不穿孔穴的板状结构的示意图，(b)是一级调谐部为穿孔穴的板状结构的示意图；

图4为实施例1中轻质声学超材料元胞的第四种实施方式示意图，其中，(a)是一级调谐部为不穿孔穴的板状结构的示意图，(b)是一级调谐部为穿孔穴的板状结构的示意图；

图5为实施例1中第一高孔隙率吸声介质的截面形状示意图，其中，(a)是第一高孔隙率吸声介质的截面形状为长方形的示意图，(b)是第一高孔隙率吸声介质的截面形状为三角形的示意图，(c)是第一高孔隙率吸声介质的截面形状为梯形的示意图；

图6为实施例1中一级调谐部可伸缩的实施方式示意图；

图7为实施例1中一级调谐部可伸缩时轻质声学超材料元胞的实施方式示意图，其中，(a) 是第一高孔隙率吸声介质的顶端与一级调谐部接触的示意图，(b)是第一高孔隙率吸声介质的顶端与一级调谐部具有间距的示意图；

图8为实施例2中轻质声学超材料元胞的第一种实施方式示意图，其中，(a)是一级调谐部为平板时的示意图，(b)是一级调谐部为伸缩板时的示意图；

图9为实施例2中轻质声学超材料元胞的第二种实施方式示意图，其中，(a)是第二操作部为双悬臂梁杆时的示意图，(b)是第二操作部为圆环时的示意图，(c)是第二操作部为单悬臂梁杆时的示意图；

图10为实施例2中轻质声学超材料元胞的第三种实施方式示意图，其中，(a)是支撑部位于腔波调制执行部上部的示意图，(b)是支撑部位于腔波调制执行部上部和下部的示意图；

图11为实施例2中轻质声学超材料元胞的三维构型图；

图12为实施例2中轻质声学超材料元胞的第四种实施方式示意图，其中，(a)是一级调谐部为平板时的示意图，(b)是一级调谐部为伸缩板且仅有第一操作部时的示意图，(c)是一级调谐部为伸缩板且有第一操作部、第二操作部时的示意图；

图13为实施例3中轻质声学超材料元胞的第一种实施方式示意图，其中，(a)是腔波调制执行部为锯齿形非平整粗糙状时的示意图，(b)是腔波调制执行部为无规则非平整粗糙状时的示意图；

图14为实施例3中轻质声学超材料元胞的第二种实施方式示意图；

图15为实施例4中低频宽带吸声超结构装置的第一种实施方式示意图；

图16为实施例4中低频宽带吸声超结构装置的第二种实施方式示意图；

图17为实施例4中低频宽带吸声超结构装置的第三种实施方式示意图；

图18为实施例4中低频宽带吸声超结构装置的第四种实施方式示意图。

附图标号：1-底壁，2-围壁，3-一级调谐部，4-虹吸入口，5-阻抗适调模块，51-第一高孔隙率吸声介质，52-阻抗适调空腔，53-第二高孔隙率吸声介质，6-腔波调制模块，61-腔波调制执行部，62-腔波调制操纵部，63-支撑部，62a-第一操纵部，62b-第二操纵部，7-二级调谐部，71-调谐薄板，72-调谐空穴，8-多孔吸声薄层，9a-导向滑槽，9b-调节滑块，10-轻质声学超材料元胞，11-低频宽带吸声超结构装置。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

实施例1

如图1-7所示为本实施例公开的一种轻质声学超材料元胞，主要包括虹吸共振模块与阻抗适调模块5。

具体地，阻抗适调模块5包括第一高孔隙率吸声介质51与阻抗适调空腔52，第一高孔隙率吸声介质51可以采用有机纤维型多孔材料、无机纤维型多孔材料、泡沫型多孔材料或金属型多孔材料，如三聚氰胺、或金属泡沫。虹吸共振模块包括底壁1、围壁2、一级调谐部3与虹吸入口4。底壁1可以为平面板结构或曲面板结构，围壁2为中空且两端开口的筒状结构，例如圆筒、方筒、锥筒或其它异性结构筒。底壁1和围壁2可采用螺纹连接、铆接、焊接或胶结连接而形成，也可以通过铸造、增材加工一体化成型。一级调谐部3、虹吸入口 4设在围壁2的顶端，底壁1、围壁2、一级调谐部3围成与虹吸入口4相通的空腔。

一级调谐部3为不穿孔穴的板状结构或穿孔穴的板状结构：

参考图1(a)、图2(a)、图3(a)、图4(a)，若一级调谐部3为不穿孔穴的板状结构：一级调谐部3则设在围壁2顶端的一侧，围壁2顶端的另一侧为虹吸入口4。第一高孔隙率吸声介质51设在空腔内对应虹吸入口4的一侧并与围壁2紧密接触，且第一高孔隙率吸声介质51的宽度大于虹吸入口4的宽度，即靠近虹吸入口4的部分一级调谐部3与全部虹吸入口4位于第一高孔隙率吸声介质51的正上方；空腔的另一侧为阻抗适调空腔52。

参考图1(b)、图2(b)、图3(b)、图4(b)，一级调谐部3为穿孔穴的板状结构：一级调谐部3完全覆盖在围壁2的顶端，一级调谐部3上的穿孔穴即为虹吸入口4，第一高孔隙率吸声介质51设在空腔内一侧并与围壁2紧密接触，空腔的另一侧为阻抗适调空腔52。其中，一级调谐部3上单个穿孔穴的直径可为2mm-20mm，优选4mm-8mm，其面积为S，穿孔穴的数量为N，N大于2，若一级调谐部3底部与空腔的交集面积大小为K，则有0.10≤(N×S)/K≤ 0.35。

需要注意的是，本实施例中一级调谐部3中孔穴的直接作用并不是用于吸声的，本实施例中吸声原理并不是依靠孔穴的摩擦或共振来实现的；一级调谐部孔穴这种设置的作用一方面可以减轻重量并降低加工难度和成本；另一方面还可以提升结构使用的稳定性，免受粉尘干扰而影响吸声性能；同时又有助于整体结构兼顾中高频性能。

在具体实施过程中，无论一级调谐部3为不穿孔穴的板状结构还是穿孔穴的板状结构，第一高孔隙率吸声介质51的顶端既可以与一级调谐部3底面、虹吸入口4底面紧密接触，也可以与一级调谐部3底面、虹吸入口4底面之间具有一定的间距，间距的值大于1mm；第一高孔隙率吸声介质51的底端既可以底壁1紧密接触，也可以与底壁1之间具有一定的间距，间距的值大于1mm。参考图1，即为第一高孔隙率吸声介质51的顶端、底端分别接触一级调谐部3底面、底壁1的实施方式，其中，图1(a)中的一级调谐部3为不穿孔穴的板状结构，图1(b)中的一级调谐部3为穿孔穴的板状结构；参考图2，即为第一高孔隙率吸声介质51的顶端与一级调谐部3底面之间具有间距，第一高孔隙率吸声介质51的底端与底壁 1之间接触的实施方式，其中，图2(a)中的一级调谐部3为不穿孔穴的板状结构，图2(b)中的一级调谐部3为穿孔穴的板状结构；参考图3，即为第一高孔隙率吸声介质51的顶端与一级调谐部3底面之间接触，第一高孔隙率吸声介质51的底端触底壁1之间具有间距的实施方式，其中，图3(a)中的一级调谐部3为不穿孔穴的板状结构，图3(b)中的一级调谐部3为穿孔穴的板状结构；参考图4，即为第一高孔隙率吸声介质51的顶端与一级调谐部3底面之间具有间距，第一高孔隙率吸声介质51的底端触底壁1之间具有间距的实施方式，其中，图4(a)中的一级调谐部3为不穿孔穴的板状结构，图4(b)中的一级调谐部3为穿孔穴的板状结构。

本实施例中，虹吸共振模块的底壁1、围壁2由硬边界板材料制成，可为金属(不锈钢、铝合金、镀锌钢)、ABS塑料、硬质纤维、复合材料层合板、石膏、合成树脂或钢化玻璃；一级调谐部3可由镀锌钢材、硬质纤维、ABS塑料、钢化玻璃制成。

参考图5，本实施例中，第一高孔隙率吸声介质的截面形状既可以是长方形结构，也可以是梯形结构或三角形结构，也可以是其它异形结构。

本实施例中，一级调谐部3可以为一级调谐部3为平板状结构，即图1-4所示。

作为优选地实施方式，一级调谐部3包括两个以上的平板。参考图6-7，在该实施方式下，各平板依次层叠搭接，构成可伸缩的阶梯状结构，以实现对虹吸入口4尺寸的灵活调节，最底下的平板上表面可设有导向滑槽9a，最顶上的平板下表面可设有调节滑块9b，其余中间平板的上表面可设有导向滑槽9a、下表面可设有调节滑块9b；且每相邻的平板中，处于下侧的平板的导向滑槽9a与上侧平板的调节滑块9b配合，平板之间通过滑动实现相互调节，进而实现对虹吸入口44的灵活调节。

本实施例中轻质声学超材料元胞的作用原理和技术效果为：

首先，底壁1、围壁2、一级调谐部3围成与虹吸入口4相通的空腔，空腔同底壁1、围壁2、一级调谐部3、虹吸入口4形成虹吸共振模块；一方面，当声波由虹吸入口4进入空腔时，会激发虹吸共振模块的低频耦合共振，加速声波质点向空腔内运动，提升其与阻抗适调模块的耦合强度，产生虹吸共振效应，使得结构在低频段产生高效的共振吸收峰；另一方面，通过一级调谐部3中平板依次层叠搭接，构成可伸缩的阶梯状结构，实现对虹吸入口4 尺寸的灵活调节，有利于对虹吸共振模块低频耦合共振频的精确灵活调节，拓宽了其适应范围；

其次，由于在空腔内引入阻抗适调模块5，一方面可以在大范围内调节腔内特性阻抗，并且实现同虹吸共振模块特性阻抗的宽频适调匹配；另一方面阻抗适调模块5本身的高孔隙率吸声介质与阻抗适调空腔52可形成二次耦合共振，实现吸声效能的增强；同时虹吸共振效应会加速声波粒子与阻抗适调模块5中高孔隙率吸声介质的摩擦，使得声波能量通过热能形式做功消耗掉。

实施例2

如图8-12所示为本实施例公开的一种轻质声学超材料元胞，本实施例在实施例1的基础上增设了腔波调制模块6。

参考图8，在本实施例中，第一高孔隙率吸声介质51的底端与底壁之间具有间隔。腔波调制模块6包括腔波调制执行部61与腔波调制操纵部62，腔波调制执行部61设置在阻抗调试模块下的空腔内且对应间隔的位置，且腔波调制执行部61的侧部与围壁相切。腔波调制执行部61在空腔内具有沿围壁内表面正切线方向移动的行程，腔波调制操纵部62与腔波调制执行部61相连，以驱动腔波调制执行部61移动。

其中，腔波调制执行部61为表面呈非平整粗糙状的板状结构，其表面轮廓控制函数可为正弦函数、贝塞尔函数。用于制造腔波调制执行部61的材质可为ABS塑料、碳纤维复合材料、亚克力、铝合金、不锈钢、木材。

在具体实施过程中，围壁的内壁上可以设置有滑槽，腔波调制执行部61的侧壁则设置有嵌入滑槽的凸起，以在腔波调制执行部61的滑动过程中起到导向作用。参考图9，腔波调制操纵部62包括第一操作部62a，其形态可为圆柱状、梁状或杆状，第一操作部62a的一端与腔波调制执行部61相连，另一端可以穿过底壁或围壁后位于空腔外，以便于手动操作腔波调制执行部61在空腔内滑动。优选地，腔波调制操纵部62还包括第二操作部62b，第二操作部62b连接于第一操作部62a位下方，其构型可为双悬臂梁杆、单悬臂梁杆、圆环或其他便于实现操纵的构型。

腔波调制操纵部62的第一操作部62a可由钢、铝合金、ABS塑料、钢化玻璃、碳纤维复合材料、木材制成；腔波调制操纵部62的第二操作部62b可由ABS塑料、橡胶、铝合金、不锈钢制成。

当然，腔波调制操纵部62并不局限于第一操作部62a与第二操作部62b这样手动的实施方式，也可以是通过电气驱动的自动模式，例如由电机与螺杆组成腔波调制操纵部62。电机设置在底壁下方且与螺杆传动相连，螺杆则沿竖向贯穿空腔且与底壁、以及调谐部转动相同，腔波调制执行部61则与螺杆螺纹相连。通过电机驱动螺杆转动，即能带动腔波调制执行部61在空腔内做竖向的线性滑动。

作为优选地实施方式，参考图10-11，腔波调制模块6还包括支撑部63，用于对腔波调制执行部61起到支撑作用。支撑部63连接在腔波调制执行部61的上部和/或下部，支撑部63的侧部与围壁相切且滑动配合，即支撑部63跟随腔波调制执行部61一起在空腔内滑动。支撑部63的侧部还可与围壁不接触配合，支撑部63跟随腔波调制执行部61一起在空腔内移动。

作为优选地实施方式，参考图12，在本实施例中，阻抗适调模块还包括第二高孔隙率吸声介质53，第二高孔隙率吸声介质53设在空腔内并与围壁紧密接触，具体地，第二高孔隙率吸声介质53的材质与第一高孔隙率吸声介质51相同，第二高孔隙率吸声介质53的材质可以位于空腔的单侧或多侧。间隔位于第一高孔隙率吸声介质51的底端与第二高孔隙率吸声介质53的顶端之间，即腔波调制执行部61在第一高孔隙率吸声介质51与第二高孔隙率吸声介质53之间的位置具有沿围壁内表面正切线方向移动的行程。

本实施例中轻质声学超材料元胞的作用原理和技术效果为：在实施例1效果的基础上，本实施例中腔波调制模块6的引入，一方面可在不更换零部件的情况下灵活调节空腔容积，实现对虹吸共振频率的二次调节，增加其使用的适用性；同时腔波调制模块6还可产生新的耦合共振，增加共振吸声峰的数量，提升阻抗适调匹配的速度和效率；另一方面，通过在腔波调制模块6的腔波调制执行部61表面引入非平整粗糙状度，可增加腔内声波的扰动涡旋，增加声波传播方向和反射频次，延长声波在腔内传播损耗路径，进一步增强对声能的衰减，从而提升整体吸声效能。

实施例3

如图13所示为本实施例公开的一种轻质声学超材料元胞，本实施例在实施例1的基础上增设了二级调谐部7，二级调谐部7设在空腔内，且位于腔波调制执行部的一侧或另一侧。

具体地，二级调谐部7包括调谐薄板71以及设在调谐薄板71上的调谐空穴72，调谐薄板71的侧部与围壁相切。调谐空穴72可为微缝、微孔或两者的组合。

优选地，参考图14，轻质声学超材料元胞还包括多孔吸声薄层8，多孔吸声薄层8设在空腔内，多孔吸声薄层8的侧部与围壁相切且位于二级调谐部7的下方，距离1-3mm。多孔吸声薄层8的材质可以选用聚氨酯或玻璃棉。

通过上述实施例1-3可知，本实用新型提供的一种轻质声学超材料元胞通过巧妙构思和设计，利用虹吸共振模块的虹吸共振效应、阻抗适调模块自身高孔隙率吸声介质与阻抗适调空腔的二次耦合共振、加速声波粒子与高孔隙率吸声介质摩擦效应、阻抗适调模块同虹吸共振模块特性阻抗的宽频适调匹配效应、腔波调制模块耦合增峰效应、及腔内扰波耗能效应等协同吸能作用，实现了对低频宽带声波的高效吸收。本实用新型在轻质、较小空间尺寸情况下，既实现了良好的低频、宽带、高效的吸声性能，又具有结构简单、易于加工、调节灵活、制备和使用成本低廉等优势。

实施例4

如图15-18所示为本实施例公开的一种低频宽带吸声超结构装置11，包括两个以上实施例1和/或实施例2和/或实施例3中的轻质声学超材料元胞10。各所述轻质声学超材料元胞的晶格尺寸、虹吸共振模块的总厚度、一级调谐部距离围壁的距离(虹吸入口的开口尺寸)、高孔隙率吸声介质的宽度，高孔隙率吸声介质到虹吸入口底面的距离大小，腔波调制执行部表面轮廓控制函数的幅值和相角大小、腔波调制执行部到底壁的距离大小，二级调谐部中调谐薄板的厚度、调谐空穴的大小和数量按预定设置，可以相同，也可以不同。如图15所示即为实施例1中两个相同的轻质声学超材料元胞10组成的低频宽带吸声超结构装置11，图 16所示即为实施例1中三个不相同的轻质声学超材料元胞10组成的低频宽带吸声超结构装置11，图17所示即为实施例2中三个不相同的轻质声学超材料元胞10组成的低频宽带吸声超结构装置11，图16所示即为实施例2中三个不相同的轻质声学超材料元胞10以及实施例 3中两个不相同的轻质声学超材料元胞10组成的低频宽带吸声超结构装置11。

实施例5

在实施例4的基础上，本实施例作为优选地，可以根据宽频协调目标，可将若干个参数不同的轻质声学超材料元胞组成一个大的超单元，再将该超单元阵列化排布成所述低频宽带吸声超结构装置。本实施例公开的一种低频宽带吸声超结构装置，包括三个轻质声学超材料元胞，每个元胞的晶格尺寸(长度*宽度)为66.6mm*66.6mm，虹吸共振模块的总厚度为 100mm，底壁、围壁、一级调谐部均采用铝合金制成，壁厚1.0mm，每个元胞内均含一个腔波调制模块，三个腔波调制执行部到底壁的距离分别为5.3mm、1.0mm、1.0mm，高孔隙率吸声介质采用三聚氰胺材料，孔隙率0.96，三个元胞内高孔隙率吸声介质到相应虹吸入口底面的距离均为6mm。该结构在355Hz-10000Hz范围内平均吸声系数达到0.972，最小吸声系数0.833，实现了低频、宽带高效吸声。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种轻质声学超材料元胞，其特征在于，包括虹吸共振模块与阻抗适调模块；

所述阻抗适调模块包括第一高孔隙率吸声介质与阻抗适调空腔；

所述虹吸共振模块包括底壁、围壁、一级调谐部与虹吸入口；

所述围壁的底端与所述底壁相连，所述一级调谐部、所述虹吸入口设在所述围壁的顶端，所述底壁、所述围壁、所述一级调谐部围成与所述虹吸入口相通的空腔；

所述一级调谐部为不穿孔穴的板状结构或穿孔穴的板状结构：

若所述一级调谐部为不穿孔穴的板状结构：所述一级调谐部设在所述围壁顶端的一侧，所述围壁顶端的另一侧为所述虹吸入口；所述第一高孔隙率吸声介质设在所述空腔内对应所述虹吸入口的一侧并与所述围壁紧密接触，且所述第一高孔隙率吸声介质的宽度大于所述虹吸入口的宽度，所述空腔的另一侧为所述阻抗适调空腔；

若所述一级调谐部为穿孔穴的板状结构：所述一级调谐部完全覆盖在所述围壁的顶端，所述一级调谐部上的穿孔穴即为所述虹吸入口，所述第一高孔隙率吸声介质设在所述空腔内一侧并与所述围壁紧密接触，所述空腔的另一侧为所述阻抗适调空腔。

2.根据权利要求1所述轻质声学超材料元胞，其特征在于，还包括腔波调制模块；

所述腔波调制模块包括腔波调制执行部与腔波调制操纵部，所述第一高孔隙率吸声介质的底端与所述底壁之间具有间隔，所述腔波调制执行部设在所述空腔对应间隔的位置，且所述腔波调制执行部的侧部与所述围壁相切；

所述腔波调制执行部在所述间隔内具有沿围壁内表面正切线方向移动的行程，所述腔波调制操纵部与所述腔波调制执行部相连，以驱动所述腔波调制执行部移动。

3.根据权利要求2所述轻质声学超材料元胞，其特征在于，所述阻抗适调模块还包括第二高孔隙率吸声介质，所述第二高孔隙率吸声介质设在所述空腔内并与所述围壁紧密接触；

所述间隔位于所述第一高孔隙率吸声介质的底端与所述第二高孔隙率吸声介质的顶端之间。

4.根据权利要求2所述轻质声学超材料元胞，其特征在于，所述腔波调制执行部为表面呈非平整粗糙状的板状结构。

5.根据权利要求2或3或4所述轻质声学超材料元胞，其特征在于，所述腔波调制模块还包括支撑部，所述支撑部连接在所述腔波调制执行部的上部和/或下部。

6.根据权利要求2或3或4所述轻质声学超材料元胞，其特征在于，还包括二级调谐部，所述二级调谐部设在所述空腔内，且位于所述腔波调制执行部的一侧或另一侧。

7.根据权利要求6所述轻质声学超材料元胞，其特征在于，所述二级调谐部包括调谐薄板以及设在所述调谐薄板上的调谐空穴，所述调谐薄板的侧部与所述围壁相切。

8.根据权利要求6所述轻质声学超材料元胞，其特征在于，还包括多孔吸声薄层，所述多孔吸声薄层设在所述空腔内，所述多孔吸声薄层的侧部与所述围壁相切且位于所述二级调谐部的下方。

9.根据权利要求1或2或3或4所述轻质声学超材料元胞，其特征在于，所述一级调谐部为平板状结构。

10.根据权利要求1或2或3或4所述轻质声学超材料元胞，其特征在于，所述一级调谐部包括两个以上的平板；

各所述平板依次层叠搭接，构成可伸缩的阶梯状结构，以实现对所述虹吸入口尺寸的灵活调节。

11.根据权利要求1或2或3或4所述轻质声学超材料元胞，其特征在于，若所述一级调谐部为穿孔穴的平板状结构，所述一级调谐部上单个穿孔穴的面积为S，所述穿孔穴的数量为N，N大于2，所述一级调谐部底部与所述空腔的交集面积大小为K，0.10≤(N×S)/K≤0.35。

12.一种低频宽带吸声超结构装置，其特征在于，包括两个以上权利要求1至10任一项所述轻质声学超材料元胞。

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