CN220796284U - 一种声学超材料器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种声学超材料器件，包括超材料单元和至少一个薄膜单元，所述超材料单元包括：第一薄膜，所述第一薄膜具有第一固有频率；质量块，固定设置于所述第一薄膜上，与所述第一薄膜相接触；第一刚性框架，用于支撑所述第一薄膜；所述至少一个薄膜单元包括：第二薄膜，所述第二薄膜具有第二固有频率；第二刚性框架，用于支撑所述第二薄膜；基于调节所述超材料单元和/或所述至少一个薄膜单元调节所述声学超材料器件的隔声频率。根据本实用新型提供的声学超材料器件，通过调节超材料单元和/或至少一个薄膜单元来调节声学超材料器件的隔声频率，解决了目前声学超材料器件最大隔声频率固定、结构共振频率无法调节的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及声学技术领域，具体而言涉及一种声学超材料器件。
背景技术
声学超材料具有负等效质量密度、负等效体积模量、负折射效应等特性，能突破传统声学材料质量定律的限制，对声波进行灵活、精准地操控，能够使用小型化、轻质化的结构解决低频隔声问题。然而，声学超材料的性能与结构密切相关，一旦加工成型，其结构固定，声学超材料的功能将不能改变，严重限制了其应用范围。因此，设计可调声学超材料，实现声学超材料工作频谱可调性，会极大扩展其应用领域。
目前，通常采用改变器件的材质或结构实现其固有频率的可调性。如将材质更换为压电材料，通过在声学超材料器件外加载荷或电场改变器件形状，引起固有频率的变化。由于附加外接电路，增大了结构设计的复杂度。此外，压电材料产生形变量有限，限制了器件隔声频带的可调节范围。通过改变器件本身结构，可实现对器件固有频率的调节。如将薄膜型声学超材料器件的薄膜密封在箱体上，通过改变箱体内部的压强，调节薄膜的预应力，实现器件的可调节型。但是，这种结构设计较复杂，应用范围有限。
实用新型内容
在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型的实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本实用新型提供了一种声学超材料器件，其特征在于，包括：
超材料单元，包括：
第一薄膜，所述第一薄膜具有第一固有频率；
质量块，固定设置于所述第一薄膜上，与所述第一薄膜相接触；
第一刚性框架，用于支撑所述第一薄膜；
至少一个薄膜单元，包括：
第二薄膜，所述第二薄膜具有第二固有频率；
第二刚性框架，用于支撑所述第二薄膜；
基于调节所述超材料单元和/或所述至少一个薄膜单元调节所述声学超材料器件的隔声频率。
示例性地，所述第一薄膜与所述第二薄膜平行布置或设置为所述第一薄膜的延伸平面与所述第二薄膜的延伸平面的夹角范围小于10°
示例性地，所述第二薄膜在所述第一薄膜上的正投影的面积与所述第一薄膜的面积的比值大于70％。
示例性地，基于调节所述超材料单元和/或所述至少一个薄膜单元调节所述声学超材料器件的隔声频率包括：
基于调节所述第一薄膜的第一固有频率和/或所述至少一个薄膜单元的第二固有频率调节所述声学超材料器件的隔声频率。
示例性地，调节所述第一薄膜的第一固有频率包括：调节所述第一薄膜的第一厚度和/或第一预应力，以调节所述第一薄膜的第一固有频率；
调节所述第二薄膜的第二固有频率包括：调节所述第二薄膜的第二厚度和/或第二预应力，以调节所述第二薄膜的第二固有频率。
示例性地，所述第一薄膜与所述第二薄膜之间具有第一间距，所述基于调节所述超材料单元和/或所述至少一个薄膜单元调节所述声学超材料器件的隔声频率包括：
基于调节所述第一间距的大小调节所述超材料单元与所述至少一个薄膜单元的相互作用，以调节所述声学超材料器件的隔声频率。
示例性地，基于调节所述超材料单元和/或所述至少一个薄膜单元调节所述声学超材料器件的隔声频率包括：
基于调节所述薄膜单元的数量调节所述声学超材料器件的隔声频率。
示例性地，所述声学超材料器件的隔声频率范围为600Hz～1000Hz。
示例性地，所述第一薄膜为圆形或多边形，所述质量块为扇形，所述扇形的圆心角的范围为15°～180°，所述扇形的顶点与所述第一薄膜的中心点重合。
示例性地，所述第一刚性框架和所述第二刚性框架为磁性材料，所述第一刚性框架和所述第二刚性框架包括圆形或多边形，所述第一刚性框架和所述第二刚性框架均具有中空区域，所述第一薄膜与所述第一刚性框架的形状匹配，所述第二薄膜与所述第二刚性框架的形状匹配。
根据本实用新型提供的声学超材料器件，包括超材料单元以及至少一个薄膜单元，其中超材料单元包括框架、薄膜以及与薄膜相接触的质量块，薄膜单元包括框架和薄膜，通过调节超材料单元和/或至少一个薄膜单元来调节声学超材料器件的隔声频率，解决了目前声学超材料器件最大隔声频率固定、结构共振频率无法调节的问题。
附图说明
本实用新型的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施例及其描述，用来解释本实用新型的原理。
附图中：
图1为根据本实用新型实施例的声学超材料器件的主视图；
图2为根据本实用新型实施例的声学超材料器件的俯视图；
图3为根据本实用新型实施例的声传递损失曲线图；
图4为根据本实用新型实施例的声传递损失曲线图；
图5为根据本实用新型实施例的声传递损失曲线图；
图6为根据本实用新型实施例的声传递损失曲线图；
图7为根据本实用新型实施例的声传递损失曲线图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本实用新型能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本实用新型的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本实用新型的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本实用新型，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本实用新型提出的技术方案。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。
本实用新型提供了一种声学超材料器件，如图1和图2所示，包括：
超材料单元10，包括：
第一薄膜11，所述第一薄膜11具有第一固有频率；
质量块12，固定设置于所述第一薄膜11上，与所述第一薄膜11相接触；
第一刚性框架13，用于支撑所述第一薄膜11；
至少一个薄膜单元20，包括：
第二薄膜21，所述第二薄膜21具有第二固有频率；
第二刚性框架22，用于支撑所述第二薄膜21；
基于调节所述超材料单元10和/或所述至少一个薄膜单元20调节所述声学超材料器件的隔声频率。
示例性地，所述第一刚性框架13和所述第二刚性框架22为可隔绝声传播的硬质塑料或金属，包括但不限于EVA树脂、铜、铁、钢、磁铁等。所述第一刚性框架13和所述第二刚性框架22可以根据需要选择合适的形状，包括但不限于圆形或多边形，本申请对此不做限制。所述第一刚性框架13和所述第二刚性框架22均具有中空区域。
示例性地，第一薄膜11和第二薄膜21分别设置在第一刚性框架13和第二刚性框架22上，以使第一刚性框架13支撑第一薄膜11，第二刚性框架22支撑所述第二薄膜21。进一步地，第一薄膜11与第一刚性框架13的形状匹配，第二薄膜21与第二刚性框架22的形状匹配，第一薄膜11和第二薄膜12为圆形或多边形。进一步的，支撑方式包括在一个实施例中，如图1和图2所示，第一刚性框架13和第二刚性框架22选用形状和大小一致的圆环形，圆环中间具有圆形中空区域，第一薄膜11和第二薄膜21分别覆盖第一刚性框架13和第二刚性框架22的圆形中空区域，具体地，如图1所示，第一薄膜11与第一刚性框架13的底部通过胶粘的方式固定连接，第二薄膜21与第二刚性框架22的底部通过胶粘的方式固定连接以使得11支撑13。需要说明的是，第一薄膜11和第二薄膜21在第一刚性框架13和第二刚性框架22中的位置(例如，顶部、上部、中部、下部或底部)以及连接方式可以根据需要进行选择，本申请对此不作限制。
在一个实施例中，第一刚性框架13和第二刚性框架22选用磁性材料，一方面用来隔绝声波的传播，另一方面提供超材料单元10和至少一个薄膜单元20的吸引力，即，通过磁性材料之间的吸引力，使第一刚性框架13和第二刚性框架22吸在一起，构成声学超材料器件。
示例性地，所述第一薄膜11与所述第二薄膜21平行布置或设置为所述第一薄膜11的延伸平面与所述第二薄膜21的延伸平面的夹角范围小于10°
示例性地，所述第二薄膜在所述第一薄膜上的正投影的面积与所述第一薄膜的面积的比值大于70％。
在一个实施例中，第一薄膜11和第二薄膜21包括但不限于具有弹性的塑料膜，如硅橡胶膜、聚酰亚胺膜等，其密度为980kg/m3，杨氏模量为1.9×105Pa，泊松比为0.48，第一薄膜11和第二薄膜21的预应力和厚度可以根据需要进行设置，例如预应力范围包括1MPa～5MPa，厚度范围包括0.1mm～0.5mm。
在一个实施例中，由于第一刚性框架13和第二刚性框架22选用形状和大小一致的圆环形，因此第一薄膜11与第二薄膜21为形状和大小一致的圆形，并且第一薄膜11与第二薄膜21沿第一方向平行布置，在与所述第一方向垂直的第二方向上，第一薄膜11与第二薄膜21的圆心重合，如图1所示。
需要说明的是，在上述实施例中，第一薄膜与第二薄膜的相对大小以及相对位置仅是示例性地，本申请对此不做限制，可以根据需要对第一薄膜与第二薄膜的形状、大小以及位置进行设置或调节。
示例性地，所述质量块采用金属材料制成，包括但不限于铝、铁、铜、铅等。
示例性地，质量块为扇形，所述扇形的顶点与所述第一薄膜的中心点重合。
在一个实施例中，第一薄膜11为具有第一半径的圆形，质量块12为具有第二半径的扇形，所述扇形的顶点与所述第一薄膜11的圆心重合，所述扇形的圆心角的范围为15°～180°，所述第二半径与所述第一半径的比值范围包括1/2～1。
在一个实施例中，质量块材质为铝，其密度为2700kg/m3，杨氏模量为7.2×1010Pa，泊松比为0.35。第一薄膜11为圆形，其半径为20mm，质量块12为扇形，其半径为15mm，厚度为1mm，圆心角为30°，扇形的顶点与第一薄膜11的圆心重合。第一薄膜11与质量块12的底部通过胶粘的方式固定连接，并且质量块12设置在第一薄膜11的上方，即，远离薄膜单元20的一侧。
根据本实用新型提供的声学超材料器件，薄膜的预应力可以提供薄膜的水平张力，当外来激励输入时，引起薄膜的振动，至少一个薄膜单元20中薄膜的振动会与超材料单元1中的第一薄膜发生耦合，从而改变薄膜的等效刚度，进而改变声学超材料器件的整体刚度，实现共振频率的改变。
在本申请中，超材料单元10和薄膜单元20为独立结构，可以分别对其进行更换，降低器件维修成本。
参照图3至图7所示，器件的声传递损失(STL)通过有限元软件仿真件COMSOL求解获得。利用声固耦合模型，计算入射侧与透射侧的声功率，从而得到结构的隔声量。其中，入射声功率通过公式求得；透射声功率通过公式/>求得，式中：Pin和Pin分别为平面波入射声压和透射声压，ρc为空气的特性阻抗。声传递损失(STL)通过公式求得。平面波入射声压设置为1Pa。
示例性地，所述第一薄膜与所述第二薄膜之间具有第一间距，基于调节所述超材料单元和/或所述至少一个薄膜单元调节所述声学超材料器件的隔声频率包括：基于调节所述第一间距的大小调节所述超材料单元与所述至少一个薄膜单元的相互作用，从而调节所述声学超材料器件的隔声频率。
示例性地，基于调节所述超材料单元和/或所述至少一个薄膜单元调节所述声学超材料器件的隔声频率包括：基于调节所述第一薄膜的第一固有频率和/或所述至少一个薄膜单元的第二固有频率调节所述声学超材料器件的隔声频率。
进一步地，调节所述第一薄膜的第一固有频率包括：调节所述第一薄膜的第一厚度，以调节所述第一薄膜的第一固有频率；调节所述第二薄膜的第二固有频率包括：调节所述第二薄膜的第二厚度，以调节所述第二薄膜的第二固有频率。
在一个实施例中，当第一刚性框架13和第二刚性框架22选用磁性材料，第一刚性框架13和第二刚性框架22吸在一起构成声学超材料器件时，可以通过直接改变第二刚性框架22的高度来调节第一薄膜11与第二薄膜21之间的第一间距。
在一个实施例中，薄膜单元20的个数n＝1，第一薄膜11和第二薄膜21的预应力均为3MPa，第一薄膜11和第二薄膜21的厚度均为0.2mm，第一薄膜11和第二薄膜21为圆形且半径为20mm时，当调节第一薄膜11与第二薄膜21之间的第一间距d2分别为0、0.3mm、0.5mm和1mm时，声学超材料器件的隔声频率范围与声传递损失(STL)如图3所示：未加入薄膜单元(d2＝0)时，得到的最大隔声频率为890Hz，当第一间距d2从0.3mm，0.5mm到1mm变化时，最大隔声频率发生了明显的变化，分别变为了710Hz，790Hz，850Hz。
在一个实施例中，薄膜单元20的个数n＝1，第一薄膜11和第二薄膜21的预应力均为3MPa，第一薄膜11和第二薄膜21的厚度均为0.4mm，第一薄膜11和第二薄膜21为圆形且半径为20mm时，当调节第一薄膜11与第二薄膜21之间的第一间距d2分别为0、0.3mm、0.5mm和1mm时，声学超材料器件的隔声频率范围与声传递损失(STL)如图4所示：未加入薄膜单元时，得到的最大隔声频率为1140Hz，当第一间距d2从0.3mm，0.5mm到1mm变化时，最大隔声频率分别变为了930Hz，1020Hz，1090Hz。
进一步地，调节所述第一薄膜的第一固有频率包括：调节所述第一薄膜的第一预应力，以调节所述第一薄膜的第一固有频率；调节所述第二薄膜的第二固有频率包括：调节所述第二薄膜的第二预应力，以调节所述第二薄膜的第二固有频率。
在一个实施例中，薄膜单元20的个数n＝1，第一薄膜11和第二薄膜21的厚度均为0.2mm，第一薄膜与第二薄膜之间的第一距离为0.3mm，第一薄膜11和第二薄膜21为圆形且半径为20mm时，第一薄膜11的预应力为3MPa，当调节和第二薄膜21的预应力分别为0MPa、1MPa、2MPa和3MPa时，声学超材料器件的隔声频率范围与声传递损失(STL)如图5所示：当第二薄膜21的预应力P＝0MPa时，最大隔声频率为850Hz，当分别更换预应力为1MPa、2MPa、3MPa的第二薄膜时，最大隔声频率分别变为了880Hz、970Hz、730Hz。
示例性地，基于调节所述超材料单元和/或所述至少一个薄膜单元调节所述声学超材料器件的隔声频率包括：基于调节所述薄膜单元的数量调节所述声学超材料器件的隔声频率。
在一个实施例中，第一薄膜11和第二薄膜21的厚度均为0.2mm，第一薄膜与第二薄膜之间的第一距离为0.3mm，第一薄膜11和第二薄膜21的预应力均为3MPa，第一薄膜11和第二薄膜21为圆形且半径为20mm时，当调节薄膜单元20的数量n分别为1、2、3时，声学超材料器件的隔声频率范围与声传递损失(STL)如图6所示：当薄膜单元个数n＝1时，得到的最大隔声频率为890Hz。当薄膜单元个数增加为2个时，最大隔声频率变为710Hz。当薄膜单元个数增加为三个时，最大隔声频率变为660Hz和840Hz。
示例性地，基于调节所述超材料单元和/或所述至少一个薄膜单元调节所述声学超材料器件的隔声频率包括：基于调节所述第一刚性框架13和所述第二刚性框架22的形状和大小调节所述声学超材料器件的隔声频率。
在一个实施例中，薄膜单元20的个数n＝1，第一薄膜11和第二薄膜21的预应力均为3MPa，第一薄膜11和第二薄膜21的厚度均为0.2mm，第一薄膜11和第二薄膜21为正方形且边长为40mm时，当调节第一薄膜11与第二薄膜21之间的第一间距d2分别为0、0.4mm、0.5mm和1mm时，声学超材料器件的隔声频率范围与声传递损失(STL)如图7所示：未加入薄膜单元时，得到的最大隔声频率为840Hz，当第一间距d2从0.4mm，0.5mm到1mm变化时，最大隔声频率发生了明显的变化，分别变为了670Hz，710Hz和790Hz。
本申请提供的声学超材料器件，其最大隔声频率可通过更换超材料单元10和/或薄膜单元20进行调节，更好地适应环境变化，拓宽工作范围，实现600Hz～1000Hz频带范围内针对特定频率的隔声调节，调频范围较宽。
本申请提供的声学超材料器件，尺寸较小，可以在低厚度和小尺度下实现对低频的隔声，有利于器件的小型化和集成化，可适用性更广，可用于汽车前围、建筑物表面、航天整流罩、飞机壁板、管道上的隔声降噪。
根据本实用新型提供的声学超材料器件，包括超材料单元以及至少一个薄膜单元，其中超材料单元包括框架、薄膜以及与薄膜相接触的质量块，薄膜单元包括框架和薄膜，通过调节超材料单元和/或至少一个薄膜单元来调节声学超材料器件的隔声频率，解决了目前声学超材料器件最大隔声频率固定、结构共振频率无法调节的问题。
本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (10)
1.一种声学超材料器件，其特征在于，包括：
超材料单元，包括：
第一薄膜，所述第一薄膜具有第一固有频率；
质量块，固定设置于所述第一薄膜上，与所述第一薄膜相接触；
第一刚性框架，用于支撑所述第一薄膜；
至少一个薄膜单元，包括：
第二薄膜，所述第二薄膜具有第二固有频率；
第二刚性框架，用于支撑所述第二薄膜；
基于调节所述超材料单元和/或所述至少一个薄膜单元调节所述声学超材料器件的隔声频率。
2.如权利要求1所述的声学超材料器件，其特征在于，所述第一薄膜与所述第二薄膜平行布置或设置为所述第一薄膜的延伸平面与所述第二薄膜的延伸平面的夹角范围小于10°。
3.如权利要求2所述的声学超材料器件，其特征在于，所述第二薄膜在所述第一薄膜上的正投影的面积与所述第一薄膜的面积的比值大于70％。
4.如权利要求1所述的声学超材料器件，其特征在于，基于调节所述超材料单元和/或所述至少一个薄膜单元调节所述声学超材料器件的隔声频率包括：
基于调节所述第一薄膜的第一固有频率和/或所述至少一个薄膜单元的第二固有频率调节所述声学超材料器件的隔声频率。
5.如权利要求4所述的声学超材料器件，其特征在于，
调节所述第一薄膜的第一固有频率包括：调节所述第一薄膜的第一厚度和/或第一预应力，以调节所述第一薄膜的第一固有频率；
调节所述第二薄膜的第二固有频率包括：调节所述第二薄膜的第二厚度和/或第二预应力，以调节所述第二薄膜的第二固有频率。
6.如权利要求1所述的声学超材料器件，其特征在于，所述第一薄膜与所述第二薄膜之间具有第一间距，所述基于调节所述超材料单元和/或所述至少一个薄膜单元调节所述声学超材料器件的隔声频率包括：
基于调节所述第一间距的大小调节所述超材料单元与所述至少一个薄膜单元的相互作用，以调节所述声学超材料器件的隔声频率。
7.如权利要求1所述的声学超材料器件，其特征在于，基于调节所述超材料单元和/或所述至少一个薄膜单元调节所述声学超材料器件的隔声频率包括：
基于调节所述薄膜单元的数量调节所述声学超材料器件的隔声频率。
8.如权利要求1所述的声学超材料器件，其特征在于，所述声学超材料器件的隔声频率范围为600Hz～1000Hz。
9.如权利要求1所述的声学超材料器件，其特征在于，所述第一薄膜为圆形或多边形，所述质量块为扇形，所述扇形的圆心角的范围为15°～180°，所述扇形的顶点与所述第一薄膜的中心点重合。
10.如权利要求1所述的声学超材料器件，其特征在于，所述第一刚性框架和所述第二刚性框架为磁性材料，所述第一刚性框架和所述第二刚性框架包括圆形或多边形，所述第一刚性框架和所述第二刚性框架均具有中空区域，所述第一薄膜与所述第一刚性框架的形状匹配，所述第二薄膜与所述第二刚性框架的形状匹配。
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