CN103594080A - 一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置 - Google Patents

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赵宏刚
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Abstract

本发明提供一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置，由格栅支架、粘弹性薄膜和配重块组成；格栅支架由刚性轻质材料制成，由正方形格子延x方向和y方向周期性延拓而成；所述的粘弹性薄膜张紧粘接在格栅支架上；所述的配重块分别对应正方形格子呈周期性的附加设置在粘弹性薄膜上；正方形格子以及与其对应的粘弹性薄膜和配重块构成元胞，元胞为隔声装置中阻隔低频噪音的最小声学超材料单元。通过若干个声学超材料单元周期排列构成，能够通过配置在相邻元胞中不同质量的配重块实现对宽带，也就是较宽的频率范围的覆盖；在超材料单元受到声波激励时，不仅配重块和张紧的粘弹性薄膜发生局域共振现象，使得整个元胞的平均位移为零，实现高效地阻隔声音。

Description

一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置
技术领域
本发明涉及低频噪声阻隔技术，具体为一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置。
背景技术
20世纪50年代以来，随着航空航天、高速列车、输变电工程等的飞速发展，噪声问题日益严重，引起了人们的广泛关注。在生活领域，噪声干扰着人们的正常工作和生活，长期暴露在高噪声环境下会对人的身体健康造成危害。在生产领域，强烈的噪声会使仪器设备失效甚至损坏，从而导致事故的发生。在军事领域，随着各类武器装备向高速、轻质、大型、重载等极端运行环境发展，引发的噪声问题更加突出，严重影响了某些技术兵器的作战和声隐身性能，降低了装备的战场生存能力。因此，噪声控制在军事和民用领域都是一项非常重要的工作。
采用传统的吸隔声技术，能够有效隔离噪声中的中高频成分，而低频噪声具有传播距离远、透声能力强、隔离难度大等特点，一直是噪声控制的一项难题。传统隔声材料在低频段的隔声量受质量密度定律控制，难以用轻质材料实现低频宽带隔声。研究表明，在航空航天、高速列车、输变电工程等领域中普遍存在低频噪声突出的问题。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置，能够使得轻质材料能够突破质量密度定律的限制，达到对低频噪声的高效阻隔。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置，由格栅支架、粘弹性薄膜和配重块组成；所述的格栅支架由刚性轻质材料制成，由正方形格子延x方向和y方向周期性延拓而成；所述的粘弹性薄膜张紧粘接在格栅支架上；所述的配重块分别对应正方形格子呈周期性的附加设置在粘弹性薄膜上；正方形格子以及与其对应的粘弹性薄膜和配重块构成元胞，元胞为隔声装置中阻隔低频噪音的最小声学超材料单元。
优选的，元胞的隔声峰值频率与对应的粘弹性薄膜张紧力正相关，与对应的配重块质量负相关。
优选的，格栅支架由有机玻璃或铝或铝合金制成；其中，正方形格子的边长为1-5cm，壁厚为2-8mm。
优选的，粘弹性薄膜由硅橡胶制成。
优选的，配重块由磁铁或铜制成，配重块呈对称的棱柱体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置，由若干个声学超材料单元周期排列构成，能够通过配置在相邻元胞中不同质量的配重块实现对宽带，也就是较宽的频率范围的覆盖；在超材料单元受到声波激励时，不仅配重块和张紧的粘弹性薄膜发生局域共振现象，使得整个元胞的平均位移为零，实现高效地阻隔声音，还会有相邻元胞中的配重块和张紧的粘弹性薄膜发生反相振动现象，在更低频的位置产生高效的隔声能力，进而实现在较宽频率范围内阻隔噪音。不仅能够有效的阻隔一定频率范围内的噪音，尤其是能够阻隔采用传统隔声材料和技术无法隔离的低频噪声，同时在宽频带上的隔声效果也能达到一般需求。做为最小声学超材料的元胞能够产生低频共振，实现低频声波带隙，高效的阻隔低频声波的传播，突破质量密度定律的限制。
进一步的，通过对元胞中歌组成结构材料和尺寸的限定，提高了本发明阻隔低频噪音的效果；其中，通过对格栅支架材料的限定，能够保证格栅在保证强度的前提下，正方形格子拥有较小的壁厚，能够减少格栅支架的质量和噪音的穿透。
附图说明
图1为本发明所述隔声装置的总体结构示意图。
图2为图1中心提取中的四个元胞结构示意图。
图3为本发明实例中所述的实验样品结构示意图。
图4为本发明实例中所述不同质量的配重块实验样品结构示意图；a为样品1，b为样品2，c为样品3。
图5为用有限元软件仿真得到的3种样品的声传输损失曲线对比图。
图6为用有限元软件仿真得到的样品1的声传输损失曲线中隔声谷和隔声峰对应频率的振动位移图。
图7为实际测量得到的3种样品的声传输损失曲线。
图中：1为配重块，2为粘弹性薄膜，3为格栅支架。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置，如图1和图2所示，由格栅支架3、粘弹性薄膜2和配重块1组成；所述的格栅支架3由刚性轻质材料制成，由正方形格子延x方向和y方向周期性延拓而成；所述的粘弹性薄膜2张紧粘接在格栅支架3上；所述的配重块1分别对应正方形格子呈周期性的附加设置在粘弹性薄膜2上；正方形格子以及与其对应的粘弹性薄膜2和配重块1构成元胞，元胞为隔声装置中阻隔低频噪音的最小声学超材料单元。
进一步的，元胞的隔声峰值频率与粘弹性薄膜2张紧力正相关，与配重块1质量负相关；本优选实例中，格栅支架3由有机玻璃或铝或铝合金制成；其中，正方形格子的边长为1-5cm，壁厚为2-8mm；粘弹性薄膜2由硅橡胶制成；配重块1由磁铁或铜制成，配重块1呈对称的棱柱体，优选的采用圆柱体或长方体。
具体的，在元胞中刚性的格栅支架3主要起支撑作用，对整个轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置的隔声性能没有太大影响，因此在满足一定弯曲刚度的前提下，通过控制优化其结构参数能够减轻格栅支架的质量，从而减轻整个隔声装置的质量。
在每个元胞内的粘弹性薄膜2和配重块1能够等效成一个弹簧连接一个振子的局域共振结构。调整粘弹性薄膜2的张紧力类似于改变弹簧的弹性系数，调整配重块1的尺寸和材料类似于改变振子的质量。对于由弹性系数为K的弹簧和质量为m的振子组成的局域共振结构，其共振频率为
Figure BDA0000402385310000041
因此，能够通过调整粘弹性薄膜2的张紧力和调整重物的尺寸和材料，控制本发明的隔声峰值频率。粘弹性薄膜2张紧力越大，隔声峰值频率越高，呈正相关；配重块1质量越大，隔声峰值频率越低，呈负相关。
如图3所示，其为包含四个元胞的轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置的样品实物图。优选的，格栅支架3的材料采用密度较轻、加工性能较好的铝，由于驻波管尺寸限制，样品整体为短圆柱形，直径为100mm，厚度为15mm。铝制的实验样品上加工有4个20×20mm的矩形小孔，小孔之间的壁厚为4mm，对应格栅支架3的壁厚为4mm，边长为2cm；粘弹性薄膜2采用弹性较大且撕拉强度较大的硅橡胶材料，厚度为0.2mm，密度为1000kg/m3，弹性模量为2×107Pa，薄膜张力为0.56×106Pa。配重块1采用了能够方便添减重量的磁铁，半径为2mm，每个磁铁的质量为0.9g。通过增减磁铁的个数调整元胞的局域共振频率。
为了验证本发明的隔声效果，因此进行对比试验，设计如图4所示出的3种样品，这3种样品采用的格栅支架3的结构尺寸、材料、粘弹性薄膜2的张紧力等与上述的样品相同，只是配重块1的质量有所不同。图4a所示的是样品1，它含有两种质量的磁铁，相邻元胞之间分别放置质量为0.18g和0.27g的磁铁，其中0.18g的磁铁用空心圆点表示，0.27g的磁铁用实心圆点表示。图4b所示的是样品2，它的四个元胞均放置了质量为0.18g的磁铁。图4c所示的是样品3，它的四个元胞均放置了质量为0.27g的磁铁。
如图5所示，通过有限元方法计算得到的3种样品的声传输损失曲线。从图5中可以看出样品2和样品3的声传输损失曲线有两个隔声谷和一个隔声峰，而样品1的声传输损失曲线有三个隔声谷和两个隔声峰。样品1不仅能在样品2与样品3具有较好隔声效果的频带内产生阻隔声音的效果，在更低的频率处还能产生一个隔声峰，从而拓展本发明所述元胞中隔声频率范围。如果重物的质量有更多种，那么隔声频带必然会进一步拓宽，不仅具有良好的目标性，而且能够方便的通过结构调整，适应宽范围的隔声需求。
如图6所示，通过有限元法计算得到的样品1的声传输损失曲线中隔声谷和隔声峰对应频率的振动位移图，显示了其良好的隔声效果和交宽的隔声频率范围，在较宽的隔声频带上实现隔声。图6a示出了第一个隔声谷对应频率的振动位移图，可以看出质量为0.27g的磁铁与其所在单元的粘弹性薄膜2往同一个方向振动，而质量为0.18g的磁铁与其所在单元的粘弹性薄膜几乎不振动。图6b示出了第二个隔声谷对应频率的振动位移图，可以看出质量为0.18g的磁铁与其所在单元的粘弹性薄膜2往同一个方向振动，而质量为0.27g的磁铁与其所在单元的粘弹性薄膜2几乎不振动。图6c示出了第三个隔声谷对应频率的振动位移图，可以看出质量为0.27g的磁铁与质量为0.18g的磁铁几乎不参与振动，而四个单元的粘弹性薄膜往同一个方向振动。图6d示出了第一个隔声峰对应频率的振动位移图，可以看出质量为0.27g的磁铁与其所在单元的粘弹性薄膜往一个方向振动，而质量为0.18g的磁铁与其所在单元的粘弹性薄膜往另一个方向振动。图6e示出了第二个隔声峰对应频率的振动位移图，可以看出质量为0.27g的磁铁与质量为0.18g的磁铁往一个方向振动，而四个单元的粘弹性薄膜2往另一个方向振动。
如图7所示，为实验测量得到的3种样品的声传输损失曲线。能够看出实验测量得到的曲线与图5中用有限元方法计算的曲线形状大体一致，隔声峰和隔声谷对应的频率也是一致的。但是实验测得的声传输损失比有限元法计算得到的要高一些，这是因为由于阻抗管是圆的，样品也必须制作成圆的，所以在四个元胞周围是15mm厚的铝，其具有较高的隔声能力，从而使整体的声传输损失提高了。因此完全能够通过有限元分析代替实验测量，而且准确度更好，速度快，节省成本，图5、图6所述的有限元分析的实验结果真实可靠。

Claims (8)

1.一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置，其特征在于，由格栅支架（3）、粘弹性薄膜（2）和配重块（1）组成；所述的格栅支架（3）由刚性轻质材料制成，由正方形格子延x方向和y方向周期性延拓而成；所述的粘弹性薄膜（2）张紧粘接在格栅支架（3）上；所述的配重块（1）分别对应正方形格子呈周期性的附加设置在粘弹性薄膜（2）上；正方形格子以及与其对应的粘弹性薄膜（2）和配重块（1）构成元胞，元胞为隔声装置中阻隔低频噪音的最小声学超材料单元。
2.根据权利要求1所述的一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置，其特征在于，元胞的隔声峰值频率与对应的粘弹性薄膜（2）张紧力正相关，与对应的配重块（1）质量负相关。
3.根据权利要求1所述的一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置，其特征在于，所述的格栅支架（3）由有机玻璃或铝或铝合金制成。
4.根据权利要求1或3所述的一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置，其特征在于，所述的正方形格子的边长为1-5cm。
5.根据权利要求1或3所述的一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置，其特征在于，所述的正方形格子的壁厚为2-8mm。
6.根据权利要求1或2所述的一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置，其特征在于，所述的粘弹性薄膜（2）由硅橡胶制成。
7.根据权利要求1所述的一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置，其特征在于，所述的配重块（1）由磁铁或铜制成。
8.根据权利要求1或2或7所述的一种轻质低频宽带薄膜超材料隔声装置，其特征在于，所述的配重块（1）呈对称的棱柱体。
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