CN109523985A - 一种抑制多频率谐波噪声的薄膜型声学超材料设计方法 - Google Patents

一种抑制多频率谐波噪声的薄膜型声学超材料设计方法 Download PDF

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张明远
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Abstract

本发明设计了一种用以抑制多频率谐波噪声的薄膜型声学超材料，其结构如图5所示。主要应用于降噪减振领域中，技术方案具体为使用铝材为整体框架、采用硅胶薄膜并通过更改薄膜中心所放置的钕铁硼磁铁的数量以更改中心质量，得到具有不同隔声峰频率的单层薄膜型声学超材料，当超材料中心质量不同时，其隔声峰频率也不同。将具有不同隔声峰频率的薄膜型声学超材料叠加后可获得多层结构的薄膜型声学超材料，叠加时每层之间需放置铝制空圆环。多层结构的薄膜型声学超材料会具有多个隔声峰频率，分别对应叠加所用的单层薄膜型声学超材料的隔声峰频率，且该隔声峰频率处的隔声量也会增大，具有更好的隔声效果，以此便可以更有效的解决多频率谐波噪声的隔声降噪问题。

Description

一种抑制多频率谐波噪声的薄膜型声学超材料设计方法
技术领域
本发明提出了一种抑制多频率谐波噪声的薄膜型声学超材料设计方法，该方法所设计出的薄膜型声学超材料可以有效抑制多频率谐波噪声，该材料由单层的薄膜型声学超材料叠加构成，叠加后的多层声学超材料会获得单层声学超材料的隔声峰频率，且叠加后的多层声学超材料在隔声峰频率处的隔声量会大于单层声学超材料的同频率处的隔声量。
背景技术
薄膜型声学超材料是一种新型的复合材料，在低频范围内具有很好的隔声效果，相比于传统的隔声材料，薄膜型声学超材料具有更好的隔声性能，因为传统隔声材料受质量作用定律的限制，材料厚度越厚才会获得更大的隔声量，当材料厚度增大十倍时，隔声量也仅仅增大二十倍，这是十分不经济的，而薄膜型声学超材料仅靠毫米级的材料厚度就能获得理想的隔声量，不仅如此，由于在实际当中，单一频率的谐波噪声的情况较少，多数情况下噪声主要由多个频率的谐波噪声组成，这时将单层的薄膜型声学超材料进行叠加后，就可以抑制多频率的谐波噪声。
发明内容
薄膜型声学超材料一般由刚性框架、弹性薄膜和中心质量块三部组成，本发明所提出的薄膜型声学超材料采用铝材作为刚性框架，刚性框架设计有阶梯环，薄膜采用硅胶薄膜，中心质量块采用钕铁硼磁铁质量块。将其组合安装好后便可以得到单层的声学超材料，更改磁铁的数量以获得不同的中心质量，从而获得具有不同隔声峰频率的单层薄膜型声学超材料。单层薄膜型声学超材料制备好后，通过叠加的方式将两层甚至多层的材料进行叠加便可以获得多层薄膜型声学超材料，叠加时每层薄膜型声学超材料之间放置铝制空圆环以避免钕铁硼磁铁质量块之间的吸引力作用。本发明的有益效果可以更为经济的方式达到抑制多频率谐波噪声的目的。
附图说明
图1刚性框架建模正视图
图2刚性框架建模俯视图
图3单层薄膜型声学超材料实物图
图4铝制空圆环实物图
图5多层薄膜型声学超材料结构示意图
图6测试***连接示意图
图7 0.6g、1.2g、1.8g超材料及其叠加后的隔声曲线
具体实施方式
下面参照附图和具体实施案例对本发明做进一步详细说明。本发明可以用许多不同的形式来实施，并不局限于此处描述的实施案例，提供此实施按例是为了详尽地且完全的公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。
步骤1:铝制框架设计。采用铝材作为框架，框架形状为具有6个螺孔的圆环，外径为100mm，内径为80mm，厚度为4mm，此外圆环上具有厚度为1mm，外径90mm，内径80mm的阶梯环用以保证薄膜可以被有效的张紧并保证薄膜在安装过程中不撕裂。铝制框架使用SolidWorks建模软件进行建模，其正视图和俯视图分别如图1、图2所示，图1中的1为铝材框架，2为硅胶薄膜。
步骤2:弹性薄膜的选取。采用硅胶薄膜，具有很好的抗拉丝、抗老化性能，厚度约为0.4mm。
步骤3:中心质量块的选取。采用钕铁硼磁铁作为质量块，形状为圆柱体，底面直径5mm，高度2mm，单个质量为0.3g。
步骤4:单层薄膜型声学超材料的组装。用两个铝制框架将硅胶薄膜夹在中间，使用螺丝将框架固定好并且务必保证薄膜处于张紧状态，而后在薄膜中心两侧分别放置数量相等的质量块，依靠磁力进而吸附在薄膜中心处，就构成了一个单层薄膜型声学超材料，改变质量块的数量就可导致中心质量的不同，以此来获得不同的隔声峰频率。实物图如图3所示。
步骤5:多层薄膜型声学超材料的实现。单胞薄膜型声学超材料制作好后就可制作多层薄膜型声学超材料，因为在使用多层超材料实验时，若直接将两个单胞试件进行叠加，薄膜中心附加的钕铁硼磁铁会受到磁力作用使薄膜发生形变，影响隔声结果，所以需准备数个铝制空圆环，如图4所示，用以放在每层薄膜型声学超材料中间增大距离以避免磁铁之间磁力作用，空圆环外径为100mm，内径80mm，厚度为5mm，多层薄膜型声学超材料结构如图5所示，其中1、3为单层薄膜型声学超材料，2为铝制空圆环组成的可调层。
刚性框架等采用此规格是由于本发明要对该声学超材料的隔声性能进行说明，需要将其放置于B&K公司的阻抗管中进行实验论证，对于本发明所涉及技术领域的技术人员，当实际应用时可做一定修改以适用于具体问题。
采用中心质量分别为0.6g、1.2g和1.8g共计三种不同的薄膜型声学超材料对其隔声性能进行说明，其制备方法是：薄膜两侧各吸附1个质量为0.3g的钕铁硼磁铁质量块就可以得到中心质量为0.6g的薄膜型声学超材料，两侧各吸附2个则可以得到中心质量为1.2g的薄膜型声学超材料，两侧各吸附3个可以得到中心质量1.8g的薄膜型声学超材料。
采用B&K公司PULSE套件进行隔声测试，设备连接如图6所示，其中1、2、3、4和5分别为信号采集前端、功率放大器、传声器、阻抗管和电脑，将单层薄膜型声学超材料放置于阻抗管中，采用四传声器法，先分别测得中心质量分别为0.6g、1.2g和1.8g的单层薄膜型声学超材料隔声曲线，再将这三种超材料进行叠加，每层之间叠放适当数量的空圆环以避免磁铁间的吸引，测得其隔声曲线如图7所示，可以发现，改变中心质量确实可以获得不同的隔声峰频率，中心质量为0.6g、1.2g和1.8g的薄膜型声学超材料其隔声峰频率分别约为150Hz、100Hz和70Hz，与此同时，将这三种隔声峰频率不同的超材料进行叠加后，也可以获得150Hz、100Hz和70Hz三个隔声峰频率，且可以发现这三处的隔声峰频率的隔声量均明显高于不叠加时单层薄膜型声学超材料在该隔声峰频率处的隔声量。

Claims (1)

1.一种抑制多频率谐波噪声的薄膜型声学超材料设计方法，该薄膜型声学超材料由铝制框架、张紧的硅胶薄膜和薄膜中心所放置的钕铁硼磁铁组成，并通过调整钕铁硼磁铁的数量更改质量，制作得到具有不同隔声峰频率的单层薄膜型声学超材料，单层薄膜型声学超材料可以抑制单一频率的谐波噪声，将几层超材料叠加后可以得到多层薄膜型声学超材料，多层薄膜型声学超材料可以抑制多频率的谐波噪声，请求保护本发明当中所提出的薄膜型声学超材料的设计方法。具体如下：
(1)单层薄膜型声学超材料的设计方法，包括刚性框架的设计，膜张紧方法，钕铁硼磁铁的选用，特别强调本发明中所设计的一种阶梯环，可以有效的保障张紧薄膜在安装过程中不被撕裂；
(2)单层薄膜型声学超材料隔声峰频率的控制方法，通过改变薄膜中心所放置的钕铁硼磁铁的数量来改变中心质量，进而获得不同的隔声峰频率；
(3)多层薄膜型声学超材料的设计方法，将两层以上的单层声学超材料进行叠加，每层之间放置不同数量的铝制空圆环调整薄膜之间的间距和钕铁硼磁铁之间的吸引力；
(4)多层薄膜型声学超材料的多个隔声峰频率的控制方法，这种多层结构的隔声效果并不是单层结构的简单叠加，叠加后每层材料隔声峰频率处的隔声量会高于不叠加时的隔声量。
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