CN112037750B - 一种主动声学超材料结构单元、控制***及声学超材料板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种主动声学超材料结构单元、控制***及声学超材料板，所述主动声学超材料结构单元包括刚性框架及谐振单元，谐振单元设置在刚性框架内，谐振单元包括固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆、第一移动拉杆、折叠型弹性薄板及质量块，固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆均为若干个且个数相等，第一移动拉杆一侧与第一伸缩杆连接，第一移动拉杆另一侧与折叠型弹性薄板一端连接，第一伸缩杆通过固定支座和固定铰支座固定在刚性框架中，质量块粘接在折叠型弹性薄板上，通过第一伸缩杆控制第一移动拉杆的运动，折叠型弹性薄板受到拉伸或挤压，使折叠型弹性薄板的整个折叠间距得到改变。本发明所述单元，拓宽了声学超材料的隔声频带。
Description
技术领域
本发明涉及隔声降噪技术领域，尤其涉及一种主动声学超材料结构单元、控制***及声学超材料板。
背景技术
振动与噪声问题广泛存在于日常生活、交通运输、生产建筑及国防装备等领域，低频噪声具有波长较长、衍射能力强和能量不易衰减的特征，对低频噪声的控制一直隔声降噪技术中的难点，强烈的噪声尤其低频噪声危害人体的健康、引起机械结构的疲劳失效、导致精密仪器设备的故障、降低武器的作战性能和隐身能力等；随着现代科学技术和工业技术快速地发展，对噪声控制的需求愈来愈高，如何有效地实现低频隔声降噪已成为生活和工程中亟待解决的关键技术问题。
传统的隔吸声材料及结构，如橡塑板、泡沫板、纤维材料等，受到质量定律的制约，主要以增加结构厚度的方式实现对低频噪声的控制。通过增加结构的面密度，增大惯性阻力，使结构不容易产生振动，从而提升了隔声效果。但单位面积质量增加一倍，隔声量仅增加6dB，隔声效果并不理想。随着各类仪器装备对降噪材料的质量以及厚度要求越来越严格，使得传统降噪材料的局限性日益突出；声学超材料是人工制造的一种结构尺寸单元远小于声波波长的周期性结构，其包含局域共振单元或其他特征单元，具有很多自然界中常规材料所不具备的特殊性质，如负折射、负质量密度等，为实现低频隔声提供了可能，在生活和工程中具有广阔的应用前景。
尽管现有技术中提出的声学超材料具备优良的低频隔声特性，面对复杂的声学环境仍存在不足，通常，声学超材料通过被动的方式控制某一频段的低频噪声，一旦确定了这些超材料的结构参数，就不可能调整该结构的高传输损耗频带位置，造成结构的隔声带隙较窄，影响了其隔声特性的进一步提高。此外，对于薄膜型声学超材料，由于老化效应和温度的变化，使薄膜最初设计的预应力发生改变，导致高传输损耗频带位置发生改变，影响其隔声降噪能力。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种主动声学超材料结构单元、控制***及声学超材料板，用以解决现有技术中隔声频带较窄的问题。
本发明提供一种主动声学超材料结构单元，包括刚性框架及谐振单元，所述谐振单元设置在刚性框架内，所述谐振单元包括固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆、第一移动拉杆、折叠型弹性薄板及质量块，所述固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆均为若干个且个数相等，所述第一移动拉杆一侧与第一伸缩杆连接，所述第一移动拉杆另一侧与折叠型弹性薄板一端连接，所述第一伸缩杆通过固定支座和固定铰支座固定在刚性框架中，所述质量块粘接在所述折叠型弹性薄板上，通过第一伸缩杆控制第一移动拉杆的运动，折叠型弹性薄板受到拉伸或挤压，使折叠型弹性薄板的整个折叠间距得到改变。
进一步地，所述主动声学超材料结构单元还包括第二伸缩杆、第二移动拉杆及直线导轨，所述刚性框架为矩形形状，所述直线导轨固定在刚性框架的侧壁，所述第二移动拉杆的一侧与折叠型弹性薄板一侧连接，所述第二移动拉杆的另一侧与第二伸缩杆一端连接，第二伸缩杆的另一端可在直线导轨滑动。
进一步地，所述主动声学超材料结构单元还包括第一导轨滑块，所述第二伸缩杆的另一端与第一导轨滑块连接，第一导轨滑块可在直线导轨中滑动。
进一步地，所述主动声学超材料结构单元还包括第二导轨滑块，所述第一移动拉杆两端与第二导轨滑块连接，第二导轨滑块可在直线导轨中滑动。
进一步地，所述主动声学超材料结构单元还包括声速传感器，所述声速传感器附在所述质量块上，用于获取环境中的噪声波速信号。
进一步地，所述质量块为钨、铅、铜或铁制成，质量块的数量为两个或多个。
进一步地，所述折叠型弹性薄板呈对称分布，其折叠形状为W型或N型，所述折叠型弹性薄板硬质塑料或硬质金属制成，所述刚性框架的材料为木材、钢材、铝材、玻璃或高分子材料。
本发明还提供一种主动声学超材料结构单元的控制***，还包括声速传感器、信号放大器、模数转换器、计算模块及传动模块，所述声速传感器、信号放大器、模数转换器、计算模块及传动模块依次连接，
所述声速传感器附在所述质量块上，用于获取环境中的噪声波速信号，将所述噪声波速信号传递给信号放大器，所述信号放大器将噪声波速信号进行放大，并将放大后的噪声波速信号传递给模数转换器，所述模数转换器将所述放大后的噪声波速信号转换为电信号，并将所述电信号传递给计算模块，
所述计算模块根据所述电信号获取噪声声波的频率特征，并根据所述频率特征获取出折叠型弹性薄板的折叠间距，并将折叠间距的控制指令发送至传动模块，通过传动模块控制第一伸缩杆和第二伸缩杆的运动，使第一移动拉杆和第二移动拉杆拉伸或挤压折叠型弹性薄板，利用折叠型弹性薄板的折叠间距的变化，改变所述主动声学超材料结构单元的共振频率。
进一步的，所述主动声学超材料结构单元的控制***还包括采样保持器，所述采样保持器连接在信号放大器、模数转换器之间，所述采样保持器用于维持噪声波速信号的稳定及减少声波速信号的采样误差。
本发明实施例还提供了一种包含上述任一技术方案所述的主动声学超材料结构单元的声学超材料板，由主动声学超材料结构单元通过二维或三维周期性排列形成，不限制各谐振单元中的折叠型弹性薄板的折叠间距必须一致。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过将所述谐振单元设置在刚性框架内，所述谐振单元包括固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆、第一移动拉杆、折叠型弹性薄板及质量块，所述固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆均为若干个且个数相等，所述第一移动拉杆一侧与第一伸缩杆连接，所述第一移动拉杆另一侧与折叠型弹性薄板一端连接，所述第一伸缩杆通过固定支座和固定铰支座固定在刚性框架中，所述质量块粘接在所述折叠型弹性薄板上，通过第一伸缩杆控制第一移动拉杆的运动，折叠型弹性薄板受到拉伸或挤压，使折叠型弹性薄板的整个折叠间距得到改变；拓宽了声学超材料的隔声频带。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的主动声学超材料结构单元示意图；
图2为本发明实施例1提供的主动声学超材料结构单元中的共振单元放大图；
图3为本发明实施例1提供的主动声学超材料结构单元的局部放大图；
图4为本发明实施例2提供的主动声学超材料结构单元的侧视图及其控制***示意图。
附图标记：1-刚性框架；2-谐振单元；3-固定支座；4-固定铰支座；5-第一伸缩杆；6-第一移动拉杆；7-折叠型弹性薄板、8-质量块、9-声速传感器、10-第一导轨滑块；11-第二伸缩杆；12-第二移动拉杆；13-第二导轨滑块；14-直线导轨；15-信号放大器；16-采样保持器；17-模数转换器；18-计算模块；19-传动模块。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明实施例提供了一种主动声学超材料结构单元，包括刚性框架及谐振单元，所述谐振单元设置在刚性框架内，所述谐振单元包括固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆、第一移动拉杆、折叠型弹性薄板及质量块，所述固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆均为若干个且个数相等，所述第一移动拉杆一侧与第一伸缩杆连接，所述第一移动拉杆另一侧与折叠型弹性薄板一端连接，所述第一伸缩杆通过固定支座和固定铰支座固定在刚性框架中，所述质量块粘接在所述折叠型弹性薄板上，通过第一伸缩杆控制第一移动拉杆的运动，折叠型弹性薄板受到拉伸或挤压，使折叠型弹性薄板的整个折叠间距得到改变。
一个具体实施中，主动声学超材料结构单元示意图，如图1所示，主动声学超材料结构单元的局部放大图，如图3所示，所述主动声学超材料结构单元，包括刚性框架1、谐振单元2，所述谐振单元2包括固定支座3、固定铰支座4、第一伸缩杆5、第一移动拉杆6、折叠型弹性薄板7、质量块8、声速传感器9、第一导轨滑块10、第二伸缩杆11、第二移动拉杆12、第二导轨滑块13、直线导轨14，
所述的折叠型弹性薄板7上粘接有质量块8，质量块8上附有声速传感器9，所述折叠型弹性薄板8两端与两根第一移动拉杆6连接，在其两侧与四根第二移动拉杆12连接；所述第一移动拉杆6两端与第二导轨滑块13连接，第二导轨滑块13可在直线导轨14中滑动，直线导轨14固定在刚性框架1的侧壁；所述的第二移动拉杆12与第二伸缩杆11连接，第二伸缩杆11与第一导轨滑块10连接，第一导轨滑块10可在直线导轨14中滑动；所述第一移动拉杆6一侧与两根第一伸缩杆5连接，第一伸缩杆5通过固定支座3和固定铰支座4固定在刚性框架1中；
优选的，所述主动声学超材料结构单元还包括第二伸缩杆、第二移动拉杆及直线导轨，所述刚性框架为矩形形状，所述直线导轨固定在刚性框架的侧壁，所述第二移动拉杆的一侧与折叠型弹性薄板一侧连接，所述第二移动拉杆的另一侧与第二伸缩杆一端连接，第二伸缩杆的另一端可在直线导轨滑动；
优选的，所述主动声学超材料结构单元还包括第一导轨滑块，所述第二伸缩杆的另一端与第一导轨滑块连接，第一导轨滑块可在直线导轨中滑动；
优选的，所述主动声学超材料结构单元还包括第二导轨滑块，所述第一移动拉杆两端与第二导轨滑块连接，第二导轨滑块可在直线导轨中滑动；
一个具体实施例中，主动声学超材料结构单元示意图，如图1所示，主动声学超材料结构单元中的共振单元放大示意图，如图2所示，折叠型弹性薄板7与质量块8可等效为质量-弹簧***，如果外界噪声的频率与该***的固有频率相同或相近，质量-弹簧***发生共振，将声能转化为内能，有效地对噪声的抑制；如果外界噪声的频率与该***的固有频率不一致，隔声效果并非最佳，此时可控制第一伸缩杆5和第二伸缩杆11的伸缩，带动第一移动拉杆6和第二移动拉杆12的运动，折叠型弹性薄板7受到拉伸或者挤压作用，折叠间距d的改变使其弹性系数发生改变，质量-弹簧***的固有频率随之改变，通过控制***的固有频率与噪声的频率相同或相近，可实现噪声的主动控制；
优选的，所述主动声学超材料结构单元还包括声速传感器，所述声速传感器附在所述质量块上，用于获取环境中的噪声波速信号。
优选的，所述质量块为钨、铅、铜或铁制成，质量块的数量为两个或多个。
优选的，所述折叠型弹性薄板呈对称分布，其折叠形状为W型或N型，所述折叠型弹性薄板硬质塑料或硬质金属制成，所述刚性框架的材料为木材、钢材、铝材、玻璃或高分子材料；
需要说明的是，所述折叠型薄板的宽度小于刚性框架内边的宽度，优选的采用硬质金属；调节折叠间距可改变叠型薄板的弹性系数；
所述刚性框架主要起着支撑作用，在满足刚度和强度地要求下，优化其结构参数可减轻刚性框架1的质量，达到轻量化的目的，优选的采用轻质木板或轻质铝合金，所述折叠型薄板的宽度小于刚性框架的内边宽度，在有效地控制噪声的前提下，不影响谐振单元散热通流。
实施例2
本发明实施例提供了一种主动声学超材料结构单元的控制***，包括刚性框架及谐振单元，所述谐振单元设置在刚性框架内，所述谐振单元包括固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆、第一移动拉杆、折叠型弹性薄板及质量块，所述固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆均为若干个且个数相等，所述第一移动拉杆一侧与第一伸缩杆连接，所述第一移动拉杆另一侧与折叠型弹性薄板一端连接，所述第一伸缩杆通过固定支座和固定铰支座固定在刚性框架中，所述质量块粘接在所述折叠型弹性薄板上，通过第一伸缩杆控制第一移动拉杆的运动，折叠型弹性薄板受到拉伸或挤压，使折叠型弹性薄板的整个折叠间距得到改变；
还包括声速传感器、信号放大器、模数转换器、计算模块及传动模块，所述声速传感器、信号放大器、模数转换器、计算模块及传动模块依次连接，
所述声速传感器附在所述质量块上，用于获取环境中的噪声波速信号，将所述噪声波速信号传递给信号放大器，所述信号放大器将噪声波速信号进行放大，并将放大后的噪声波速信号传递给模数转换器，所述模数转换器将所述放大后的噪声波速信号转换为电信号，并将所述电信号传递给计算模块，
所述计算模块根据所述电信号获取噪声声波的频率特征，并根据所述频率特征获取出折叠型弹性薄板的折叠间距，并将折叠间距的控制指令发送至传动模块，通过传动模块控制第一伸缩杆和第二伸缩杆的运动，使第一移动拉杆和第二移动拉杆拉伸或挤压折叠型弹性薄板，利用折叠型弹性薄板的折叠间距的变化，改变所述主动声学超材料结构单元的共振频率。
优选的，所述主动声学超材料结构单元的控制***还包括采样保持器，所述采样保持器连接在信号放大器、模数转换器之间，所述采样保持器用于维持噪声波速信号的稳定及减少声波速信号的采样误差；
一个具体实施例中，主动声学超材料结构单元的侧视图及其控制***示意图，如图4所示，计算模块18利用傅里叶变换等方法获得环境中声波的频率特征，根据声波频率的集中区域和最佳吸声效果，计算出折叠型弹性薄板的折叠间距d，将控制指令传递给传动模块19；传动模块19通过控制第一伸缩杆5和第二伸缩杆11的运动，分别使第一移动拉杆6和第二移动拉杆12拉伸或挤压折叠型弹性薄板7，利用折叠型弹性薄板7的折叠间距d的变化，改变谐振单元2的共振频率，通过控制隔声峰值频率与噪声频率保持相同或相近，主动调整高传输损耗频带的位置，达到宽频隔声降噪的目的。
所述第一移动拉杆6、第二移动拉杆12可分别随着第二导轨滑块13、第一导轨滑块10沿着固定在刚性框架1上的导轨14移动，第一移动拉杆6和第二移动拉杆12拉伸或挤压折叠型弹性薄板7时，可使折叠型弹性薄板7的整个折叠间距d均匀地改变。
实施例3
本发明实施例还提供了一种包含上述任一实施例所述的主动声学超材料结构单元的声学超材料板，由主动声学超材料结构单元通过二维或三维周期性排列形成，不限制各谐振单元中的折叠型弹性薄板的折叠间距必须一致；其中各谐振单元2中的折叠型弹性薄板7的折叠间距d可以相同或者不同，通过周期性排列可拓宽整体复合结构的隔声频带，所述的声学超材料板结构在运载装备、生产建筑、武器装备和散热通流要求高的工程设备等中实现隔声降噪具有良好的应用前景。
需要说明的是，实施例1-3未重复描述之处可相互借鉴。
本发明公开了一种主动声学超材料结构单元、控制***及声学超材料板，通过将所述谐振单元设置在刚性框架内，所述谐振单元包括固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆、第一移动拉杆、折叠型弹性薄板及质量块，所述固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆均为若干个且个数相等，所述第一移动拉杆一侧与第一伸缩杆连接，所述第一移动拉杆另一侧与折叠型弹性薄板一端连接，所述第一伸缩杆通过固定支座和固定铰支座固定在刚性框架中，所述质量块粘接在所述折叠型弹性薄板上，通过第一伸缩杆控制第一移动拉杆的运动，折叠型弹性薄板受到拉伸或挤压，使折叠型弹性薄板的整个折叠间距得到改变；拓宽了声学超材料的隔声频带；
本发明所述技术方案，可针对不同频率的噪声，具有主动参数调节功能，主动调节高传输损耗频带的位置，实现了噪声的主动控制，克服了传统隔声材料和隔声装置隔声频带单一的限制；与薄膜型声学超材料相比，采用折叠型弹性薄板作为谐振子，使用寿命更长，避免了因老化或者温度变化使薄膜的预应力发生改变，造成工作频段漂移的现象；所述折叠型弹性薄板的宽度小于刚性框架内边的宽度，有效地抑制噪声传播的前提下，保证了热流、气流等通过，具有散热通流的功能；所述的宽频折叠型主动声学超材料结构单元可独立工作，可以进行二维或三维周期性排列组合，形成声学超材料板，可显著拓宽隔声频带；结构简单、易于加工制造、实施简便、适用范围广，适用于运载装备、生产建筑、武器装备和散热通流要求高的设备等隔声降噪。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种主动声学超材料结构单元，其特征在于，包括刚性框架及谐振单元，所述谐振单元设置在刚性框架内，所述谐振单元包括固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆、第一移动拉杆、折叠型弹性薄板及质量块，所述固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆均为若干个，且所述固定支座、固定铰支座、第一伸缩杆的个数相等，所述第一移动拉杆一侧与第一伸缩杆连接，所述第一移动拉杆另一侧与折叠型弹性薄板一端连接，所述第一伸缩杆通过固定支座和固定铰支座固定在刚性框架中，所述质量块粘接在所述折叠型弹性薄板上，通过第一伸缩杆控制第一移动拉杆的运动，折叠型弹性薄板受到拉伸或挤压，使折叠型弹性薄板的整个折叠间距得到改变。
2.根据权利要求1所述的主动声学超材料结构单元，其特征在于，还包括第二伸缩杆、第二移动拉杆及直线导轨，所述刚性框架为矩形形状，所述直线导轨固定在刚性框架的侧壁，所述第二移动拉杆的一侧与折叠型弹性薄板一侧连接，所述第二移动拉杆的另一侧与第二伸缩杆一端连接，第二伸缩杆的另一端可在直线导轨滑动。
3.根据权利要求2所述的主动声学超材料结构单元，其特征在于，还包括第一导轨滑块，所述第二伸缩杆的另一端与第一导轨滑块连接，第一导轨滑块可在直线导轨中滑动。
4.根据权利要求2所述的主动声学超材料结构单元，其特征在于， 还包括第二导轨滑块，所述第一移动拉杆两端与第二导轨滑块连接，第二导轨滑块可在直线导轨中滑动。
5.根据权利要求1所述的主动声学超材料结构单元，其特征在于，还包括声速传感器，所述声速传感器附在所述质量块上，用于获取环境中的噪声波速信号。
6.根据权利要求1所述的 主动声学超材料结构单元，其特征在于，所述质量块为钨、铅、铜或铁制成，质量块的数量为两个或多个。
7.根据权利要求1所述的主动声学超材料结构单元，其特征在于，所述折叠型弹性薄板呈对称分布，其折叠形状为W型或N型，所述折叠型弹性薄板硬质塑料或硬质金属制成，所述刚性框架的材料为木材、钢材、铝材、玻璃或高分子材料。
8.一种根据权利要求2所述的主动声学超材料结构单元的控制***，其特征在于，还包括声速传感器、信号放大器、模数转换器、计算模块及传动模块，所述声速传感器、信号放大器、模数转换器、计算模块及传动模块依次连接，
所述声速传感器附在所述质量块上，用于获取环境中的噪声波速信号，将所述噪声波速信号传递给信号放大器，所述信号放大器将噪声波速信号进行放大，并将放大后的噪声波速信号传递给模数转换器，所述模数转换器将所述放大后的噪声波速信号转换为电信号，并将所述电信号传递给计算模块，
所述计算模块根据所述电信号获取噪声声波的频率特征，并根据所述频率特征获取出折叠型弹性薄板的折叠间距，并将折叠间距的控制指令发送至传动模块，通过传动模块控制第一伸缩杆和第二伸缩杆的运动，使第一移动拉杆和第二移动拉杆拉伸或挤压折叠型弹性薄板，利用折叠型弹性薄板的折叠间距的变化，改变所述主动声学超材料结构单元的共振频率。
9.根据权利要求8所述的主动声学超材料结构单元的控制***，其特征在于，还包括采样保持器，所述采样保持器连接在信号放大器、模数转换器之间，所述采样保持器用于维持噪声波速信号的稳定及减少声波速信号的采样误差。
10.一种包含权利要求1-7任一项所述的主动声学超材料结构单元的声学超材料板，其特征在于，由主动声学超材料结构单元通过二维或三维周期性排列形成，不限制各谐振单元中的折叠型弹性薄板的折叠间距必须一致。
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