CN112687253A - 一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构及其制备方法，包括上面板、上胶合层、夹芯、下胶合层和下面板，所述夹芯包括三重周期极小曲面，上面板与夹芯的上界面粘合，下面板与夹芯的下界面粘合。使用数学软件，根据定义三重周期极小曲面的数学公式和定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式得出的布尔交集，建立三重周期极小曲面的模型，再导入逆向工程软件，将曲面沿法线方向两侧偏移指定的数值并连接起来，从而建立夹芯的三维实体模型，根据夹芯的三维实体模型制造夹芯；制造上面板和下面板，通过上胶合层使上面板与夹芯的上界面粘合，通过下胶合层使下面板与夹芯的下界面粘合。
Description
技术领域
本发明涉及轻质隔声结构技术领域，特别涉及一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声三明治结构及其制备方法。
背景技术
高铁和飞机等在运行时难以避免地产生噪声，对乘客的生理、心理等各方面造成巨大影响，而隔声可以降低噪声在传播途中的声音强度，减少噪声污染。三明治夹芯结构已广泛被应用于隔声领域，可以在满足隔声需求的同时，平衡轻量化与刚度，实现高比刚度。但现有的一些三明治夹芯结构在某些重要的频段中存在较大频段的隔声低谷，限制了其应用范围。而极小曲面是连续光滑曲面的独特拓扑构型，可以增加噪声在夹芯结构中的消耗方式和传播路径，提高阻尼的耗散能力，达到更好的隔声性能。因此开发一种可以同时满足高比刚度和多频段隔声性能较优的新型轻质隔声结构具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声三明治结构，利用三重周期极小曲面的连续光滑曲面的几何拓扑构型特性，实现高比刚度和强隔声性能。
本发明的另一目的在于提供一种上述基于三重周期极小曲面的轻质隔声三明治结构的制备方法。
本发明的技术方案为：一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构，包括上面板、上胶合层、夹芯、下胶合层和下面板，所述夹芯包括三重周期极小曲面，上面板通过上胶合层与夹芯的上界面粘合，下面板通过下胶合层与夹芯的下界面粘合，所述夹芯的结构由定义三重周期极小曲面的数学公式、定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式和曲面厚度共同决定。
所述定义三重周期极小曲面的数学公式为：
cos(aπx)cos(aπy)cos(aπz)-sin(aπx)sin(aπy)sin(aπz)＝C
其中，参数a值用于调节三重周期极小曲面单胞的尺寸和周期大小，周期为T＝2/a，a值越小，单胞尺寸越大，周期越大；参数C值用于调节三重周期极小曲面偏离原极小曲面的程度。
所述定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式为：
x2+y2＝D
其中，参数D值用于调节圆柱形区域大小。
所述将定义三重周期极小曲面的数学公式与定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式进行布尔交集运算，建立三重周期极小曲面夹芯的模型。
极小曲面夹芯由薄壁结构周期性排布组成，具有较高的比刚度。极小曲面的独特空间几何拓扑形式可增加声波的传递和耗散途径，以实现更好的隔声效果。
一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构的制备方法，包括：
使用数学软件，根据定义三重周期极小曲面的数学公式和定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式得出的布尔交集，建立三重周期极小曲面的模型，再导入逆向工程软件，将曲面沿法线方向两侧偏移指定的数值并连接起来，从而建立夹芯的三维实体模型，根据夹芯的三维实体模型制造夹芯；
制造上面板和下面板，通过上胶合层使上面板与夹芯的上界面粘合，通过下胶合层使下面板与夹芯的下界面粘合。
所述定义三重周期极小曲面的数学公式为：
cos(aπx)cos(aπy)cos(aπz)-sin(aπx)sin(aπy)sin(aπz)＝C
其中，参数a值用于调节三重周期极小曲面单胞的尺寸和周期大小，周期为T＝2/a，a值越小，单胞尺寸越大，周期越大；参数C值用于调节三重周期极小曲面偏离原极小曲面的程度。
定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式为：
x2+y2＝D
其中，参数D值用于调节圆柱形区域大小。
根据夹芯的三维实体模型，采用3D打印的方式制造夹芯。
上述一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构的原理为：基于极小曲面的夹芯结构对传递的声波有独特的消耗方式，当入射声波在传播过程中遇到轻质隔声三明治结构时，一部分声波会被反射回去，另一部分声波会激励结构的振动；当结构发生振动时，会往外辐射声波，因此入射声波导致的结构振动会向在上面板和下面板之间的空气辐射声波，而夹芯是有复杂构型的极小曲面实体，声波会在空气腔和夹芯之间不断地进行反射和激励结构振动，由于结构和空气存在阻尼及两者的能量转化效率，部分声波会逐渐被消耗并转化为其余形式的能量；最后夹芯结构会将振动传递到下面板，使得一部分声波从下面板辐射到另一端的空气中，这部分声波与入射声波的比值即夹芯结构所能隔绝的声音。
本发明相对于现有技术，具有比刚度大、质量轻、多频段隔声效果好的有益效果：
本三重周期极小曲面夹芯拥有刚度大和均匀的实体空间分布优势，在隔声中低频段的刚度控制区间的隔声性能以及共振区间频段的位置都与结构刚度成正比，而均匀的空间分布方式可以提供均衡的不同方向的力学性能，而三重周期极小曲面实体夹芯可以自行调整截取位置、周期大小、形状等参数以适应不同的工作环境。因此三重周期极小曲面夹芯结构可以得到比传统夹芯结构更好的隔声性能和更高的比刚度。
本轻质隔声三明治结构采用三重周期极小曲面实体结构为夹芯，其几何拓扑构型由严格的数学理论确定，可通过调控极小曲面的关键几何参数调节外形，保证夹层在任意外形情况下的夹芯均为连续光滑的极小曲面；该极小曲面夹芯的构型可以在声波激励结构振动的过程中，增加声波的传递和耗散途径，从而增大阻尼的耗散能力，减小隔声低谷的影响，实现多频段有较好的隔声。
本结构由薄壁结构周期性排布组成，具有高比刚度，且在多频段具有较好的隔声性能，在航空航天、高铁等领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构的结构示意图。
图2为本基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构所采用的D型极小曲面单胞图。
图3为本基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构的隔声仿真图。
图中，1为上面板，2上胶合层，3为夹芯，4为下胶合层，5为下面板。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构，如图1和2所示，包括上面板1、上胶合层2、夹芯3、下胶合层4和下面板5，所述夹芯包括三重周期极小曲面，上面板通过上胶合层与夹芯的上界面粘合，下面板通过下胶合层与夹芯的下界面粘合，所述夹芯的结构由定义三重周期极小曲面的数学公式、定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式和曲面厚度共同决定。
所述定义三重周期极小曲面的数学公式为：
cos(aπx)cos(aπy)cos(aπz)·sin(aπx)sin(aπy)sin(aπz)＝C
其中，参数a值用于调节三重周期极小曲面单胞的尺寸和周期大小，周期为T＝2/a，a值越小，单胞尺寸越大，周期越大；参数C值用于调节三重周期极小曲面偏离原极小曲面的程度。本实施例中a值取0.1，确定一个周期的大小为20mm。
在软件中使用隐式函数离散化区域函数将某部分区域的曲面划分为网格再导出。由于三重周期极小曲面是在x、y、z三个坐标轴方向是无限周期重复的，但是实际使用时夹芯结构是有限大小，故而需要控制划分区域截取适当外形的曲面以适应要求，限定划分区域可以视实际情况而定；本实施例使用单胞周期T＝20mm的极小曲面。通过控制a值以及控制划分区域，可以控制该夹芯结构中包含多少个单胞。所述定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式为：
x2+y2＝D
其中，参数D值用于调节圆柱形区域大小。
所述将定义三重周期极小曲面的数学公式与定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式进行布尔交集运算，建立三重周期极小曲面夹芯的模型。
上面板、下面板和夹芯的材质可采用金属或聚合物等非金属，本实施例不做限制。
一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构的制备方法，包括：
使用数学软件，根据定义三重周期极小曲面的数学公式和定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式得出的布尔交集，建立三重周期极小曲面的模型，在软件中使用隐式函数离散化区域函数将某部分区域的曲面划分为网格再以STL格式导出，再导入逆向工程软件直接处理STL网格文件，将曲面沿法线方向两侧偏移指定的数值并连接起来，本实施例中加厚的厚度为1mm，从而建立夹芯的三维实体模型以STL文件格式导出，根据夹芯的三维实体模型采用3D打印的方式制造夹芯；
制造上面板和下面板，通过上胶合层使上面板与夹芯的上界面粘合，通过下胶合层使下面板与夹芯的下界面粘合，即可制造出完整的三重周期极小曲面轻质隔声三明治结构。
上述一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构的原理为：基于极小曲面的夹芯结构对传递的声波有独特的消耗方式，当入射声波在传播过程中遇到轻质隔声三明治结构时，一部分声波会被反射回去，另一部分声波会激励结构的振动；当结构发生振动时，会往外辐射声波，因此入射声波导致的结构振动会向在上面板和下面板之间的空气辐射声波，而夹芯是有复杂构型的极小曲面实体，声波会在空气腔和夹芯之间不断地进行反射和激励结构振动，由于结构和空气存在阻尼及两者的能量转化效率，部分声波会逐渐被消耗并转化为其余形式的能量；最后夹芯结构会将振动传递到下面板，使得一部分声波从下面板辐射到另一端的空气中，这部分声波与入射声波的比值即夹芯结构所能隔绝的声音。
基于三重周期极小曲面的轻质隔声三明治结构因其自身独特的构型在多频段可以实现较好的隔声性能，图3为一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声三明治结构在使用D型极小曲面时的隔声仿真图，该结构为圆柱状外形，上面板、下面板的边缘均固定，以声振耦合方式进行隔声性能仿真；在低于2000Hz频段内，由于极小曲面实体夹芯的拥有较大的刚度，在刚度控制区间可以保持有较高的隔声量；在3000Hz-7000Hz的共振区间频段，三重周期极小曲面夹芯由于共振在6000Hz左右出现了两个隔声低谷，但是因为三重周期极小曲面夹芯的独特构型，结构与空气耦合效应在共振区间时阻尼消耗的效应会增强，受影响频段很窄，在共振频段也能大频段保持40dB左右较好的隔声性能；在7000Hz以上的高频段，隔声量继续稳定在大于40dB的较高数值，并且将因质量定律随着频率提高逐渐增加隔声量；在10000Hz以内有80％的频段在40dB以上的较好的隔声量，实现多频段有较好的隔声效果。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (9)
1.一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构，其特征在于，包括上面板、上胶合层、夹芯、下胶合层和下面板，所述夹芯包括三重周期极小曲面，上面板通过上胶合层与夹芯的上界面粘合，下面板通过下胶合层与夹芯的下界面粘合，所述夹芯的结构由定义三重周期极小曲面的数学公式、定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式和曲面厚度共同决定。
2.根据权利要求1所述一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构，其特征在于，所述定义三重周期极小曲面的数学公式为：
cos(aπx)cos(aπy)cos(aπz)-sin(aπx)sin(aπy)sin(aπz)＝C
其中，参数a值用于调节三重周期极小曲面单胞的尺寸和周期大小，周期为T＝2/a，a值越小，单胞尺寸越大，周期越大；参数C值用于调节三重周期极小曲面偏离原极小曲面的程度。
3.根据权利要求2所述一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构，其特征在于，所述定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式为：
x2+y2＝D
其中，参数D值用于调节圆柱形区域大小。
4.根据权利要求3所述一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构，其特征在于，所述将定义三重周期极小曲面的数学公式与定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式进行布尔交集运算，建立三重周期极小曲面夹芯的模型。
5.根据权利要求1所述一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构，其特征在于，夹芯的极小曲面由薄壁结构周期性排布组成，极小曲面的空间几何拓扑形式通过增加声波的传递和耗散途径以实现更好的隔声效果。
6.根据权利要求1-5任一项所述一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构的制备方法，其特征在于，包括：
使用数学软件，根据定义三重周期极小曲面的数学公式和定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式得出的布尔交集，建立三重周期极小曲面的模型，再导入逆向工程软件，将曲面沿法线方向两侧偏移指定的数值并连接起来，从而建立夹芯的三维实体模型，根据夹芯的三维实体模型制造夹芯；
制造上面板和下面板，通过上胶合层使上面板与夹芯的上界面粘合，通过下胶合层使下面板与夹芯的下界面粘合。
7.根据权利要求6所述一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构的制备方法，其特征在于，所述定义三重周期极小曲面的数学公式为：
cos(aπx)cos(aπy)cos(aπz)-sin(aπx)sin(aπy)sin(aπz)＝C
其中，参数a值用于调节三重周期极小曲面单胞的尺寸和周期大小，周期为T＝2/a，a值越小，单胞尺寸越大，周期越大；参数C值用于调节三重周期极小曲面偏离原极小曲面的程度。
8.根据权利要求6所述一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构的制备方法，其特征在于，定义夹芯的整体形状划分区域的数学公式为：
x2+y2＝D
其中，参数D值用于调节圆柱形区域大小。
9.根据权利要求6所述一种基于三重周期极小曲面的轻质隔声结构的制备方法，其特征在于，根据夹芯的三维实体模型，采用3D打印的方式制造夹芯。
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