一种宽带隔声性柔性低频声学超材料结构制造技术

本实用新型专利技术属于低频噪声控制技术领域，具体涉及一种宽带隔声性柔性低频声学超材料结构，包括格栅框架、薄膜蒙皮、第一薄片和第二薄片；所述格栅框架由单个单元格经二维周期性延拓而成；薄膜蒙皮覆盖于格栅框架的一侧；第一薄片和第二薄片分布于格栅框架的单元格内，置于薄膜蒙皮的表面。本实用新型专利技术结构单元与低频声波相互作用，表现出多重反共振现象，使得其整体平均法向位移几乎为零甚至为负，在宽频带内实现高隔声性能。

【技术实现步骤摘要】
一种宽带隔声性柔性低频声学超材料结构
本技术涉及一种宽带隔声性柔性低频声学超材料结构，具有大带宽、高隔声性能，属于低频噪声控制

技术介绍
统计资料表明，整车1/3的故障都与汽车NVH（噪声、振动与平顺性）问题有关。尤其是车内低频（＜600Hz）噪声突出，其穿透力强，危害性大，普通声学材料又无法有效地解决。根据隔声质量定律：STL=20lg(ms)+20lg(f)-47，（STL为声传递损失，表征材料的隔声能力，dB；ms为材料的面密度，表征材料单位面积内的质量，kg/m2；f为声波激励频率，Hz。），可知：要想在低频段内得到较好的隔声性能，势必要使用厚且重的声学材料，显然，这不符合汽车内饰件的轻薄化设计原则。因此，车内低频噪声处理问题，至今仍是一个技术难题。声学超材料是一种具有天然声学材料所不具备的超常声学性质的人工复合结构或复合材料，是低频声学材料领域重要的发展方向之一。相关理论研究表明声学超材料可在小尺寸结构范围内调控大波长（低频）弹性波，未来将可广泛应用于汽车、航空航天、航海、生活等领域，是近年来所涉及的一种关键性研究技术。低频声学超材料在实际工程应用中面临低频、宽带、轻质、柔性、耐久性等要求，行业内尚处于理论研究转向应用研究阶段。当前声学超材料存在的弊端是：隔声频率不够低；带宽不够宽；结构复杂、厚重、硬质，不宜加工成型及轻量化应用。因此，设计一种轻薄、宽带、柔性低频声学超材料，将具有重要的实际工程应用价值。
技术实现思路
本技术的目的是规避现有声学超材料的弊端，设计一种具有轻薄、柔性结构特征的宽带隔声性低频声学超材料结构，拓宽隔声频带、提升隔声幅值，从而改善低频隔声特性。按照本技术的技术方案，所述宽带隔声性柔性低频声学超材料结构，包括格栅框架、薄膜蒙皮、第一薄片和第二薄片；所述格栅框架由单个单元格经二维周期性延拓而成；薄膜蒙皮覆盖于格栅框架的一侧；第一薄片和第二薄片分布于格栅框架的单元格内，置于薄膜蒙皮的表面。进一步的，所述格栅框架、第一薄片与第二薄片固定于薄膜蒙皮表面的同侧或异侧。进一步的，所述格栅框架的单个单元格、单个第一薄片、四个第二薄片以及薄膜蒙皮构成隔声性柔性低频声学超材料结构的一个最小周期单元。进一步的，所述格栅框架包括多条纵横垂直相交的条形骨架；格栅框架每个单元格为方形框架结构，边长a为30-140mm、宽度w3为4-20mm，厚度h3为1-5mm。进一步的，所述格栅框架由乙烯-醋酸乙烯共聚物或三元乙丙橡胶材料制成。进一步的，所述薄膜蒙皮的厚度h4为0.05-0.5mm，由聚酰亚胺、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙或硅橡胶材料制成。进一步的，所述第一薄片为十字形，第二薄片为圆形，第二薄片分布于第一薄片与格栅框架之间。进一步的，所述第一薄片的两臂垂直相交，每条臂的长度w1为20-80mm，宽度w2为2-8mm，厚度h1为1-5mm；第一薄片由乙烯-醋酸乙烯共聚物、三元乙丙橡胶或亚克力材料制成。进一步的，所述第二薄片的半径r为2-8mm，厚度h2为1-5mm；第二薄片由铁、铝、亚克力、乙烯-醋酸乙烯共聚物或三元乙丙橡胶材料制成。进一步的，所述第二薄片每四个为一组分布于第一薄片与格栅框架之间，第一薄片的两臂之间各有一个第二薄片。本技术低频隔声性柔性声学超材料结构是基于声学超材料的亚波长局域共振原理和实际应用条件的要求提出的一个创新结构方案，由若干个单胞经二维周期排列构成，表现为在薄膜表面分布规则形态质量片（十字薄片、圆形薄片）的设计形式，其中格栅框架起支撑作用；其结构简单，易于批量化成型加工；所用材料都是常规材料，如PI、PE、PET、尼龙、EVA、EPDM、亚克力、铁、铝等，成本低廉且清洁环保；整体结构轻、薄、柔软，更加满足实际工程应用要求；其结构单元实现了宽带、高隔声性能，打破了隔声质量定律的限制，实现了声传递损失远高于相同面密度的均质EVA材料，其STL并被实验验证。众多的研究资料表明在反共振频率，结构表现出优良的隔声效果。但在一般的物理系统中，反共振模式是间隔的（存在共振模式），这种不连续的反共振模式会导致隔声频带被截断，出现隔声谷，所以有效的隔声频带往往较窄。根据质量片分布式协调设计理念，本技术涉及的特殊结构形态（如十字形与圆形薄片）、特殊分布形式及其相关的材料参数，使得该结构单元内产生连续的多重弯曲反共振模式，导致整体结构呈现连续的动态平衡（平均法向位移≈0甚至为负），在宽频带内实现高隔声性能；因此，在宽频范围内，声能会被局域在结构表面的各振子元件（十字薄片、圆形薄片）中，从而实现宽带连续声衰减。通过合理设计各振子与薄膜蒙皮的结构参数和材料参数，并使之匹配，可以使优选的声学超材料单元产生较大的负等效质量，负质量特性越明显，结构的反共振耦合行为越强烈，STL峰值也越高。因超材料单元的反共振特性（包括反共振耦合模式的数量及连续性）与结构的形态、分布形式和材料有关，所以，可以通过调节格栅框架、薄膜蒙皮、十字薄片和圆形薄片的结构和材料参数，来调节STL带宽和幅值。附图说明图1是本技术提供的一种宽带隔声性柔性低频声学超材料的结构示意图。图2是图1的一个单胞示意图。图3是本技术的一个圆形单胞示意图。图4是本技术优选实施例的STL曲线。图5是本技术涉及的圆形单胞的等效质量曲线与平均法向位移曲线。图6是图4中STL带宽内图3元胞中所有的振动模式示意图。附图标记说明：1-格栅框架、1.1-环形格栅框架、2-薄膜蒙皮、3-第一薄片、4-第二薄片。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本技术作进一步说明。如图1所示：宽带隔声性柔性低频声学超材料结构，包括格栅框架1、薄膜蒙皮2、十字薄片3和圆形薄片4。格栅框架1由单个方形单元格经二维周期性延拓而成；薄膜蒙皮2覆盖于格栅框架1的一侧；第一薄片3和第二薄片4分布于格栅框架1的方形单元格内，置于薄膜蒙皮2的表面.具体的，格栅框架1、第一薄片3与第二薄片4固定于薄膜蒙皮2表面的同侧或异侧，图示中为同侧，其中，格栅框架1起支撑作用。格栅框架1的单个方形单元格、单个第一薄片3、四个第二薄片4以及薄膜蒙皮2构成隔声性柔性低频声学超材料结构的一个单胞。格栅框架1为整体性的，包括多条纵横垂直相交的条形骨架，格栅框架1每个方形单元格的框架边长a为30-140mm、宽度w3为4-20mm，厚度h3为1-5mm。其由柔性的EVA或EPDM材料制成。薄膜蒙皮2的厚度h4为0.05-0.5mm，由PI、PE、PET、尼龙或硅橡胶材料制成。第一薄片3可以为十字薄片，第二薄片4为圆形薄片，圆形薄片分布于十字薄片与格栅框架1之间，圆形薄片每四个为一组分布于十字薄片与格栅框架1之间，十字薄片的两臂各有一个圆形薄片。第一薄片3的两臂垂直相交，每条臂的长度w1为20-80mm，宽度w2为2-8mm，厚度h1为1-5mm；第一薄片3由EVA、EPDM或亚克力材料制成。圆形薄片4的半径r为2-8mm，厚度h2为1-5mm；圆形薄片4由铁、铝、亚克力、乙烯-醋酸乙烯共聚物或三元乙丙橡胶材料制成。拓展性地，通过调节格栅框架1、薄膜蒙皮2、十字薄片和圆形薄片的结构和材料参数，可实现STL的幅值和频段的调整，满足目标设计要求。例如：增加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽带隔声性柔性低频声学超材料结构，其特征在于，包括格栅框架（1）、薄膜蒙皮（2）、第一薄片（3）和第二薄片（4）；所述格栅框架（1）由单个单元格经二维周期性延拓而成；薄膜蒙皮（2）覆盖于格栅框架（1）的一侧；第一薄片（3）和第二薄片（4）分布于格栅框架（1）的单元格内，置于薄膜蒙皮（2）的表面。

【技术特征摘要】
1.一种宽带隔声性柔性低频声学超材料结构，其特征在于，包括格栅框架（1）、薄膜蒙皮（2）、第一薄片（3）和第二薄片（4）；所述格栅框架（1）由单个单元格经二维周期性延拓而成；薄膜蒙皮（2）覆盖于格栅框架（1）的一侧；第一薄片（3）和第二薄片（4）分布于格栅框架（1）的单元格内，置于薄膜蒙皮（2）的表面。2.根据权利要求1所述的宽带隔声性柔性低频声学超材料结构，其特征在于，所述格栅框架（1）、第一薄片（3）与第二薄片（4）固定于薄膜蒙皮（2）表面的同侧或异侧。3.根据权利要求1所述的宽带隔声性柔性低频声学超材料结构，其特征在于，所述格栅框架（1）的单个单元格、单个第一薄片（3）、四个第二薄片（4）以及薄膜蒙皮（2）构成隔声性柔性低频声学超材料结构的一个最小周期单元。4.根据权利要求1所述的宽带隔声性柔性低频声学超材料结构，其特征在于，所述格栅框架（1）包括多条纵横垂直相交的条形骨架；格栅框架（1）每个单元格为方形框架结构，边长a为30-140mm、宽度w3为4-20mm，厚度h3为1-5mm。5.根据权利要求1或4所述的宽带隔声性柔性低频声学超材料结构，其特征在于，所述格栅框架（1）由乙烯-醋酸乙烯共聚物或三元乙丙...

【专利技术属性】
技术研发人员：周国建，吴九汇，田秀杰，黄威，
申请(专利权)人：无锡吉兴汽车声学部件科技有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32