一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料制造技术

本发明专利技术涉及低频噪声主动控制的声学超材料技术领域，具体为一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料。所述薄膜型主动声学超材料的结构由内部可产生匀强磁场的通电螺线管和中心附加钕铁硼磁铁的硅胶薄膜等结构组成，通电后可使得硅胶薄膜上磁铁受到一轴向电磁力作用，实现了超材料结构声学特性的非接触式主动控制。本结构具有较好的低频隔声性能，通过改变电流强度产生不同强度的磁场，从而改变作用在磁铁上的受力，能够定量调节所设计声学超材料的固有频率，实现隔声峰值频率的定向移动，从而拓宽了声学超材料的隔声频率范围，为在低频范围内的噪声控制提供了有效的实际应用。

A Thin Film Active Acoustic Metamaterial Based on Magneto-solid Coupling

The invention relates to the technical field of active control of low-frequency noise in acoustic supermaterial, in particular to a thin film active acoustic supermaterial based on magneto-solid coupling. The structure of the thin film active acoustic metamaterial is composed of an electrified solenoid with uniform magnetic field inside and a silica gel film with Nd-Fe-B magnet attached at the center. After electrification, the magnet on the silica gel film can be subjected to an axial electromagnetic force, thus realizing the non-contact active control of the acoustic characteristics of the supermaterial structure. The structure has good low-frequency sound insulation performance. By changing the current intensity to produce different intensity magnetic field, the force acting on the magnet can be changed. The natural frequency of the designed acoustic supermaterial can be adjusted quantitatively, and the directional movement of the peak frequency of the sound insulation can be realized. Thus, the range of the sound insulation frequency of the acoustic supermaterial can be widened, and the noise control in the low-frequency range can be effectively provided. Practical application.

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料
本专利技术涉及低频噪声主动控制的声学超材料
，具体为一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料。技术背景在现代社会中,低频范围的噪声不仅在工业、航空和交通铁路等各个领域中,给其领域的仪器、设备等带来了严重的安全隐患,而且严重影响了人们的日常工作生活。传统材料的低频隔声量遵循质量定律，在现有的低频噪声控制方法中,或是用较为厚实的传统混凝土墙或是结构较为复杂的复合材料结构,其方法制备困难、价格较高。低频噪声由于波长长、传播距离远、衰落弱等特点,对其有效控制一直是噪声控制领域有挑战性的难题。声学超材料是一种具有负等效特性的周期性亚波长结构组成的复合材料,可以通过小尺寸控制大波长。近年来,研究者们提出了大量的声学超材料,为低频噪声控制提供了有利的结构模型。2012年，梅军等人设计了一种在弹性薄膜上镶嵌有一些非对称性的硬质金属片的声学超材料，实现了低频区域的高效隔声；2017年，周榕等人专利技术了一种一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料(专利申请号为CN201611165543.4)，使得材料在500Hz以下的频率范围被产生多个隔声峰值，改变薄膜位置可以改变隔声峰值对应频率，实现声学超材料隔声性能的半主动控制。传统的被动式声学超材料以及半主动式声学超材料一旦制备完成，其隔声峰值频率固定，或者可调节范围较窄，难以适应实际复杂声学环境。薄膜型声学超材料因其轻质以及较好的低频隔声性能，得到广泛的关注。通过定量改变薄膜上附加质量块的轴向受力可以定向控制超材料隔声峰值的移动，实现隔声的主动控制。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，通过定量改变输入电流的大小，改变硅胶薄膜上磁铁轴向受力，改变结构固有频率，从而使隔声峰值定向移动，实现声学超材料的非接触式主动控制。本专利技术的技术方案是：一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，所述薄膜型主动声学超材料由环形框架、磁铁、硅胶薄膜和通电螺线管组成；将漆包铜线绕制在螺线管套筒上，漆包铜线首尾留出一段接入直流电源正负极，制成通电螺线管；然后将一片环形框架放置在水平桌面上，再将硅胶薄膜自然放置在环形框架的上表面，再将另一片环形框架对准桌面上的环形框架放置在硅胶薄膜上，使硅胶薄膜夹于两片环形框架之间，用螺丝将上下两片环形框架固定，从而固定硅胶薄膜，接着用美工刀将硅胶薄膜沿着环形框架外边缘裁断，再将磁铁S极一侧用胶水粘贴在固定好的硅胶薄膜中心，然后将环形框架外侧缠上一层隔声胶带，防止漏声，最后将固定有圆形硅胶薄膜的环形框架放置于绕制好的通电螺线管内部，放置时靠近通电螺线管N极一侧。上述方案中，由环形框架固定的硅胶薄膜垂直于磁场方向放置。上述方案中，所述环形框架和螺线管套筒是由铝材料制成，或者由其他弱磁性材料制成。进一步的，所述的环形框架外半径为17-32mm，内半径为15-30mm，单片厚度为2mm。进一步的，所述的硅胶薄膜固定在两片环形框架之间，并用4颗螺丝对称固定。进一步的，所述硅胶薄膜半径为15-30mm，厚度为0.3-0.6mm，杨氏模量为1MPa-3MPa。进一步的，所述硅胶薄膜也可采用其他材料弹性薄膜。上述方案中，所述磁铁沿厚度方向充磁，其S极一侧用胶水粘贴在硅胶薄膜中心。进一步的，所述磁铁半径为8mm，厚度为1.5mm。上述方案中，所述通电螺线管是由漆包铜线绕制在铝质螺线管套筒上制成，输入电流强度为0-15A。进一步的，通电螺线管内半径为17-32mm，长度为60mm。上述方案中，由环形框架固定下的硅胶薄膜置于通电螺线管内并靠近通电螺线管N极一侧。上述方案中，输入电流通电螺线管内部产生的磁场方向与声波入射方向相反。本专利技术的优点有：1、可实现隔声峰值的定向移动，根据实际声学环境定量控制输入电流的大小，实现隔声性能的非接触式主动控制。2、结构简单，由传统薄膜声学超材料和通电螺线管的组合，机械加工工艺简便，可批量生产。3、通过电磁调节结构固有频率，控制隔声峰值变化响应快。4、磁铁置于薄膜中心位置，保证薄膜在振动过程中保持磁铁受轴向磁力作用。附图说明图1为本专利技术单元结构示意图。图2为本专利技术中环形框架固定下的硅胶薄膜结构示意图。图3为本专利技术通电螺线内部磁感线方向及声波方向示意图。图4为本专利技术隔声特性随结构所受轴向力变化曲线图。图5为本专利技术中采用0.3mm厚硅胶薄膜结构隔声特性变化曲线。图6为本专利技术中采用0.4mm厚硅胶薄膜结构隔声特性变化曲线。图7为本专利技术中采用0.6mm厚硅胶薄膜结构隔声特性变化曲线。图8为本专利技术中采用1MPa杨氏模量硅胶薄膜结构隔声特性变化曲线。图9为本专利技术中采用1MPa杨氏模量硅胶薄膜结构隔声特性变化曲线。图10为本专利技术中采用1MPa杨氏模量硅胶薄膜结构隔声特性变化曲线。图11为本专利技术隔声峰值频率变化量随硅胶薄膜厚度的变化趋势图。图12为本专利技术隔声峰值频率变化量随硅胶薄膜杨氏模量的变化趋势图。附图标记说明：1-通电螺线管漆包铜线；2-磁铁；3-硅胶薄膜；4-通电螺线管套筒；5-环形框架；6-电流输入；7-电流输出；8-声波入射方向；9-通电螺线管内部磁感线方向。具体实施方式下面结合附图度本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。本实施例中磁铁采用钕铁硼磁铁。见图1和图2，第一步：将一片环形框架放置于水平桌面上，并将硅胶薄膜自然放置在桌面上的环形框架上表面；第二步：将另一片环形框架对准桌面上环形框架放置在硅胶薄膜上，将硅胶薄膜夹于两片环形框架之间，并用四颗螺丝将上下两片环形框架固定，从而固定硅胶薄膜；第三步：用美工刀将硅胶薄膜沿着环形框架外边缘裁断；第四步：将钕铁硼磁铁S极一侧用胶水粘贴在固定好的硅胶薄膜中心；第五步：将环形框架外侧缠上一层隔声胶带，防止漏声；第六步：将固定有硅胶薄膜的环形框架放置于通电螺线管内部，放置时靠近通电螺线管N极一侧；第七步：整理好预留出的漆包铜线，控制漆包铜线首尾两端接入直流电源的正负，使通电螺线管内部磁感线方向与入射声波方向反向；第八步：调整输入电流大小，使钕铁硼磁铁受不同大小轴向力作用，得到结构在不同大小轴向磁力作用下隔声曲线的变化。如图1所示主动声学超材料结构，环形夹板外半径为17mm，内半径为15mm，单片厚度为2mm；硅胶薄膜半径为15mm，厚度为0.6mm；钕铁硼磁铁半径为8mm，厚度为1.5mm；通电螺线管内半径为17mm，长度为60mm。所述主动声学超材料结构的材料参数为：铝[密度ρ＝2700kg/m3；弹性模量E＝7E10Pa；泊松比ν＝0.33]；硅胶薄膜[密度ρ＝980kg/m3；弹性模量E＝2e6Pa；泊松比ν＝0.45]。所述基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料应用COMSOLMultiphysics5.3a有限元软件中“声-固耦合，频率”模块对其进行隔声曲线计算，图4为采用0.6mm厚硅胶薄膜主动声学超材料结构所受不同轴向力时隔声曲线变化。如图4所示，在输入电流变化的过程中，硅胶薄膜上钕铁硼磁铁所受轴向力变化，结构隔声峰值频率有明显移动，移动量超过100Hz，所以所设计主动声学超材料可实现隔声特性的非接触式主动控制，有效拓宽低频隔声可控范围。本专利技术所述的基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料为了达到理想的隔声效果，研究了不同硅胶薄膜杨氏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：所述薄膜型主动声学超材料由环形框架、磁铁、硅胶薄膜和通电螺线管组成；将漆包铜线绕制在螺线管套筒上，漆包铜线首尾留出一段接入直流电源正负极，制成通电螺线管；然后将一片环形框架放置在水平桌面上，再将硅胶薄膜自然放置在环形框架的上表面，再将另一片环形框架对准桌面上的环形框架放置在硅胶薄膜上，使硅胶薄膜夹于两片环形框架之间，用螺丝将上下两片环形框架固定，从而固定硅胶薄膜，接着用美工刀将硅胶薄膜沿着环形框架外边缘裁断，再将磁铁S极一侧固定在硅胶薄膜中心，然后将环形框架外侧缠上一层隔声胶带，防止漏声，最后将固定有圆形硅胶薄膜的环形框架放置于绕制好的通电螺线管内部，放置时靠近通电螺线管N极一侧。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：所述薄膜型主动声学超材料由环形框架、磁铁、硅胶薄膜和通电螺线管组成；将漆包铜线绕制在螺线管套筒上，漆包铜线首尾留出一段接入直流电源正负极，制成通电螺线管；然后将一片环形框架放置在水平桌面上，再将硅胶薄膜自然放置在环形框架的上表面，再将另一片环形框架对准桌面上的环形框架放置在硅胶薄膜上，使硅胶薄膜夹于两片环形框架之间，用螺丝将上下两片环形框架固定，从而固定硅胶薄膜，接着用美工刀将硅胶薄膜沿着环形框架外边缘裁断，再将磁铁S极一侧固定在硅胶薄膜中心，然后将环形框架外侧缠上一层隔声胶带，防止漏声，最后将固定有圆形硅胶薄膜的环形框架放置于绕制好的通电螺线管内部，放置时靠近通电螺线管N极一侧。2.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：由环形框架固定的硅胶薄膜垂直于磁场方向放置。3.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：所述环形框架和螺线管套筒是由铝材料制成。4.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：所述的环形框架外半径为17-32mm，内半径为15-30mm，单片厚度为2mm。5.如权利要求1所述的一种基于磁固耦合的薄膜型主动声学超材料，其特征在于：所述的硅胶薄膜固定在两片...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴卫国，杭锐，曾天成，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32