一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构制造技术

本发明专利技术公开了一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构，包括两个框架以及设置在两个框架之间的硅橡胶弹性薄膜，该硅橡胶弹性薄膜的一侧粘贴有若干质量块，并且若干质量块之间通过框架相互隔开。本发明专利技术解决了传统隔声材料低频隔声性能差厚度大、质量重等难题，满足了低频隔声的五项要求：500Hz以下的低频隔声要求；宽频带要求；结构厚度薄、重量轻的要求；设计加工容易、加工难度不大的要求。本发明专利技术一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构，具有优越的低频隔声性能，其能够有效隔离200-500Hz的低频噪声，可以应用于各种载运工具如飞机、汽车、列车、轮船和各种建筑装饰中。为创造低噪声的工作生活环境提供了全新的隔声解决方案。

【技术实现步骤摘要】
一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构【
】本专利技术属于弹性薄层低频轻质隔声材料
，具体涉及一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构。【
技术介绍
】现有的隔声材料一般都是硬度较大的材料，如钢板等。这些隔声材料在高频段隔声较好，但在低于500Hz的低频段，隔声性能非常差，有时甚至会因为自身的共振，导致对噪声产生放大。这严重制约了载运工具隔声部件和厅堂隔声材料的设计，对低频隔声技术提出了挑战。一般情况下，要隔离低频段的声波，就需要隔声部件的厚度尺寸与声波波长相匹配，如果要隔离IOOHz以下的声波，就需要厚度超过Im的隔声部件，这显然是不现实的，因此需要开发新型的低频隔声材料。舰船、飞机、列车和汽车等设备中存在较为显著的低频振动噪声，严重制约了这些设备的性能发挥和乘坐舒适性品质。这些低频振动噪声主要是由于薄壁板件和内饰件在低频段的共振引起的，因此抑制薄壁板件的低频共振和增加内饰件的低频隔振隔声性能，是降低这些系统中低频振动噪声的关键。声学超材料可以通过毫米级厚度的结构实现对低频机械波的控制，在低频减振降噪中具有很强的应用前景。而全面研究基于声学超材料的低频减振降噪技术，解决其中的关键性科学问题，拓宽工程应用范围，这在工程实践中具有极其关键的作用。声学超材料和电磁波超材料相对应，是指具有负等效质量密度和负等效模量的人工亚波长结构。它能够实现声波的负折射，声聚焦，超透镜，隐身等许多新奇特性。2000年，刘正猷等人通过研究局域共振声子晶体，首次实现了声学超材料。该局域共振理论实现了比声子晶体布拉格散射机理频率低两个数量级的人工带隙，而该带隙所对应的声学等效参数——等效质量密度为负。声学超材料发展十余年，吸引了大量物理学，材料学等学科的学者，已经从实现单一负等效质量密度或负等效模量，到同时具备负等效质量密度和负等效模量材料，成为人工结构研究领域不可去少的一部分。刘正猷等把普通的声子晶体带隙频率降低了两个数量级，突破了布拉格散射的限制，实现了小尺寸控制大波长的目的，这为声子晶体低频研究开辟了新的道路和方法。他们是通过在低频处引入局部共振单元，实现等效负质量密度。他们将用硅橡胶包裹的铅块，按立方晶格结构嵌入到环氧树脂的基体中，此时铅块充当质量块，硅橡胶起到弹簧的作用，环氧树脂作为基体。在低频处，就会出现铅块和基体运动失谐的情况，产生了负等效质量密度，同时由于铅块运动能吸收声波所传递的能量而在低频处产生禁带。2012年，我们所设计的折叠梁结构的局域共振声子晶体结构，用质量较轻、价格较低的有机玻璃薄板制成，厚度在mm量级，低频带隙范围到达了 18-200HZ，对次声频段都有一定的控制效果，为声子晶体解决目前普遍存在的钣金件低频段振动噪声控制提供了较为完整的解决方案。 上述薄板型声子晶体主要在控制薄板平面的波传播方面效果较好，对应垂直入射的波则效果较差，这对于用声子晶体来进行低频隔声隔振是不利的。后来，我们又设计了螺旋梁声子晶体结构，结构由有机玻璃薄板基体和金属柱散射体构成，该局域共振声子晶体结构的低频带隙达到了 42-250HZ，在目前比较关注的垂向低频减振降噪提供了新丝路。当然，由于该结构的金属柱散射体质量，即使进行等比例缩小，其应用范围也有一定的限制，比如该结构很难用在对重量限制较严格的航空航天和汽车领域。但对于建筑物、船舶等水下武器、列车和前面讲到的减振工地混凝土泵车外壳的减振降噪提供了一种方案。为了获得更低的带隙，及在实验上容易获得等效负质量，2008年，杨志宇等制作出了薄膜型等效负质量密度超材料。他们在圆形弹性薄膜上固定质量块，并将薄膜固定在框架上。该薄膜超材料在200-300HZ的频率范围内，都能形成等效负质量密度。当声波垂直于薄膜平面入射时，只要入射频率和质量块在薄膜上的共振频率相匹配，就能够使得声波被完全反射，而不能透过。因此可以通过调整质量块和薄膜的弹性模量，就可以调整等效负质量密度出现的频率，实现对某个较窄频段声波的衰减。然而，由于质量块的共振频率为单一频率，要想实现宽频的降噪，可根据条件设计多层的薄膜材料来共同实现。薄膜型超材料能够在200-300HZ的频率范围内有效地衰减声波。而根据已有的质量定律，降低这个频段的声波所要求结构的尺寸及质量要远大于薄膜型超材料，实现了声波在亚波长尺度的衰减。2008年，杨志宇等提出了一种具有动态负质量的膜型声学超材料，可以实现lOO-lOOOHz的宽频低频带隙，对减振降噪提供了一种更广泛适用的理论方案。为了得到详细的减振降噪效果，梅军等于2012年发表了通过试验验证的结构设计方案，证实了在ΙΟΟ-ΙΟΟ0Hz内确实存在宽频低频带隙，结构有非常好的隔振隔声效果。在声学超材料方面，目前有望应用于减振降噪的主要是香港科技大学沈平课题团队提出的薄膜型超材料，而研究较多的地毯型超材料目前禁带频率远高于可听声频率范围。梅军等进了行试验验证，他们的结构由一层金属支架、一层0.2_厚的橡胶薄膜和若干周期分布的1_厚的半圆型金属片构成。从吸声系数来看，在IlOOHz以内，最低吸声系数都大于0.3，而且在很宽频段内，吸声系数都接近1，低频降噪效果非常显著，是目前最有望解决载运工具钣金件低频减振降噪问题的方案。由于局域共振型声子晶体也属于超常料的一种，因此，总体看来，要实现低频振动噪声的被动控制，声学超常料是一种非常好的选择。无论局域共振型还是薄膜型超材料都是利用偶极共振原理，使得超材料的共振频率和声波频率相匹配实现负等效质量密度，达到降低噪声的目的。这两种声学超材料对于整体结构中单元排列方式等要求并不像布拉格散射声子晶体结构要求那么严格，而是更多强调了结构单元的设计。这两种声学超材料都能够实现声波在亚波长尺度衰减的目的，突破了质量定律的限制，对于低频降噪有着非常重要的意义。综上所述，对于500Hz以内频段的低频隔声问题，现有的隔声材料，要么达不到低频的要求；要么能达到低频要求但是结构很厚很笨重，成本难以控制，空间条件也不允许；要么只对单一频率或者较窄的频带有效(如亥姆霍兹共振器等)；因此，提供一种具有宽频带、满足低频要求的隔声材料结构是必要的。【
技术实现思路
】本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案:一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构，包括两个结构相同的框架以及布置在两个框架之间的硅橡胶弹性薄膜，该框架呈田字格状，硅橡胶弹性薄膜的一侧粘贴有若干质量块，并且若干质量块通过一侧框架的格子相互隔开。本专利技术进一步改进在于:框架采用有机玻璃、树脂或EVA制成。本专利技术进一步改进在于:框架的厚度为棱宽不超过2mm。本专利技术进一步改进在于:硅橡胶弹性薄膜的厚度为0.1-1_。本专利技术进一步改进在于:质量块采用铁片质量块。本专利技术进一步改进在于:质量块的形状为圆柱形、圆环形或方形中的一种或多种。本专利技术进一步改进在于:质量块的厚度不超过2mm。本专利技术进一步改进在于:质量块的面积不超过对应格子所围薄膜面积的1/2。本专利技术进一步改进在于:塑料框架采用3D打印加工而成，EVA框架通过刀具划成。与现有技术相比，本专利技术具有如下的技术效果:1、本专利技术试件的理论模型在200Hz以下的低频范围内有宽度为75Hz的垂向禁带，满足低频隔声的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构，其特征在于：包括两个结构相同的框架以及布置在两个框架之间的硅橡胶弹性薄膜，该框架呈田字格状，硅橡胶弹性薄膜的一侧粘贴有若干质量块，并且若干质量块通过一侧框架的格子相互隔开。

【技术特征摘要】
1.一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构，其特征在于:包括两个结构相同的框架以及布置在两个框架之间的硅橡胶弹性薄膜，该框架呈田字格状，硅橡胶弹性薄膜的一侧粘贴有若干质量块，并且若干质量块通过一侧框架的格子相互隔开。2.根据权利要求1所述的弹性薄膜型低频隔声超材料结构，其特征在于:框架采用有机玻璃、树脂或EVA制成。3.根据权利要求1或2所述的弹性薄膜型低频隔声超材料结构，其特征在于:框架的厚度为棱宽不超过2mm。4.根据权利要求1所述的弹性薄膜型低频隔声超材料结构，其特征在于:硅橡胶弹性薄膜的厚度为0.1-lmm。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴九汇，马富银，张思文，雷浩，张炜权，付刚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61