CN103996395A - 一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构

【技术领域】

本发明属于弹性薄层低频轻质隔声材料技术领域，具体涉及一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构。

【背景技术】

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100Hz以下的声波，就需要厚度超过1m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100-1000Hz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100-1000Hz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0.2mm厚的橡胶薄膜和若干周期分布的1mm厚的半圆型金属片构成。从吸声系数来看，在1100Hz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。

【发明内容】

本发明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，本发明采用如下技术方案：

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。

本发明进一步改进在于：框架采用有机玻璃、树脂或EVA制成。

本发明进一步改进在于：框架的厚度为1-2mm，棱宽不超过2mm。

本发明进一步改进在于：硅橡胶弹性薄膜的厚度为0.1-1mm。

本发明进一步改进在于：质量块采用铁片质量块。

本发明进一步改进在于：质量块的形状为圆柱形、圆环形或方形中的一种或多种。

本发明进一步改进在于：质量块的厚度不超过2mm。

本发明进一步改进在于：质量块的面积不超过对应格子所围薄膜面积的1/2。

本发明进一步改进在于：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，本发明具有如下的技术效果：

1、本发明试件的理论模型在200Hz以下的低频范围内有宽度为75Hz的垂向禁带，满足低频隔声的要求；

2、在200～500Hz内隔声量普遍比目前广泛使用的隔声材料EVA高，满足宽频隔声的要求；

3、本发明试件总厚度小于5mm，薄膜的厚度小于1mm，满足薄层结构要求；

4、所用材料基本为轻质材料塑料、硅胶等，只有少量铁片作为质量块，但换算下来面密度也不比2.5mm厚的EVA大，满足轻质要求；

5、设计简单，易于加工和制造。

根据本发明一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构的上述特点，其可以用作飞机、汽车、列车等载运工具的内饰件材料，还可以用作建筑物内部的隔声材料，如KTV、大型歌剧院等。

【附图说明】

图1a为薄膜厚度0.5mm、塑料骨架以及圆柱形铁片质量块单元；图1b为薄膜厚度1mm、塑料骨架以及圆环铁片质量块单元；图1c为第一布里渊区；图1d为圆柱形铁片质量块单元阵列后的材料结构；

图2a为薄膜厚度为0.5mm、半径为6mm的圆形质量块试件的能带结构和禁带示意图；图2b为薄膜厚度为1mm、内半径为3mm以及外半径为9mm的环形质量块试件的能带结构和禁带示意图；

图3为不同质量块试件隔声量对比；

图4为相同质量块不同膜厚和框架的试件隔声量对比，其中，图4a为几组圆环形质量块试件的隔声量，图4b为几组圆柱形质量块试件的隔声量。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

(一)薄层轻质解决方案

为了给出科学的分析数据，设计制造了部分试件进行研究。试件主要由0.1-1mm的硅橡胶薄膜和厚度为1-2mm，棱宽不超过2mm的塑料或EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)框架组成，硅橡胶的密度约为1300kg/m³，塑料的密度约为1180kg/m³，EVA的密度与硅橡胶相当，密度总体上较低，属于轻质材料。此外，从厚度看，薄膜的厚度处于亚mm级，塑料的厚度参数也不超过2mm，属于薄层结构。

此外，为了达到低频隔声效果，试件中布置了适当的质量块，由密度稍大的铁片构成，形状可以是圆形、环形、方形等，厚度低于2mm，所占面积不超过框架格子所围薄膜面积的1/2，总体上满足了轻质的要求。

我们设计了如下几组试件：薄膜厚度1mm、塑料骨架以及圆形铁片质量块试件；薄膜厚度0.5mm、EVA骨架以及圆形铁片质量块试件；薄膜厚度1mm、塑料骨架以及圆环铁片质量块试件；薄膜厚度0.5mm、EVA骨架以及圆环铁片质量块试件。所设计试件统一采用24mm晶格常数，其中，中间的薄膜尺寸为长宽各20mm，框架棱长和厚度各2mm。质量块采用铁片，圆柱铁片半径6mm，厚度1mm；圆环铁片内径3mm，外径9mm，厚度1mm。塑料框架采用3D打印加工而成，EVA框架通过刀具划成；圆柱铁片通过线切割加工，圆环铁片为一种普通垫片。

采用驻波管法测试垂直入射方向的吸声系数，采用B&K的标准大管，试件直径为100mm，下限有效截止频率为200Hz。采用目前汽车等载运工具中广泛使用的隔声材料EVA作为对比，EVA试件的厚度为2.5mm。试件装夹后，边缘采用橡皮泥密封，确保不漏声。测试频率范围为200-1600Hz。

(二)低频隔声解决方案

图1为试件元胞结构与第一布里渊区，其中，图1a为薄膜厚度0.5mm、塑料骨架以及圆形铁片质量块单元；图1b为薄膜厚度1mm、塑料骨架以及圆环铁片质量块单元；图1c为第一布里渊区；图1d为圆柱形结构阵列后的材料结构。

除了进行隔声量测试外，为了分析其隔声机理，建立了两组试件对应的晶格模型进行能带和模态振型求解。一组是圆柱形质量块，0.5mm厚薄膜，塑料框架；另一组是圆环形质量块，1mm厚薄膜，塑料骨架。由于EVA的材料参数比较复杂，统一选择了塑料骨架的试件进行理论分析。元胞结构和第一布里渊区如图1所示。当波矢k沿Γ→X→M→Γ不同方向取值时，可以得到结构在这一方向上的固有振动属性，获得能带图。一般对于这种对称性较强的结构，M点和Γ点的模态可以初步说明结构的振动属性，对吸声隔声机理的分析起到重要作用。

为了深入分析这种薄膜型声学超材料的隔声机理，对图1所示的两个结构进行了能带计算，得到的能带结构如图2所示。

图2a为薄膜厚度为0.5mm、半径为6mm的圆形质量块试件的能带结构和禁带示意图；图2b为薄膜厚度为1mm、内半径为3mm以及外半径为9mm的环形质量块试件的能带结构和禁带示意图。

从图中可以看出，两个结构在隔声量的有效测试频段(200Hz以上)不存在禁带，而只在200Hz内存在一定宽度的Z模式(垂向)禁带。圆柱形结构的禁带非常窄，只有近7Hz(15.7-22.3Hz)；圆环形结构的禁带相对较宽，有75Hz左右(106-181Hz)。这样，就体现了薄膜型超材料的特殊力学行为了，不在禁带频段，依然能达到非常高的隔声量。为了解释这种特殊的隔声机理，需要对这两个结构的一些模态进行分析。

通过模态可以识别出图2中能带结构中Z方向的禁带宽度。然而，我们发现，除了图2中给出的在200Hz以下的带隙外，其余频率点的Z方向模态都是薄膜的共振模态。从能带图和模态振型充分说明了本项发明达到了低频隔声的要求。

(三)宽频解决方案

对前述两组薄膜厚度为0.5mm的试件的隔声量与EVA进行比较的结果如图3所示。从图中可以看出，在200-368Hz内，半径为6mm的圆柱形质量块试件隔声量比厚度为2.5mm的EVA高出5-10dB，平均接近8dB。在200-400内，外径为9mm，内径为3mm的圆环形质量块试件比EVA试件高，特别是在200-300Hz内，平均高出约5dB。总体上看，在200-500Hz内，EVA试件的隔声量近似呈线性增长。由于EVA本身隔声量就比一般隔声材料好得多，所以才成为了汽车内饰件的主流隔声材料。而本文设计的薄膜型声学超材料试件在平均面密度和厚度都低于EVA试件的情况下，低频段隔声量较EVA试件大幅提高，表明本文所设计的薄膜型声学超材料具有杰出的低频隔声性能。

虽然质量块的材料是密度较大的铁，但是质量块占的面积较总面积小，而且厚度较EVA试件小，EVA的密度与硅橡胶接近，比塑料(1180kg/m³)高。所以换算下来，本文设计的薄膜型声学超材料结构的平均面密度还略小于2.5mm厚的EVA试件的面密度。厚度方面，本文采用的塑料骨架为了加工方便，采用了2mm的厚度，但实际上，采用1mm厚的骨架对结果也不会造成明显的影响。而且骨架面积非常小，平均下来整个试件的平均厚度远小于EVA试件的厚度。而且5mm以内的隔声层厚度，在汽车或飞机上都是完全可以接受的，不会对实际工程应用造成阻碍。

为了研究薄膜厚度和骨架材料对隔声量的影响，测试了两种类型质量块在不同薄膜厚度和不同骨架下的几组试件的隔声量，结果如图4所示。从图4a几组圆环形质量块试件的隔声量可以看出，对于同为塑料骨架的两组试件，在200-275Hz频段，厚度为0.5的一组试件的隔声量比厚度为1mm的试件的隔声量达，平均高出约2dB；而在高于275Hz的频段，厚度为1mm的试件隔声量都比0.5mm的试件高，特别是在400Hz以后，最大高出超过10dB。对于薄膜厚度同为1mm的两组试件，在200-350Hz，EVA骨架的一组试件隔声量比塑料骨架的试件高，而且比纯EVA试件平均高出5dB以上，最高为约12dB；而在350-500Hz的频段内，塑料骨架的一组试件隔声量比EVA骨架的试件高，而且在500Hz以上的频段这个差距会增加。这与EVA的密度比塑料高，甚至比硅胶的密度高有关，框架密度越高，试件低频段的隔声效果就越好。

从图4b几组圆柱形质量块试件的隔声量可以看出，对于同为塑料骨架的两组试件，几乎在整个频段内，厚度为0.5mm的试件的隔声量都比厚度为1mm的试件的隔声量高，最高高出近15dB；厚度为1mm的试件只有在200-300Hz频段比纯EVA试件隔声量高，平均高出约5dB。对于薄膜厚度同为1mm的两组试件，几乎在全频段，EVA骨架的一组试件隔声量都比塑料骨架的试件高，最大高出超过10dB，在260Hz以上的频段，平均高出约8dB。而总体上看，在高于一定频率后，薄膜型声学超材料试件的隔声量都会比纯EVA试件低。也就是说，薄膜型声学超材料试件的隔声性能只在一定频段内比较好，而且是低频段。

此外，从图4相同质量块不同膜厚和框架的试件隔声量可以说明，一方面，选择EVA骨架比选择塑料骨架低频隔声效果好，而且EVA骨架容易加工，成本也低；另一方面，当薄膜到达一定厚度后，如果不增加质量块的重量，只会使隔声量降低。因此，选择合适的薄膜厚度和质量块重量、形状，都有望提高薄膜型声学超材料的隔声量。由于隔声量在所测试的低频频段(200～500Hz)内普遍较高，达到了宽频带的要求。

根据上述数据可以看出，本发明达到的技术效果：

1、本发明试件的理论模型在200Hz以下的低频范围内有宽度为75Hz的垂向禁带，满足低频隔声的要求；

2、在200～500Hz内隔声量普遍比目前广泛使用的隔声材料EVA高，满足宽频隔声的要求；

3、本发明试件总厚度小于5mm，薄膜的厚度小于1mm，满足薄层结构要求；

4、所用材料基本为轻质材料塑料、硅胶等，只有少量铁片作为质量块，但换算下来面密度也不比2.5mm厚的EVA大，满足轻质要求；

5、设计简单，易于加工和制造。

根据本发明一种弹性薄膜型低频隔声超材料结构的上述特点，它可以用作飞机、汽车、列车等载运工具的内饰件材料，还可以用作建筑物内部的隔声材料，如KTV、大型歌剧院等。

Claims (9)

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1-2mm，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0.1-1mm。

5.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：质量块采用铁片质量块。

6.根据权利要求1或5所述的弹性薄膜型低频隔声超材料结构，其特征在于：质量块的形状为圆柱形、圆环形或方形中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的弹性薄膜型低频隔声超材料结构，其特征在于：质量块的厚度不超过2mm。

8.根据权利要求6所述的弹性薄膜型低频隔声超材料结构，其特征在于：质量块的面积不超过对应格子所围薄膜面积的1/2。

9.根据权利要求2所述的弹性薄膜型低频隔声超材料结构，其特征在于：塑料框架采用3D打印加工而成，EVA框架通过刀具划成。