本發(fā)明涉及低頻噪聲控制的聲學(xué)超材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種帶薄膜結(jié)構(gòu)的Helmholtz腔聲學(xué)超材料。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代社會中，低頻范圍的噪聲不僅在工業(yè)、航空和交通鐵路等各個領(lǐng)域中，給其領(lǐng)域的儀器、設(shè)備等帶來了嚴(yán)重的安全隱患，而且嚴(yán)重影響了人們的日常工作生活。在現(xiàn)有的低頻噪聲控制方法中，或是用較為厚實的傳統(tǒng)混凝土墻或是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其方法制備困難、價格較高。低頻噪聲由于波長長、傳播距離遠(yuǎn)、衰落弱等特點(diǎn)，對其有效控制一直是噪聲控制領(lǐng)域有挑戰(zhàn)性的難題。

聲學(xué)超材料是一種具有負(fù)等效特性的周期性亞波長結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合材料，可以通過小尺寸控制大波長。近年來，研究者們提出了大量的Helmholtz腔型的聲學(xué)超材料，為低頻噪聲控制提供了有利的結(jié)構(gòu)模型。2006年，F(xiàn)ang等人設(shè)計了一維陣列的Helmholtz聲學(xué)超材料，并且通過實驗實現(xiàn)了負(fù)等效彈性模量；丁昌林等人申請專利(申請?zhí)枮?01010221191.6)設(shè)計了一種開口空心球的聲學(xué)超材料，使得材料在1000～5000Hz的聲波范圍內(nèi)實現(xiàn)了負(fù)等效彈性模量；2011年，高東寶等人將Helmholtz腔單元組合成新型單元，研究了各單元的聲透射特性。

上述Helmholtz型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)在一定頻率范圍內(nèi)研究了其透射系數(shù)曲線，這些超材料結(jié)構(gòu)控制的頻率在kHz范圍，且其透射系數(shù)曲線有單一尖銳的峰值且頻率帶較窄。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種帶薄膜型結(jié)構(gòu)的Helmholtz腔聲學(xué)超材料，通過圓柱型空腔增加薄膜結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)低頻寬帶噪聲控制。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種帶薄膜型結(jié)構(gòu)的Helmholtz腔聲學(xué)超材料，結(jié)構(gòu)單元由開孔圓柱型空腔和彈性圓形薄膜組成；

將開孔圓柱型空腔從中間劃分成兩部分，其頂端表面開孔的上半部分為所述結(jié)構(gòu)單元的第一部分，下半部分為所述結(jié)構(gòu)單元的第三部分；所述單元結(jié)構(gòu)的第二部分為圓形薄膜結(jié)構(gòu)；圓形薄膜結(jié)構(gòu)位于第一部分和第三部分之間。

上述方案中，所述開孔圓柱型空腔結(jié)構(gòu)是由鋁材料制成。

進(jìn)一步的，所述圓柱型空腔的外半徑為15mm，內(nèi)半徑為14mm，總高度為20～40mm，壁厚為1mm，第三部分底板的厚度為2mm，小孔的深度為2～10mm，小孔的半徑為0.4～0.8mm。

上述方案中，所述圓形薄膜結(jié)構(gòu)是粘貼在空腔中間，由硅橡膠制成。

進(jìn)一步的，所述圓形薄膜半徑為15mm，厚度為0.1～1.2mm。

上述方案中，所述結(jié)構(gòu)小孔的開孔方向正對著聲學(xué)超材料的入射面。

上述方案中，所述聲學(xué)超材料的制備工藝：為了簡化樣品材料的制備過程，將所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)分成四種不同形式的結(jié)構(gòu)部分組成，分別是圓柱型底板、薄壁型空腔板、薄膜以及開小孔的圓柱型板。對不同形式的圓柱鋁板結(jié)構(gòu)，采用線切割工藝對其進(jìn)行加工，并且將這些結(jié)構(gòu)按照開小孔圓柱型板、薄壁空腔板、薄膜、薄壁空腔板、圓柱型底板的順序用長螺絲固定。

上述方案中，實驗制備時，樣品材料單元結(jié)構(gòu)的組合方式為孔中心距為32mm，圍繞中心旋轉(zhuǎn)為60°，即共七個結(jié)構(gòu)單元組成，如圖12中的第2張小圖。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1、本發(fā)明所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)通過增加薄膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及所述單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)相互匹配：r＝14mm，H＝30mm，r₀＝0.8mm，l＝2mm，d＝1mm下，達(dá)到最佳效果，在286Hz和352Hz左右，透射系數(shù)達(dá)到最低值且其頻率帶寬在30Hz左右，降低了噪聲控制的頻率值，并擴(kuò)大了頻率范圍。

2、本發(fā)明所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)通過改變結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，來得到想要控制的噪聲頻率范圍。

3、本發(fā)明所述聲學(xué)超材料單個單元結(jié)構(gòu)就可以達(dá)到低頻控制目的，無須繁雜的堆疊或組合，提高了結(jié)構(gòu)布置效率和結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

4、本發(fā)明所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)所制備的材料簡單，價格低廉；機(jī)械加工工藝簡便，可批量化生產(chǎn)。

5、本發(fā)明所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)制備時，將結(jié)構(gòu)通過長螺絲固定，易拆易裝，可重復(fù)多次使用，大大降低了實驗裝配的難度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例的聲學(xué)超材料單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一實施例的聲學(xué)超材料單元結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖3為本發(fā)明一實施例的聲學(xué)超材料單元結(jié)構(gòu)尺寸圖。

圖4為本發(fā)明一實施例的聲學(xué)超材料單元結(jié)構(gòu)仿真模型圖。

圖5為本發(fā)明一實施例的聲學(xué)超材料透射系數(shù)曲線圖。

圖6為本發(fā)明一實施例的不帶薄膜時的聲學(xué)超材料透射系數(shù)曲線圖。

圖7為本發(fā)明一實施例的聲學(xué)超材料透射系數(shù)隨空腔高度變化趨勢圖。

圖8為本發(fā)明一實施例的聲學(xué)超材料透射系數(shù)隨小孔深度變化趨勢圖。

圖9為本發(fā)明一實施例的聲學(xué)超材料透射系數(shù)隨小孔半徑變化趨勢圖。

圖10為本發(fā)明一實施例的聲學(xué)超材料透射系數(shù)隨薄膜厚度變化趨勢圖。

圖11為本發(fā)明一實施例的聲學(xué)超材料透射系數(shù)隨薄膜上下空腔高度比變化趨勢圖；

圖12為本發(fā)明一實施例的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的制備示意圖；1為開小孔圓柱型板；2為圓柱型薄壁空腔板；3為薄膜結(jié)構(gòu)；4為圓柱型底板；5為6組螺栓螺帽；6為整體結(jié)構(gòu)；7為整體結(jié)構(gòu)的側(cè)面圖；

圖13為本發(fā)明一實施例的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)實驗傳聲損失圖。

圖中，1、開小孔圓柱型板；2、圓柱型薄壁空腔板；3、薄膜；4、圓柱型底板。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1所示為本發(fā)明所述帶薄膜結(jié)構(gòu)的Helmholtz腔聲學(xué)超材料的一種實施方式，本發(fā)明是在圓柱型的Helmholtz腔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一層薄膜，薄膜與空腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生耦合，改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而達(dá)到低頻噪聲控制的效果。圖1為所述聲學(xué)超材料的單元結(jié)構(gòu)，包括空腔和薄膜；圖2為所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖3為所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的尺寸圖。

如圖3尺寸圖中所示，圓柱型空腔的內(nèi)半徑為r，空腔的高度為H，壁厚為t，小孔的深度為l，小孔的半徑為r₀，薄膜的厚度為d。所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)為：鋁[密度ρ＝2700kg/m³；彈性模量E＝7e10Pa；泊松比ν＝0.33]；硅橡膠薄膜[密度ρ＝980kg/m³；彈性模量E＝2e5Pa；泊松比ν＝0.49]。

圖4所示為本發(fā)明所述帶薄膜結(jié)構(gòu)的Helmholtz腔聲學(xué)超材料運(yùn)用COMSOL Multiphysics 5.1有限元軟件中“聲-固耦合，頻率”模塊計算的仿真模型。面1、2設(shè)置為平面波輻射模式，且面1為入射平面。

圖5為所述聲學(xué)超材料通過COMSOL計算得到的透射系數(shù)曲線圖。圖5中所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)為：r＝14mm，H＝30mm，r₀＝0.8mm，l＝2mm，d＝1mm。

圖6所示的透射系數(shù)曲線為不帶薄膜的圓柱型Helmholtz腔結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)為：r＝14mm，H＝30mm，r₀＝0.8mm，l＝2mm。

如圖5中所示，透射系數(shù)最低值的頻率為f₁＝286Hz和f₂＝352Hz，圖6中透射系數(shù)最低值的頻率為f＝380Hz，兩者相比較，明顯增加帶膜結(jié)構(gòu)的聲學(xué)超材料頻率更低，并且具有兩個透射峰值。Helmholtz腔本身的固有頻率在367Hz左右；薄膜的厚度大于0.5mm，可采用薄板形式來計算其固有頻率，在低頻范圍，薄板的固有頻率為39.3Hz和152.3Hz?？梢姡∧そY(jié)構(gòu)與空腔進(jìn)行耦合，兩者的固有頻率均發(fā)生了變化，所以增加薄膜結(jié)構(gòu)可使Helmholtz腔的固有頻率降低，本發(fā)明所述的帶薄膜結(jié)構(gòu)的Helmholtz腔聲學(xué)超材料可控制低頻范圍的噪聲，并且增寬其頻率范圍。

本發(fā)明所述的聲學(xué)超材料為達(dá)到所需控制的頻率范圍，通過改變其結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)來實現(xiàn)。為了更好的對比分析幾何參數(shù)對透射系數(shù)的影響，在保持一個參數(shù)不變的情況下，改變其他參數(shù)，計算結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)：不同的空腔高度(即空腔中空氣的體積)：H＝20mm，25mm，30mm，35mm，40mm；不同的小孔深度：l＝2mm，4mm，6mm，8mm，10mm；不同的小孔半徑：r₀＝0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8mm；不同的薄膜厚度：d＝0.6mm，0.8mm，1mm，1.2mm；不同薄膜上下空腔的高度：H₁:H₂＝10mm：20mm，15mm：15mm，20mm：10mm，25mm：5mm。由于帶薄膜結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)曲線有兩個或多個峰值，不利于比較，在研究空腔結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)(即空腔的高度、小孔的深度及小孔的半徑)對透射系數(shù)影響時，將薄膜結(jié)構(gòu)去掉，僅保留圓柱空腔結(jié)構(gòu)。

上文所述的改變幾何參數(shù)與透射系數(shù)曲線的影響，如圖7-11所示。結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)的固有頻率改變有著明顯的影響，進(jìn)而對透射系數(shù)曲線有明顯影響且薄膜厚度及薄膜上下空腔高度也對結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)有影響。圖7表示改變空腔的高度時，透射系數(shù)曲線對應(yīng)頻率的變化趨勢。如圖所示，隨著空腔高度的增加(即空腔內(nèi)空氣體積的增加)，頻率逐漸減小但其寬度無明顯減小。圖8表示小孔的深度改變時，透射系數(shù)曲線對應(yīng)頻率的變化趨勢，隨著小孔深度的增加，透射系數(shù)對應(yīng)的頻率值也增加且其帶寬也隨著增大。圖7-8中的最低透射系數(shù)值均接近于0。圖9表示改變小孔半徑時，透射系數(shù)曲線對應(yīng)的頻率及最小透射系數(shù)值的變化趨勢，隨著小孔半徑的增大，頻率也隨著增大，帶寬在小孔半徑小于0.5mm時較窄，只有將近8Hz。小孔半徑大于0.5mm時，帶寬在22Hz左右并且無明顯改變。最低透射系數(shù)值隨著小孔半徑的增大而減小。對于空腔結(jié)構(gòu)尺寸的影響，要得到較寬且較低頻率的透射系數(shù)曲線時，我們需要增大空腔高度、小孔深度和小孔半徑均取合適中間值。圖10表示改變薄膜厚度對透射系數(shù)曲線對應(yīng)的頻率改變趨勢。在圖中，隨著薄膜厚度的增加，第一和第二個峰值均先降低再升高；兩個峰值的帶寬總和也是隨著薄膜厚度的增加，先減小再增大。圖11表示改變薄膜上下空腔的高度比時，透射系數(shù)對應(yīng)頻率的變化趨勢。隨著上部分空腔高度增加和下部分空腔高度減小，第一個透射系數(shù)曲線極小值對應(yīng)的頻率也逐漸增大，帶寬逐漸減小；第二個透射系數(shù)曲線極小值對應(yīng)的頻率逐漸增大但變化趨勢不明顯，帶寬卻逐漸增大。選擇合適的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)時，可以得到所要的控制噪聲的頻率范圍。

本發(fā)明實驗過程及實驗結(jié)果結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實驗樣品如圖12所示，1代表開小孔的圓柱型板；2代表組成空腔的薄壁圓柱型板；3代表薄膜；4代表圓柱型底板，放置在樣品的最低端；5代表固定以上所述圓柱型板的螺母螺栓，共6組；6代表組合后的整體超材料；7代表整體的側(cè)面圖，可以清楚看到薄膜的位置。圓柱型板均采用線切割方式進(jìn)行制備，薄膜通過裁剪即可制成。

實驗結(jié)果如圖13所示，是由本發(fā)明所述聲學(xué)超材料放置于阻抗管中，利用四傳感法計算結(jié)構(gòu)的傳聲損失。圖13表示為頻率與傳聲損失的關(guān)系曲線，如圖中所示，有明顯有兩個峰值其頻率在280Hz和340Hz左右，與數(shù)值模擬計算透射系數(shù)峰值對應(yīng)的頻率一致，傳聲損失范圍在25-30dB。

根據(jù)本發(fā)明一種帶薄膜結(jié)構(gòu)的Helmholtz型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的上述特點(diǎn)，它可以大規(guī)模工廠化制備，可以用作交通工具的隔聲裝置、建筑物作為隔聲材料，也可運(yùn)用于大型機(jī)械的防振裝置等。

上述所述為優(yōu)選的實施例，不能作為本發(fā)明的全部范圍，在以本發(fā)明所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)做任何明顯的改進(jìn)或簡單變換均屬于本發(fā)明的專利覆蓋范圍內(nèi)。