隔聲通流且強(qiáng)化傳熱的聲學(xué)超材料單元、復(fù)合結(jié)構(gòu)及制備
【專利摘要】本發(fā)明涉及隔聲通流且強(qiáng)化傳熱的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，其包括邊框、在所述的邊框內(nèi)設(shè)置有約束體，在邊框的上下表面的至少一個(gè)表面上覆蓋有薄膜；所述約束體和薄膜上均設(shè)置有至少一個(gè)孔。另外，本發(fā)明還提供了含有聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的聲學(xué)超材料復(fù)合板和復(fù)合結(jié)構(gòu)，以及調(diào)頻方法和裝配方法。所述結(jié)構(gòu)單元既能在寬頻帶內(nèi)具有優(yōu)于普通穿孔板或微穿孔板的隔聲能力，又可以保證足量熱流、氣流或液流能夠順利通過；并且通過自身結(jié)構(gòu)在聲波激勵(lì)下產(chǎn)生的單元局域振動(dòng)，提高孔兩側(cè)流體介質(zhì)的熱量擴(kuò)散速率以及加快對(duì)流換熱效率。該聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)具有裝配工藝簡(jiǎn)單、工作性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。
【專利說明】
隔聲通流且強(qiáng)化傳熱的聲學(xué)超材料單元、復(fù)合結(jié)構(gòu)及制備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種隔聲、通流且能夠提高熱量擴(kuò)散速率以及加快對(duì)流換熱效率的聲 學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及含有其的陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)，適用于制作結(jié)構(gòu)輕薄、低頻隔聲效果好且能 夠保證足量熱流、氣流或液流順利通過的結(jié)構(gòu)殼體、隔聲板、隔聲罩或消聲器，屬于材料領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱能動(dòng)力設(shè)備如：蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)等、大型電機(jī)、計(jì)算機(jī)主機(jī)、電氣設(shè) 備和制冷設(shè)備等的殼體結(jié)構(gòu)對(duì)散熱通流的要求很高，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行，同時(shí)它們還 需要降低噪聲，以減少對(duì)環(huán)境的噪聲污染。
[0003] 為了調(diào)和散熱通流和隔聲降噪之間的矛盾，現(xiàn)有技術(shù)的常用解決方案是在結(jié)構(gòu)殼 體或包覆的隔聲罩上增加散熱通流裝置（中國(guó)公開的專利有：CN2411327Y，CN1710239A， CN200943422Y，CN104153695A，CN204099057U)。然而，這些附加的散熱通流裝置包括較長(zhǎng)的 通流管路，甚至為了增強(qiáng)對(duì)流需要在管路上安裝風(fēng)扇或栗機(jī)等動(dòng)力設(shè)備。這些管路和動(dòng)力 設(shè)備不僅增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和制造維護(hù)成本，而且還會(huì)產(chǎn)生管路和機(jī)械噪聲。另一種實(shí)施 方便的低成本方案是采用孔隙面積足夠大的普通穿孔板或格柵板制作殼體或隔聲罩，但這 些結(jié)構(gòu)在機(jī)電噪聲能量占主的中、低頻段(如1000赫茲以下）的隔聲效果非常差。
[0004] 直徑小于1毫米的微穿孔板襯以一定間隔的背板，可以在中、高頻設(shè)計(jì)出較高的隔 聲量，其工作機(jī)理:微穿孔板與背板間的空腔構(gòu)成一組亥姆霍茲共振吸聲體(HeImhoItz Resonant Absorber)，當(dāng)穿孔中入射聲波的頻率與亥姆霍茲共振吸聲體的特征頻率一致， 氣流與空腔結(jié)構(gòu)共振摩擦，導(dǎo)致大量聲能轉(zhuǎn)為熱能耗散，提高該共振頻率的吸聲效果。受限 于工作機(jī)理，若欲采用微穿孔板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)滿意的降噪效果，背板結(jié)構(gòu)不可或缺（中國(guó)公開的 專利有：CN101645263B，CN202986208U，CN102543061B，CN102077272B，CN102842303B, CN104700827A，CN105065337A，CN105222474A;美國(guó)專利：US6868940B1，US20110100749A1, US008381872B2，US008469145B2)。而背板結(jié)構(gòu)的存在又不可避免地影響到散熱通流的效 果。
[0005] 此外，2014年，美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)期刊《AIP Advances》公開了一種用于建筑居室的 通氣隔聲窗（2014 年，Sang-Hoon Kin 等，Air Transparent Soundproof Window，AIP Advances 4,117123.;美國(guó)專利:US20160071507A1)。該隔聲窗基于與微穿孔板類似的空腔 共振耗能原理提高隔聲量，是由帶圓柱孔的共振腔室聲學(xué)單元構(gòu)成的陣列結(jié)構(gòu)。其中，用于 通流的孔直徑最大為50毫米，硬質(zhì)亞克力材料制作的共振腔室聲學(xué)單元的邊長(zhǎng)為150毫米， 厚度為40毫米，最低階共振頻率在1000赫茲附近，能夠?qū)崿F(xiàn)比微穿孔板更好的中、低頻隔聲 效果。然而，若欲實(shí)現(xiàn)更低頻段的有效隔聲，其結(jié)構(gòu)尺寸將做得非常大，難以用于對(duì)空間尺 寸要求高的場(chǎng)合。更重要的是，透過該孔的流量降低了各頻段的隔聲效果，尤其是對(duì)于波長(zhǎng) 大于孔徑的低頻聲波。
[0006] 聲學(xué)超材料(Acoustic Metamaterial)，尤其是薄膜型聲學(xué)超材料（2008年， Z·Yang等，Membrane-Type Acoustic Metamaterial with Negative Dynamic Mass， Physical Review Letters 101,204301.)的出現(xiàn)使得人們可以利用厚度和晶格尺寸小于 聲波波長(zhǎng)兩個(gè)數(shù)量級(jí)的輕薄結(jié)構(gòu)有效隔離低頻聲波的傳播，即可用厘米級(jí)結(jié)構(gòu)阻隔波長(zhǎng)為 米級(jí)的百赫茲噪聲。薄膜型聲學(xué)超材料基于局域共振原理（2000年，Zhengyou Liu等， Locally Resonant Sonic Materials，Science 289,1734·)，其典型結(jié)構(gòu)包括三種基本單 元，即硬質(zhì)框架、彈性薄膜以及配重質(zhì)量塊。其工作機(jī)理在于硬質(zhì)框架分隔出單個(gè)不連通小 區(qū)域，內(nèi)部的配重質(zhì)量塊在入射聲波激勵(lì)下產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，進(jìn)而促使彈性薄膜產(chǎn)生反共振 振動(dòng)模式，使得整體區(qū)域的法向振動(dòng)位移求和為零，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射聲波的全部反彈，減少 透射側(cè)的聲能?；诖嗽淼谋∧ば吐晫W(xué)超材料專利均要求整體結(jié)構(gòu)不透氣（中國(guó)公開的 專利有：CN1664920A，CN102237079A，CN101908338B，CN103594080A，CN103810991A， 〇則0 3996395厶，〇則05118496厶，美國(guó)專利：1]500739589882，1]520130087407八1， US20140339014A1，US20150047923A1)。這必然限制了該類聲學(xué)超材料應(yīng)用于對(duì)散熱通流 要求高的場(chǎng)合。
[0007] 2013年，美國(guó)應(yīng)用物理快報(bào)刊發(fā)了一篇論文（Guancong Ma等，Low-frequency Narrow-band Acoustic Filter with Large Orifice,Applied Physics Letters 103, 011903.)，首次提出了一種具有孔的薄膜型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)(美國(guó)專利:US20160027427A1， 中國(guó)專利:CN105122348A)。該結(jié)構(gòu)中間存在一個(gè)用于散熱通流的孔，緊靠孔四周正則分布 了四塊不透氣的帶配重質(zhì)量塊的薄膜型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元。在特定聲學(xué)頻率下，聲學(xué)超 材料結(jié)構(gòu)單元的配重質(zhì)量塊和彈性薄膜形成大幅度局域共振，共同產(chǎn)生用于抵消過孔聲波 的聲壓，實(shí)現(xiàn)在該頻帶的有效隔聲。然而，該結(jié)構(gòu)的有效隔聲頻帶非常窄，僅幾十赫茲。該文 作者認(rèn)為其原因在于，僅在靠近共振頻率的共振頻段，四周的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元才能產(chǎn) 生足夠量級(jí)的反相聲波與過孔聲波遠(yuǎn)場(chǎng)抵消。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種能夠同時(shí)克服現(xiàn)有薄膜型聲學(xué)超材料的結(jié)構(gòu) 不透氣和透氣聲學(xué)超材料的工作帶寬窄的問題缺陷的技術(shù)方案，進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一 種寬頻隔聲效果好且具有良好的散熱通流的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，其在機(jī)電噪聲能量的主 要頻段，如數(shù)百赫茲，具有工作頻帶較寬的優(yōu)良隔聲性能，又可保證足量熱流、氣流或液流 能夠順利通過。
[0009] 本發(fā)明還提供一種能夠強(qiáng)化傳熱的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，其一方面通過自身結(jié)構(gòu) 在聲波激勵(lì)下的振動(dòng)提高孔兩側(cè)介質(zhì)的熱量擴(kuò)散速率；同時(shí)地，另一方面，當(dāng)有流體通過 時(shí)，結(jié)構(gòu)單元的振動(dòng)可以阻礙熱邊界層和速度邊界層的形成，能夠增加熱源貼壁處的流體 湍流度，加快了換熱效率;同時(shí)地，其利用通過孔聲波與薄膜反彈聲波的正負(fù)抵消實(shí)現(xiàn)高隔 聲量，最終達(dá)到了隔聲、通流、強(qiáng)化傳熱的效果。
[0010] 本發(fā)明還提供一種聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)，其通過將工作在不同頻率 的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)組合拼接或者面外縱向堆疊，實(shí)現(xiàn)顯著拓寬整體復(fù)合結(jié)構(gòu)的有 效工作帶寬的效果。
[0011] 具體來說，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0012] -種聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，其包括邊框、在所述的邊框內(nèi)設(shè)置有約束體，在邊框 的上下表面的至少一個(gè)表面上覆蓋有薄膜;所述約束體和薄膜上均設(shè)置有至少一個(gè)孔。
[0013] 所述的邊框和約束體通過剛性連接，穿孔柔性薄膜覆蓋在邊框上下表面，并受約 束體約束。所述邊框最終形成四周閉合的結(jié)構(gòu)，約束體設(shè)置在其內(nèi)部，在邊框的上下表面的 至少一個(gè)上覆蓋有薄膜。
[0014] 其中，所述邊框內(nèi)至少設(shè)置一個(gè)有孔的約束體。
[0015] 其中，所述約束體和薄膜上孔的形狀、位置和大小相同或不同；優(yōu)選所述約束體和 薄膜上孔的形狀、位置和大小相同。
[0016] 其中，所述的約束體上孔的大小根據(jù)通過的流體流量以及隔聲工作頻段確定。 [0017]在確定孔的大小過程中，通常是根據(jù)通過的流體流量以及隔聲工作頻段兩方面而 定，例如對(duì)通流效率要求較高的場(chǎng)合，孔的大小應(yīng)足夠大，從而盡量減少流量損耗和壓降影 響；對(duì)隔聲工作頻段傾向于低頻的場(chǎng)合，在保證邊框和薄膜的幾何尺寸和材料參數(shù)不變的 前提下，小尺寸孔使得隔聲工作頻段趨向于低頻。
[0018] 其中，所述約束體上孔的形狀為對(duì)稱規(guī)則的幾何形狀，優(yōu)選所述幾何形狀為圓形。
[0019] 其中，所述邊框的上下表面上均覆蓋有穿孔柔性薄膜;優(yōu)選兩層穿孔柔性薄膜的 厚度及材料不同。當(dāng)厚度及材料不同時(shí)，有利于拓展工作帶寬。
[0020] 所述有孔的約束體與邊框的至少一個(gè)表面齊平。
[0021] 其中，在上下兩層薄膜中間填充多孔材料;優(yōu)選所述多孔材料為玻璃纖維棉或開 閉孔泡沫。
[0022] 其中，所述的邊框的形狀使其在單元面內(nèi)周期陣列時(shí)可實(shí)現(xiàn)最大面積占比；優(yōu)選 形狀是矩形、正方形或正六邊形。
[0023]其中，所述約束體與薄膜線接觸或面接觸;優(yōu)選接觸形成的形狀是對(duì)稱規(guī)則的幾 何形狀;更優(yōu)選所述的幾何形狀為圓形、正方形或正多邊形。
[0024]其中，所述的邊框和有孔約束體的材料分別為鋁材、鋼材、木材、橡膠、塑料、玻璃、 石膏、水泥、高分子聚合物或復(fù)合纖維材料;所述薄膜的材料為高分子聚合物薄膜材料、金 屬薄膜或彈性薄膜，所述高分子聚合物薄膜材料優(yōu)選為聚氯乙烯膜、聚乙烯膜或聚醚酰亞 胺膜;所述金屬薄膜優(yōu)選鋁及鋁合金膜、鈦及鈦合金膜，所述彈性薄膜優(yōu)選橡膠膜、硅膠膜 或乳膠膜。
[0025]本發(fā)明還提供一種包含上述聲學(xué)超材料基本結(jié)構(gòu)單元的聲學(xué)超材料板。
[0026] 其中，所述聲學(xué)超材料板是聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元在面內(nèi)方向組合拼接而成。
[0027] 形成聲學(xué)超材料復(fù)合板的所述各個(gè)聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的幾何尺寸和材料參數(shù) 可以是不同或相同，不嚴(yán)格限制為相同。
[0028] 本發(fā)明還提供一種包含聲學(xué)超材料板的聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)
[0029] 其中，所述是聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)是通過多層所述的聲學(xué)超材料板面外方向縱向 堆疊而成的聲學(xué)超材料板陣列。所述多層聲學(xué)超材料板的幾何尺寸和材料參數(shù)可以是不同 或相同，不嚴(yán)格限制為相同。
[0030] 所述聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)含有普通聲學(xué)材料制成的普通聲學(xué)材料單元或普通聲 學(xué)材料板。
[0031] 所述普通聲學(xué)材料板是玻璃纖維棉、開閉孔泡沫等多孔材料以及普通穿孔板、微 穿孔板、阻尼材料板等。
[0032] 所述多層聲學(xué)超材料板之間的空隙以及聲學(xué)超材料板與普通聲學(xué)材料板之間的 空隙均填充多孔材料。
[0033] 本發(fā)明還提供一種調(diào)節(jié)所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元或者所述聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲 頻段的方法，通過改變所述聲學(xué)超材料的邊框、約束體及薄膜的結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)來實(shí) 現(xiàn)調(diào)節(jié)聲學(xué)超材料的工作頻率
[0034] 本發(fā)明還提供一種裝配所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)基本單元的方法，其特征在于，有孔 約束體和邊框采用一體成型技術(shù)制備得到或者制造有孔約束體預(yù)制件和邊框預(yù)制件，將有 孔約束體預(yù)制件通過剛性連接到邊框預(yù)制件上組成單元框架，之后將薄膜在自由伸展?fàn)顟B(tài) 下覆蓋在單元框架上，并進(jìn)行固定連接，最后在薄膜上進(jìn)行打孔;優(yōu)選通過銑削、鑄造、沖 壓、激光切割或3D打印技術(shù)加工成一體成型的單元框架，或者通過銑削、鑄造、沖壓、激光切 割或3D打印技術(shù)制造出有孔約束體預(yù)制件和邊框預(yù)制件;優(yōu)選固定連接為膠粘、熱焊接或 機(jī)械鉚接。
[0035] 另外，本發(fā)明提供一種裝配所述聲學(xué)超材料板的方法，將裝配后的所述的聲學(xué)超 材料結(jié)構(gòu)單元邊框進(jìn)行剛性或柔性連接，或者采用楔形連接件組合成具有一定曲度的聲學(xué) 超材料板;或者將有孔約束體和邊框通過一體成型將其加工為整體聲學(xué)超材料板框架，之 后將薄膜在自由伸展?fàn)顟B(tài)下覆蓋在整體聲學(xué)超材料板框架上，并進(jìn)行固定連接，最后在薄 膜上進(jìn)行打孔;此時(shí)各聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)基本單元共用同樣材料同樣厚度的薄膜;優(yōu)選通過 銑削、鑄造、沖壓、激光切割或3D打印技術(shù)加工成一體成型的單元框架或整體聲學(xué)超材料板 框架，或者通過銑削、鑄造、沖壓、激光切割或3D打印技術(shù)制造出有孔約束體預(yù)制件和邊框 預(yù)制件;優(yōu)選固定連接為膠粘、熱焊接或機(jī)械鉚接。
[0036] 本發(fā)明還提供一種裝配所述聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，將多孔材料制造成小塊 單元填充進(jìn)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的邊框與有孔約束體之間的空隙，然后將一整塊普 通聲學(xué)材料板預(yù)先打孔或?qū)⑵渑c所述的聲學(xué)超材料板配合打孔后，將其彼此接觸并固定連 接得到;優(yōu)選通過筑模、剪裁、沖壓方式制成多孔材料小塊單元;優(yōu)選所述普通聲學(xué)材料板 與聲學(xué)超材料板之間的接觸方式采用直接接觸或者通過彈性墊支承，以隔離不同聲學(xué)材料 板之間的振動(dòng)傳遞;優(yōu)選固定連接為膠粘、熱焊接或機(jī)械鉚接。
[0037] 進(jìn)一步地，本發(fā)明更具體的技術(shù)方案如下：
[0038] -種聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，其特征在于，其包括邊框、在所述的邊框內(nèi)設(shè)置有有孔 的約束體，在邊框的至少一個(gè)表面上覆蓋有穿孔柔性薄膜。其中，所述的邊框和其內(nèi)的有孔 約束體通過剛性連接桿連接，穿孔柔性薄膜覆蓋在邊框側(cè)面，并受約束體約束。其中，所述 邊框內(nèi)至少有一個(gè)有孔的約束體。其中，所述邊框的兩個(gè)側(cè)面均覆蓋有穿孔柔性薄膜;優(yōu)選 兩層穿孔柔性薄膜的厚度及材料不相同。其中，在兩層穿孔柔性薄膜中間填充多孔材料;優(yōu) 選所述多孔材料為玻璃纖維棉或開閉孔泡沫。其中，所述的邊框的形狀使其在單元面內(nèi)周 期陣列時(shí)可實(shí)現(xiàn)最大面積占比；優(yōu)選形狀是矩形、正方形或正六邊形。其中，所述的有孔的 約束體與邊框的至少一個(gè)表面齊平。其中，所述的有孔約束體與柔性薄膜線接觸或面接觸； 優(yōu)選接觸形成的形狀是對(duì)稱規(guī)則的幾何形狀;更優(yōu)選所述的幾何形狀為圓形、正方形或正 多邊形。其中，所述的約束體上孔的形狀為對(duì)稱規(guī)則的幾何形狀，優(yōu)選所述的幾何形狀為圓 形。其中，所述的約束體上孔的大小視通過的流體流量以及隔聲工作頻段而定。其中，所述 的邊框和有孔約束體的材料分別為鋁材、鋼材、木材、橡膠、塑料、玻璃、石膏、水泥、高分子 聚合物或復(fù)合纖維材料。其中所述的穿孔柔性薄膜的材料為柔性材料;所述薄膜的材料為 高分子聚合物薄膜材料，如聚氯乙烯膜、聚乙烯膜、聚醚酰亞胺膜等，或金屬薄膜，如鋁及鋁 合金膜、鈦及鈦合金膜等，或彈性薄膜，如橡膠膜、硅膠膜、乳膠膜等。其中，所述的穿孔柔性 薄膜的孔形狀與大小不受約束體上孔的形狀和大小限制，優(yōu)選的是兩者形狀和大小一致。
[0039] 更具體地，本發(fā)明還提供一種由所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)方向組合拼接而成 的聲學(xué)超材料板。其中，所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的幾何尺寸和材料參數(shù)不嚴(yán)格限制相同。 本發(fā)明還提供一種由所述的聲學(xué)超材料板與普通聲學(xué)材料組合構(gòu)成的聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)。其 中，所述的普通聲學(xué)材料可以為多孔材料，如玻璃纖維棉或開閉孔泡沫，普通穿孔板或微穿 孔板，阻尼材料板等。本發(fā)明還提供一種由多層所述的聲學(xué)超材料板面外方向縱向堆疊而 成的聲學(xué)超材料復(fù)合板。其中，所述多層聲學(xué)超材料板的幾何尺寸和材料參數(shù)不嚴(yán)格限制 相同。其中，所述多層聲學(xué)超材料板之間的空隙可以填充多孔材料，利用相鄰兩層聲學(xué)超材 料板產(chǎn)生的近場(chǎng)波來回反射提高該區(qū)域的聲能密度，進(jìn)而提高多孔材料的吸聲效率，最終 提高整體復(fù)合板的隔聲性能。本發(fā)明還提供一種調(diào)節(jié)所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，所述聲學(xué) 超材料板及所述聲學(xué)超材料復(fù)合板的工作頻段的方法，其特征在于，通過改變所述聲學(xué)超 材料結(jié)構(gòu)單元的邊框、約束體、約束體孔、柔性薄膜及柔性薄膜孔的結(jié)構(gòu)尺寸或材料參數(shù)來 實(shí)現(xiàn)可調(diào)的工作頻率。本發(fā)明還提供一種裝配所述聲學(xué)超材料板的方法，將所述的聲學(xué)超 材料結(jié)構(gòu)單元邊框直接剛性或柔性連接，或者采用楔形連接件組合成具有一定曲度的聲學(xué) 超材料板。
[0040] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：
[0041] 1)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元含有孔，其大小可根據(jù)通過流體的流量以及需要隔 聲的主要頻段確定，能夠保證足量熱流、氣流或液流順利通過的同時(shí)，在機(jī)電噪聲能量的主 要頻段，如數(shù)百赫茲，具有工作頻帶較寬的優(yōu)良隔聲性能。
[0042] 2)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元不需要安裝配重質(zhì)量塊/重物，不會(huì)發(fā)生配重質(zhì)量 塊/重物工作過程中的意外脫落形成異物甚至危及內(nèi)部設(shè)備安全運(yùn)作的情況，使得隔聲材 料的工作穩(wěn)定性加強(qiáng)，服役時(shí)間增長(zhǎng)。由于簡(jiǎn)化了裝配工藝，成本進(jìn)一步壓縮，有更強(qiáng)的市 場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
[0043] 3)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元亦不同于簡(jiǎn)單的無配重質(zhì)量塊/重物的均勻薄膜聲 學(xué)超材料(美國(guó)專利:US20140339014A1)。通過與邊框剛性相連的約束體調(diào)節(jié)柔性薄膜的彎 曲剛度，進(jìn)而改變整體單元的振動(dòng)頻率。換言之，約束體的使用可以有選擇性的抑制和創(chuàng)造 柔性薄膜的特定階振動(dòng)模式，增加了單元表面豎直方向的設(shè)計(jì)自由度。
[0044] 4)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，一方面通過自身結(jié)構(gòu)在聲波激勵(lì)下的振動(dòng)提高孔 兩側(cè)介質(zhì)的熱量擴(kuò)散速率;另一方面，當(dāng)有流體通過時(shí)，結(jié)構(gòu)單元的振動(dòng)可以阻礙熱邊界層 和速度邊界層的形成，能夠增加熱源貼壁處的流體湍流度，從而加快了換熱效率。
[0045] 5)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元可獨(dú)立工作，聲學(xué)性能由自身基本單元或廣義單元 決定，可以進(jìn)行模塊化組合拼接裝配形成多種形狀的聲學(xué)超材料板。所述的邊框和有孔約 束體可采用筑模、沖壓、化學(xué)腐蝕等批量化加工工藝，加工難度小。
[0046] 6)在裝配所述的聲學(xué)超材料單元時(shí)，將薄膜在自由伸展?fàn)顟B(tài)下覆蓋在單元框架 上，避免了薄膜在承受預(yù)拉力狀態(tài)下進(jìn)行裝配后，隨著工作時(shí)間增長(zhǎng)及工作狀態(tài)的變化，薄 膜面內(nèi)儲(chǔ)存的預(yù)拉力釋放造成的工作頻段漂移現(xiàn)象。
[0047] 7)所述的聲學(xué)超材料板可以進(jìn)行面外縱向堆疊形成聲學(xué)超材料復(fù)合板，顯著拓寬 整體聲學(xué)超材料復(fù)合板的有效工作帶寬，從而以極小的面密度和空間代價(jià)，實(shí)現(xiàn)寬頻段內(nèi) 優(yōu)秀的降噪效果。
[0048] 8)所述的聲學(xué)超材料板及其復(fù)合板上的孔大小及分布情況可根據(jù)需要通過流體 的流量分布以及需要隔聲的噪聲源發(fā)出的噪聲頻段分布進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，具有優(yōu)秀的可定 制性。
[0049] 9)由于每塊構(gòu)成聲學(xué)超材料板及其復(fù)合板的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元無需安裝配重 質(zhì)量塊/重物，并且采用剛性連接桿連接約束體和邊框，從而強(qiáng)化了整體板的支撐強(qiáng)度，因 此所述的聲學(xué)超材料板及其復(fù)合板可以直接用于制作外殼結(jié)構(gòu)，無需附著壁面。
[0050] 10)本發(fā)明通過將聲學(xué)超材料單元的薄膜和約束體上設(shè)置有孔，通過孔的聲波與 薄膜反彈聲波在遠(yuǎn)場(chǎng)正負(fù)抵消實(shí)現(xiàn)低頻段高隔聲量，并且通過將工作在不同頻率的聲學(xué)超 材料單元面內(nèi)陣列組合、面外縱向堆疊以及與普通聲學(xué)材料板進(jìn)行組合構(gòu)成聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu) 的方式，顯著拓寬隔聲工作帶寬；同時(shí)地，通過所設(shè)置的孔可以實(shí)現(xiàn)流體的自由通過，并且 充分利用薄膜在聲波激勵(lì)和/或流場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生的振動(dòng)達(dá)到了良好的熱擴(kuò)散速率和換熱效 率，最終同時(shí)達(dá)到寬頻隔聲效果好且具有散熱通流的效果。也就是說，本發(fā)明創(chuàng)造性地將聲 學(xué)超材料單元的薄膜和框內(nèi)約束體上設(shè)置有孔，巧妙地解決了寬頻隔聲同時(shí)散熱通流的技 術(shù)問題，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員一直渴望解決而沒有解決的技術(shù)難題。
【附圖說明】
[0051] 圖1為本發(fā)明聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列形成的聲學(xué)超材料板示意圖。
[0052] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列形成的基本型聲學(xué)超材 料板示意圖。
[0053]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué)超材料板在通風(fēng)對(duì)流情況下的穩(wěn)定態(tài)溫 度場(chǎng)分布有限元仿真計(jì)算結(jié)果。
[0054]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元、同等面密度且具有同樣大小孔 的普通穿孔板和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板的法向入射傳聲損失（Sound Transmission Loss，簡(jiǎn)寫為STL)有限元仿真計(jì)算模型示意圖。
[0055] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元、同等面密度且具有同樣大小孔 的普通穿孔板單元和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元的法向入射傳聲損失有限元 仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。
[0056] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元、同等面密度且具有同樣大小孔 的普通穿孔板單元和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元在440Hz頻率聲波激勵(lì)條件 下，入射空腔和透射空腔的空氣粒子速度方向的有限元仿真結(jié)果。
[0057]圖7為根據(jù)ASTM E2611-09標(biāo)準(zhǔn)采用四傳聲器法測(cè)量聲學(xué)材料樣品的法向入射傳 聲損失的聲阻抗管測(cè)試系統(tǒng)示意圖。
[0058]圖8為本發(fā)明實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué)超材料板樣品、同等面密度且具有同樣大 小孔的普通穿孔板樣品和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板樣品的法向入射傳聲損失試 驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與有限元仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖。
[0059]圖9為本發(fā)明實(shí)施例2聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列形成的輕薄型聲學(xué)超材 料板示意圖。
[0060] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例2所述的輕薄型聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗(yàn) 測(cè)量結(jié)果。
[0061] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例3聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列形成的含不同參數(shù)單元 的聲學(xué)超材料板示意圖。
[0062] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例3所述的含不同參數(shù)單元的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳 聲損失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。
[0063] 圖13為本發(fā)明實(shí)施例4聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列形成的含大尺寸孔的聲 學(xué)超材料板示意圖。
[0064] 圖14為本發(fā)明實(shí)施例4所述的含大尺寸孔的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損 失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。
[0065] 圖15為本發(fā)明實(shí)施例4派生出的兩類含大尺寸孔的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元示意圖。
[0066] 圖16為本發(fā)明實(shí)施例5具有不同結(jié)構(gòu)形式邊框及約束體連接桿的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu) 單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0067] 圖17為本發(fā)明實(shí)施例5所述的具有圓形邊框及單臂約束體連接桿的聲學(xué)超材料結(jié) 構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列形成的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。
[0068] 圖18為本發(fā)明實(shí)施例6雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元示意圖。
[0069]圖19為在本發(fā)明實(shí)施例6所述的雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元基礎(chǔ)上，在兩塊穿 孔柔性薄膜之間的空隙填充多孔材料構(gòu)成的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元示意圖。
[0070] 圖20為本發(fā)明實(shí)施例6所述的雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)陣列形成的聲學(xué) 超材料板樣品與實(shí)施例1所述的單面貼膜的基本型聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損 失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。
[0071] 圖21為本發(fā)明實(shí)施例6所述的雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)陣列形成的聲學(xué) 超材料板樣品與實(shí)施例6所述的雙面貼膜并填充多孔材料聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)陣列形 成的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。
[0072] 圖22為在本發(fā)明實(shí)施例7強(qiáng)化傳熱聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的第一種構(gòu)型示意圖。
[0073] 圖23為在本發(fā)明實(shí)施例7強(qiáng)化傳熱聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的第二種構(gòu)型示意圖。 [0074]圖24為在本發(fā)明實(shí)施例7強(qiáng)化傳熱聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的第三種構(gòu)型示意圖。
[0075] 圖25為本發(fā)明實(shí)施例7所述的第一種構(gòu)型的強(qiáng)化傳熱聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)陣 列形成的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。
[0076] 圖26為本發(fā)明實(shí)施例8聲學(xué)超材料板與普通聲學(xué)材料組合構(gòu)成的聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0077] 圖27為本發(fā)明實(shí)施例8所述的聲學(xué)超材料板與多孔材料組合構(gòu)成的聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu) 樣品的法向入射傳聲損失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。
[0078] 圖28為本發(fā)明實(shí)施例9兩層聲學(xué)超材料板中間拉開一定間距后構(gòu)成的聲學(xué)超材料 復(fù)合板示意圖。
[0079]圖29為本發(fā)明實(shí)施例9所述的兩層聲學(xué)超材料板中間拉開一定間距后，在該間距 內(nèi)插入一層多孔材料，最終構(gòu)成的聲學(xué)超材料復(fù)合板示意圖。
[0080]圖30為本發(fā)明實(shí)施例9所述的聲學(xué)超材料復(fù)合板樣品的法向入射傳聲損失試驗(yàn)測(cè) 量結(jié)果。
[0081 ]圖31為本發(fā)明實(shí)施例10所述的曲面形狀聲學(xué)超材料板示意圖。
[0082]其中，1-聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，2-邊框，3-有孔約束體，4-約束體孔，5-連接桿，6-穿孔柔性薄膜，7-薄膜孔，8-實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué)超材料板邊框，9-實(shí)施例1所述的整 張穿孔柔性薄膜，10-實(shí)施例1所述的薄膜孔，11-實(shí)施例1所述的有孔約束體，12-實(shí)施例1所 述的約束體孔，13-實(shí)施例1所述的雙臂連接桿，14-實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元， 15-實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué)超材料板，16-熱源室，17-透熱室，18-熱源，19-空氣流入方 向，20-同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板單元，21-同等面密度且具有同樣穿孔 率的微穿孔板單元，22-入射聲腔，23-透射聲腔，24-聲阻抗管聲源，25-聲阻抗管入射聲管， 26-聲阻抗管透射聲管，27-聲阻抗管末端吸音尖劈，28-傳聲器固定端子，29-傳聲器，30-測(cè) 試樣品，31-入射聲波，32-實(shí)施例2所述的輕薄型聲學(xué)超材料板邊框，33-實(shí)施例2所述的整 張穿孔柔性薄膜，34-實(shí)施例2所述的薄膜孔，35-實(shí)施例2所述的有孔約束體，36-實(shí)施例2所 述的約束體孔，37-實(shí)施例2所述的雙臂連接桿，38-實(shí)施例2所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元， 39-實(shí)施例3所述的含不同參數(shù)單元的聲學(xué)超材料板邊框，40-實(shí)施例3所述的整張穿孔柔性 薄膜，41-實(shí)施例3所述的薄膜孔，42-實(shí)施例3所述的有孔約束體，43-實(shí)施例3所述的約束體 孔，44-實(shí)施例3所述的雙臂連接桿，45-實(shí)施例3所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，46-實(shí)施例4所 述的含大尺寸孔的聲學(xué)超材料板邊框，47-實(shí)施例4所述的約束體大尺寸孔，48-實(shí)施例4所 述的含小尺寸孔約束體，49-實(shí)施例4所述的約束體小尺寸孔，50-實(shí)施例4所述的雙臂連接 桿，51-實(shí)施例4所述的基本聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，52-實(shí)施例4所述的整張穿孔柔性薄膜， 53-實(shí)施例4所述的薄膜小尺寸孔，54-實(shí)施例4所述的薄膜大尺寸孔，55-實(shí)施例4所述的廣 義聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的邊框，56-實(shí)施例4所述的廣義聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的有孔約束 體，57-實(shí)施例4所述的廣義聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的連接桿，58-實(shí)施例4所述的廣義聲學(xué)超 材料結(jié)構(gòu)單元，59-實(shí)施例4派生出的一類廣義聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元邊框，60-實(shí)施例4派生 出的一類廣義聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的有孔約束體，61-實(shí)施例4派生出的一類廣義聲學(xué)超材 料結(jié)構(gòu)單元的約束體孔，62-實(shí)施例4派生出的一類廣義聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的第一種形式 的連接桿，63-實(shí)施例4派生出的一類廣義聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的穿孔柔性薄膜，64-實(shí)施例 4派生出的一類廣義聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的薄膜孔，65-實(shí)施例4派生出的一類廣義聲學(xué)超 材料結(jié)構(gòu)單元的第二種形式的連接桿，66-實(shí)施例5所述的圓形邊框，67-實(shí)施例5所述的約 束體孔，68-實(shí)施例5所述的約束體，69-實(shí)施例5所述的雙臂連接桿，70-實(shí)施例5所述的正六 邊形邊框，71-實(shí)施例5所述的單臂連接桿，72-實(shí)施例5所述的長(zhǎng)方形邊框，73-實(shí)施例6所述 的雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元邊框，74-實(shí)施例6所述的第一層穿孔柔性薄膜，75-實(shí)施 例6所述的第二層穿孔柔性薄膜，76-實(shí)施例6所述的第一層穿孔柔性薄膜孔，77-實(shí)施例6所 述的第二層穿孔柔性薄膜孔，78-實(shí)施例6所述的有孔約束體，79-實(shí)施例6所述的雙臂連接 桿，80-空腔間隙，81-實(shí)施例6所述的約束體孔，82-實(shí)施例6所述的多孔材料，83-實(shí)施例6所 述的多孔材料孔，84-實(shí)施例7所述的強(qiáng)化傳熱聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元邊框，85-實(shí)施例7所述 的第一層穿孔柔性薄膜，86-實(shí)施例7所述的第二層穿孔柔性薄膜，87-實(shí)施例7所述的第二 層穿孔柔性薄膜孔，88-實(shí)施例7所述的第二層穿孔柔性薄膜上的附加圓形孔，89-實(shí)施例7 所述的第一層穿孔柔性薄膜孔，90-實(shí)施例7所述的有孔約束體，91-實(shí)施例7所述的約束體 孔，92-實(shí)施例7所述的雙臂連接桿，93-實(shí)施例7所述的第二層穿孔柔性薄膜上的附加不同 形狀不同大小的孔，94-實(shí)施例7所述的彈性膜片，95-實(shí)施例8所述的聲學(xué)超材料板框架， 96-實(shí)施例8所述的聲學(xué)超材料板的整塊穿孔薄膜，97-實(shí)施例8所述的普通聲學(xué)材料，98-實(shí) 施例9所述的第一層聲學(xué)超材料板框架，99-實(shí)施例9所述的第一層聲學(xué)超材料板的整塊穿 孔薄膜，100-實(shí)施例9所述的第二層聲學(xué)超材料板的框架，101-實(shí)施例9所述的第二層聲學(xué) 超材料板的整塊穿孔薄膜，102-兩層普通聲學(xué)材料及其之間的空氣間隙，103-實(shí)施例9所述 的多孔材料，104-實(shí)施例10所述的曲面形狀聲學(xué)超材料基本單元，105-實(shí)施例10所述的楔 形連接件。
【具體實(shí)施方式】
[0083]為了充分說明本發(fā)明解決技術(shù)問題所實(shí)施使用的技術(shù)方案。下面結(jié)合實(shí)施例和附 圖對(duì)發(fā)明做詳細(xì)說明，但本發(fā)明的技術(shù)方案、技術(shù)方案的實(shí)施方式以及保護(hù)范圍并不僅僅 限于此。
[0084] 本發(fā)明所述聲學(xué)超材料一般是指:其是人工設(shè)計(jì)的一種微觀結(jié)構(gòu)，具有自然界普 通材料無法實(shí)現(xiàn)的聲學(xué)特性，如控制低頻聲波所需的"負(fù)質(zhì)量"、"負(fù)體積模量"特性等，本領(lǐng) 域認(rèn)為聲學(xué)超材料是一種結(jié)構(gòu)形式，其構(gòu)成材料仍是普通材料，所述聲學(xué)超材料是本領(lǐng)域 技術(shù)人員公知的。
[0085] 本發(fā)明提供一種隔聲透氣且強(qiáng)化傳熱的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，所述的聲學(xué)超材料 結(jié)構(gòu)單元包括邊框、至少一個(gè)有孔約束體和至少一個(gè)側(cè)面鋪貼穿孔柔性薄膜。所述的多個(gè) 聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元在面內(nèi)方向組合拼接分布形成聲學(xué)超材料板，優(yōu)選的是多個(gè)聲學(xué)超材 料結(jié)構(gòu)單元的構(gòu)成尺寸及材料參數(shù)不一致。所述的聲學(xué)超材料板可以與普通聲學(xué)材料組合 構(gòu)成聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)。所述的多層聲學(xué)超材料板可以進(jìn)行面外縱向堆疊形成聲學(xué)超材料復(fù)合 板，優(yōu)選的是多層聲學(xué)超材料板的構(gòu)成尺寸及材料參數(shù)不一致。
[0086] 所述的邊框和有孔約束體通過剛性連接桿連接，剛性連接桿不限制形狀和數(shù)量， 穿孔柔性薄膜覆蓋在邊框之上，并受有孔約束體的輪廓約束。優(yōu)選的是，所述的有孔約束體 與邊框的至少一個(gè)表面齊平。
[0087]所述的邊框不限制形狀，優(yōu)選的是矩形、正方形或正六邊形等可以在單元面內(nèi)周 期陣列時(shí)實(shí)現(xiàn)最大面積占比的形狀。
[0088] 所述的有孔約束體與所述的穿孔柔性薄膜線接觸或面接觸;優(yōu)選接觸形成的形狀 是對(duì)稱規(guī)則的幾何形狀;更優(yōu)選所述的幾何形狀為圓形、正方形或正多邊形。
[0089] 所述的有孔約束體不限制數(shù)量。至少有一個(gè)有孔的約束體，該約束體通常安置在 邊框內(nèi)無約束體時(shí)結(jié)構(gòu)單元共振振動(dòng)模式的振幅最大區(qū)域附近。例如:邊框幾何形狀對(duì)稱 的無約束體結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生第一個(gè)共振振動(dòng)模式時(shí)，中心區(qū)域的振幅最大。本發(fā)明采用與邊 框剛性相連的約束體調(diào)節(jié)柔性薄膜的彎曲剛度，進(jìn)而改變整體單元的振動(dòng)頻率。換言之，約 束體的引入可以有選擇性的抑制和創(chuàng)造柔性薄膜的特定階振動(dòng)模式，增加了聲學(xué)超材料結(jié) 構(gòu)單元面外方向的設(shè)計(jì)自由度。
[0090] 所述的約束體上孔的形狀為對(duì)稱規(guī)則的幾何形狀，優(yōu)選所述的幾何形狀為圓形， 一方面基于工藝性考慮，另一方面基于流體的通過速率考慮。所述約束體上孔的大小視通 過的流體流量以及隔聲工作頻段而定。例如對(duì)通流效率要求較高的場(chǎng)合，孔的大小應(yīng)足夠 大，從而盡量減少流量損耗和壓降影響;對(duì)隔聲工作頻段傾向于低頻的場(chǎng)合，在保證邊框和 薄膜的幾何尺寸和材料參數(shù)不變的前提下，小尺寸孔使得隔聲工作頻段趨向于低頻。
[0091 ]所述的邊框和有孔約束體由鋁材、鋼材、木材、橡膠、塑料、玻璃、水泥、高分子聚合 物或復(fù)合纖維材料制成，用于滿足結(jié)構(gòu)自身支撐強(qiáng)度及工作頻段的結(jié)構(gòu)剛性要求。
[0092]所述的穿孔柔性薄膜可以是任何適當(dāng)柔軟的材料，例如類似橡膠的彈性材料或者 類似鋁及鋁合金膜的金屬薄膜，或者類似聚氯乙烯、聚乙烯和聚醚酰亞胺等的高分子聚合 物薄膜材料。
[0093] 所述的穿孔柔性薄膜在與邊框和有孔約束體連接時(shí)，不需要施加一定的預(yù)拉力， 柔性薄膜在自由伸展?fàn)顟B(tài)下即可完成裝配。柔性薄膜上的孔可以預(yù)先加工，或者鋪貼好后 再進(jìn)行穿孔加工。
[0094] 所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元可以通過改變所述的邊框、約束體、約束體孔、柔性薄 膜及柔性薄膜孔的結(jié)構(gòu)尺寸或材料參數(shù)來實(shí)現(xiàn)工作頻率的精確設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)材料的流體通過 速率和隔聲工作頻段的可定制。例如：當(dāng)需要聲學(xué)超材料單元工作在低頻段時(shí)，選擇小的通 孔或者采用大尺寸的邊框，小直徑的約束體，更薄的柔性薄膜或彎曲楊氏模量更小的柔性 薄膜;反之，當(dāng)需要聲學(xué)超材料單元工作在高頻段時(shí)，則選擇大的通孔或者采用小尺寸的邊 框，大直徑的約束體，更厚的柔性薄膜或彎曲楊氏模量更大的柔性薄膜。
[0095] 對(duì)于邊框厚度較大的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，為了充分利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的空間，并且 更好地提高降噪效果。所述的邊框兩個(gè)側(cè)表面均可覆蓋穿孔柔性薄膜，而且兩層薄膜的厚 度及材料參數(shù)均可不同，從而能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種不同的主要工作頻段。此外，兩層薄膜中間 可填充多孔材料，如玻璃纖維棉、開閉孔泡沫等，進(jìn)一步提升整體結(jié)構(gòu)的吸聲耗能性能。
[0096] 所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，一方面通過自身結(jié)構(gòu)在聲波激勵(lì)下的振動(dòng)提高孔兩 側(cè)介質(zhì)的熱量擴(kuò)散速率;另一方面，當(dāng)有流體通過時(shí)，結(jié)構(gòu)單元的振動(dòng)可以阻礙熱邊界層和 速度邊界層的形成，能夠增加熱源貼壁處的流體湍流度，從而加快換熱效率。此外，通過在 一塊聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的另一個(gè)側(cè)面鋪貼具有多個(gè)相同大小圓形穿孔、具有多個(gè)不同形 狀和尺寸穿孔的柔性薄膜或多個(gè)柔性膜片進(jìn)一步增加附近流場(chǎng)的湍流度。
[0097] 所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)方向組合拼接可形成聲學(xué)超材料板。構(gòu)成聲學(xué)超 材料板的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，其幾何尺寸和材料參數(shù)不嚴(yán)格限制相同。所述的聲學(xué)超材 料結(jié)構(gòu)單元邊框可以直接剛性或柔性連接，或者采用楔形連接件組合成具有一定曲度的聲 學(xué)超材料板，可滿足實(shí)際工程應(yīng)用中的非平直面的安裝要求。
[0098] 所述的聲學(xué)超材料板與普通聲學(xué)材料組合可構(gòu)成聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中，所述的普 通聲學(xué)材料可以為多孔材料(如玻璃纖維棉或開閉孔泡沫），普通穿孔板或微穿孔板，阻尼 材料板等。普通聲學(xué)材料的引入可在不同程度上拓寬原聲學(xué)超材料板的工作帶寬。
[0099]由多層所述的聲學(xué)超材料板面外方向縱向堆疊可形成聲學(xué)超材料復(fù)合板。所述多 層聲學(xué)超材料板的幾何尺寸和材料參數(shù)不嚴(yán)格限制相同。所述的多層聲學(xué)超材料板之間的 空隙可以填充多孔材料，如玻璃纖維棉、開閉孔泡沫等，利用相鄰兩層聲學(xué)超材料板產(chǎn)生的 近場(chǎng)波來回反射提高該區(qū)域的聲能密度，進(jìn)而提高多孔材料的吸聲效率，因此所述的多孔 材料自身的吸聲系數(shù)在低頻段無需很大，其特征阻抗與薄膜的阻抗盡量匹配，從而避免聲 波無法有效進(jìn)入多孔材料，并且要考慮填充的多孔材料對(duì)薄膜彎曲振動(dòng)剛度帶來的影響， 修正原有設(shè)計(jì)的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的工作頻率。
[0100]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行說明。
[0101] 圖1是本發(fā)明的一個(gè)【具體實(shí)施方式】，其是聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列形成 的基本型聲學(xué)超材料板，作為陣列基本元素的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（1)的幾何尺寸各不相 同，由每個(gè)結(jié)構(gòu)單元包含邊框(2)，有孔約束體(3)，有孔約束體與邊框的雙臂連接桿(5)連 接而成。在聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的上表面覆蓋有穿孔柔性薄膜(6)，穿孔柔性薄膜(6)有薄 膜孔(7)，有孔約束體(3)上設(shè)置有約束體孔(4)。
[0102] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列形成的基本型聲 學(xué)超材料板示意圖。其中，作為陣列基本元素的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)的幾何尺寸完全 相同，由每個(gè)單元內(nèi)部的約束體（11 )，約束體孔（12 )，約束體與邊框的雙臂連接桿（13)構(gòu) 成。整張連續(xù)的穿孔柔性薄膜(9)在不施加任何預(yù)張力條件下，自由伸展平鋪貼在邊框(8) 一側(cè)，薄膜上孔(10)的直徑與約束體孔（12)相一致。其中，聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元(14)的邊框 為正方形，內(nèi)邊長(zhǎng)為27mm，外邊長(zhǎng)為29mm，厚度為5mm;有孔約束體（11)的外輪廓直徑為 l〇mm，約束體上孔12的直徑為5mm;穿孔柔性薄膜(9)的厚度為0.05mm，其上孔10的直徑亦為 5_;約束體與邊框的雙臂連接桿(13)為矩形截面，寬4_，高3mm。邊框(8)、有孔約束體(11) 以及雙臂連接桿（13)的材料相同，均為FR-4玻璃纖維；穿孔柔性薄膜(9)的材質(zhì)為聚醚酰 亞胺（Polyetherimide) 〇
[0103] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué)超材料板（15)在通風(fēng)對(duì)流情況下的穩(wěn)定 態(tài)溫度場(chǎng)分布有限元仿真計(jì)算結(jié)果。其中，在有限元仿真模型中以白色圓柱體（18)定義為 熱源(Heat Source)，其總功率為10W，白色箭頭（19)表示為空氣入口方向，該截面的初始溫 度設(shè)定為20°C，空氣的平均流速為0.2m/s，模型中還包括熱源室（16)和透熱室（17)，兩個(gè)室 除了基本型聲學(xué)超材料板15所在的面之外，其余面均設(shè)置為絕熱壁面。從有限元計(jì)算結(jié)果 可知，溫度場(chǎng)的最高溫度為25°C，大部分區(qū)域的溫度都在室溫（20°C)附近，表明實(shí)施例1所 述的基本型聲學(xué)超材料板的通風(fēng)散熱性能良好，熱量不會(huì)一直積聚在熱源周圍。因此，在絕 熱封閉腔體的一個(gè)側(cè)面安裝實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué)超材料板不存在散熱障礙。
[0104] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)、同等面密度且具有同樣大 小孔的普通穿孔板單元(20)和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)的法向入射傳 聲損失(Sound Transmission Loss,簡(jiǎn)寫為STL)有限元仿真計(jì)算模型示意圖。其中，在有限 元建模時(shí)，三種結(jié)構(gòu)單元的前后側(cè)分別布置入射聲腔(22)和透射聲腔(23)，入射聲波P 1W 入射聲腔的一端打到結(jié)構(gòu)單元之上，產(chǎn)生反射聲波Pr和透射聲波Pt。結(jié)構(gòu)單元的法向入射傳 聲損失則通過STL = 201〇g1Q I PJPt I計(jì)算得出。在有限元模型中，同等面密度且具有同樣大 小孔的普通穿孔板單元(20)的厚度為1.2mm，材質(zhì)為6063牌號(hào)鋁合金，孔直徑為5mm。同等面 密度同樣穿孔率的微穿孔板單元21的厚度為1.2mm，材質(zhì)為6063牌號(hào)鋁合金，單個(gè)孔的直徑 為1mm。三種結(jié)構(gòu)單元的面密度為3.56kg/m 2，穿孔率均為2.33 %。
[0105] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)、同等面密度且具有同樣大 小孔的普通穿孔板單元(20)和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)的法向入射傳 聲損失(Sound Transmission Loss,簡(jiǎn)寫為STL)有限元仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。其中，實(shí)線對(duì) 應(yīng)聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元14;虛線對(duì)應(yīng)同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板單元20; 點(diǎn)線對(duì)應(yīng)同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)。據(jù)圖可知，在680Hz以下頻段內(nèi)，聲 學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)的法向入射傳聲損失高于同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿 孔板單元(20);在880Hz以下頻段內(nèi)，聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)的法向入射傳聲損失高于同 等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21);此外，聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)的法向入射傳 聲損失曲線在440Hz出現(xiàn)了一個(gè)明顯的尖峰，STL值達(dá)到17dB，該尖峰對(duì)應(yīng)的STL值高于同等 面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板單元(20)約14dB，高于同等面密度同樣穿孔率的微 穿孔板單元(21)約15.4dB。另外，從圖中還可以看出同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單 元21的低頻隔聲性能最差，其原因在于單純的微穿孔板結(jié)構(gòu)由于缺少背板結(jié)構(gòu)，從而無法 形成亥姆霍茲共振吸聲體，無法實(shí)現(xiàn)有效的聲腔共振摩擦耗能。
[0106] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)、同等面密度且具有同樣大 小孔的普通穿孔板單元(20)和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)在440Hz頻率聲 波激勵(lì)條件下，入射空腔和透射空腔內(nèi)的空氣粒子速度方向的有限元仿真結(jié)果。其中，圖6 (a)對(duì)應(yīng)實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料單元（14)的結(jié)果；圖6(b)對(duì)應(yīng)同等面密度且具有同樣大 小通孔的普通穿孔板單元(20)的結(jié)果；圖6(c)對(duì)應(yīng)同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元 (21)的結(jié)果。
[0107] 圖7為本發(fā)明按照ASTM(美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)，American Society for Testing and Materials)標(biāo)準(zhǔn)E2611-09: "Standard test method for measurement of normal incidence sound transmission of acoustical materials based on the transfer matrix method"，采用四傳聲器法測(cè)試聲學(xué)材料樣品的法向入射傳聲損失的聲阻抗管測(cè)試 系統(tǒng)示意圖。圖中，聲阻抗管由入射聲管(25)和透射聲管(26)組成，在入射聲管(25)的端部 安置聲源(24)，其產(chǎn)生的寬頻白噪聲激勵(lì)聲波(31)在到達(dá)測(cè)試樣品（30)之前已經(jīng)發(fā)展成波 前幅值趨于一致的平面聲波;而在透射聲管(26)的端部安置足夠長(zhǎng)的吸音尖劈(27)以盡量 減少聲波的多次反射對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。此外，位于測(cè)試樣品30兩側(cè)，共開有四個(gè)傳聲器固 定端子(28)，其內(nèi)插入傳聲器(29)(型號(hào)4187，Brii el&Kjier)，兩兩分列于入射聲管（25)和 透射聲管（26)之上。該測(cè)試系統(tǒng)的有效測(cè)試頻段為70Hz~890Hz，涵蓋中心頻率為80Hz~ 800Hz的三分之一倍頻程頻段，該頻帶以外頻率上隔聲曲線的中心線依然能夠較真實(shí)的反 映樣品的隔聲水平。
[0108] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué)超材料板樣品、同等面密度且具有同樣大 小孔的普通穿孔板樣品和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板樣品的法向入射傳聲損失試 驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與有限元仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖。其中，圖8(a)為實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué)超 材料板樣品對(duì)應(yīng)結(jié)果；圖8(b)為同等面密度且具有同樣大小通孔的普通穿孔板樣品對(duì)應(yīng)結(jié) 果;圖8(c)為同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板樣品對(duì)應(yīng)結(jié)果。
[0109] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例2聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列形成的輕薄型聲學(xué)超材 料板示意圖。其中，作為陣列基本元素的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元38的結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，其在 結(jié)構(gòu)形式上與實(shí)施例1的最大區(qū)別之處在于，該聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（38)的有孔約束體 (35)與邊框(32)連接采用的雙臂連接桿(37)與邊框(32)的厚度齊平。由于該聲學(xué)超材料結(jié) 構(gòu)單元不再考慮連接桿(37)的沉面設(shè)計(jì)，不但進(jìn)一步簡(jiǎn)化了加工復(fù)雜程度，而且可以將整 體聲學(xué)超材料板的厚度做到更薄。
[0110]該實(shí)施例中聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元(38)的邊框?yàn)檎叫?，?nèi)邊長(zhǎng)為35mm，外框(32) 的寬度為3mm，厚度為1.5mm;有孔約束體(35)的外輪廓直徑為12mm，約束體上孔36的直徑為 7mm;整張連續(xù)的穿孔柔性薄膜(33)，厚度為0.05_，在不施加任何預(yù)張力條件下，自由伸展 平鋪貼在邊框(32)-側(cè)，薄膜上孔(34)的直徑與約束體孔(36)的直徑一致，即7mm;約束體 (35)與邊框(32)剛連所采用的雙臂連接桿(37)為矩形截面，寬度為3mm，厚度為1.5mm。邊框 (32)、有孔約束體(35)以及雙臂連接桿(37)的材料相同，均為Q235A牌號(hào)普通碳素鋼；穿孔 柔性薄膜的材質(zhì)為聚醚酰亞胺。該實(shí)施例所述的輕薄型聲學(xué)超材料板的面密度為4.20kg/ m2,穿孔率為3.48 %。
[0111] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例2所述的輕薄型聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損失的試 驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，樣品照片位于圖中右側(cè)，其外圓直徑為225_。
[0112] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例3所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列形成的含不同參 數(shù)單元的聲學(xué)超材料板示意圖。其中，作為陣列基本元素的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)尺 寸不完全相同，其內(nèi)部約束體的直徑及約束體上孔的直徑不一。以某一聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單 元(45)為例，該聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元(45)的有孔約束體(42)與邊框(39)連接采用的雙臂連 接桿(44)與邊框(39)厚度齊平，結(jié)構(gòu)形式與實(shí)施例2所述的輕薄型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元38 類似。
[0113] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例3所述的含不同參數(shù)單元的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳 聲損失的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，樣品照片位于圖中右側(cè)，其外圓直徑為225_。
[0114] 圖13為本發(fā)明實(shí)施例4所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列形成的含大尺寸 孔的聲學(xué)超材料板示意圖。
[0115] 圖14為本發(fā)明實(shí)施例4所述的含大尺寸孔的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損 失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，樣品照片位于圖中左側(cè)，其外圓直徑為225_。
[0116] 圖15為本發(fā)明實(shí)施例4派生出的兩類含大尺寸孔的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元示意圖。 其中，圖15(a)中的含大尺寸通孔的約束體為實(shí)施例4中對(duì)應(yīng)單元的內(nèi)邊框僅保留左、右兩 邊與整體單元的邊框連接;圖15(b)中的含大尺寸通孔的約束體則為實(shí)施例4中對(duì)應(yīng)單元的 內(nèi)邊框保留上、下、左、右四邊與整體單元的邊框連接。
[0117] 圖16為本發(fā)明實(shí)施例5具有不同結(jié)構(gòu)形式邊框及約束體連接桿的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu) 單元結(jié)構(gòu)示意圖。其中，圖16(a)中的邊框?yàn)閳A形，含通孔約束體通過雙臂連接桿與邊框相 連;圖16(b)中的邊框?yàn)檎呅?，含通孔約束體通過雙臂連接桿與邊框相連;圖16(c)中的 邊框?yàn)閳A形，含通孔約束體通過單臂連接桿與邊框相連；圖16(d)中的邊框?yàn)檎呅危?通孔約束體通過單臂連接桿與邊框相連；圖16(e)中將原本相鄰的兩個(gè)正方形單元打通，使 得邊框成為一個(gè)長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，所述的兩個(gè)含通孔約束體分別通過單臂連接桿與邊框相連。
[0118] 圖17為本發(fā)明實(shí)施例5所述的具有圓形邊框及單臂約束體連接桿的聲學(xué)超材料結(jié) 構(gòu)單元(結(jié)構(gòu)形式如圖16(c)所示)及其面內(nèi)陣列形成的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲 損失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。
[0119] 圖18為本發(fā)明實(shí)施例6所述的雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元示意圖，其中18(a)為 單元側(cè)剖視圖；圖18(b)為該單元的爆炸視圖。
[0120] 圖19為在圖18中所述的本發(fā)明實(shí)施例6的基礎(chǔ)上，在第一穿孔柔性薄膜(74)和第 二穿孔柔性薄膜(75)之間的空隙填充多孔材料(82)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中19(a)為單元側(cè)剖 視圖；圖19(b)為該單元的爆炸視圖。
[0121] 圖20為本發(fā)明實(shí)施例6所述的雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)陣列形成的聲學(xué) 超材料板樣品與實(shí)施例1所述的單面貼膜的基本型聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損失 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。其中，空心圓圈代表實(shí)施例1所述的單面貼膜的基本型聲學(xué)超材料板 樣品的結(jié)果;實(shí)線代表實(shí)施例6所述的雙面貼膜聲學(xué)超材料板樣品的結(jié)果。
[0122] 圖21為本發(fā)明實(shí)施例6所述的雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)陣列形成的聲學(xué) 超材料板樣品與實(shí)施例6所述的雙面貼膜并填充多孔材料聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)陣列形 成的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。
[0123] 圖22為在本發(fā)明實(shí)施例7強(qiáng)化傳熱聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的第一種構(gòu)型示意圖。其 在一塊聲學(xué)超材料單元的另一個(gè)側(cè)面鋪貼穿孔柔性薄膜，其上具有多個(gè)相同或不同大小的 圓形通孔，在不影響該聲學(xué)超材料單元隔聲性能的同時(shí)，通過在柔性薄膜上增加穿孔加強(qiáng) 附近流場(chǎng)的湍流度，其中22(a)為單元等軸測(cè)視圖；圖22(b)為該單元的爆炸視圖。
[0124] 圖23為在本發(fā)明實(shí)施例7強(qiáng)化傳熱聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的第二種構(gòu)型示意圖。其 在一塊聲學(xué)超材料單元的另一個(gè)側(cè)面鋪貼穿孔柔性薄膜，其上具有多個(gè)不同形狀和不同大 小的通孔，在不影響該聲學(xué)超材料單元隔聲性能的同時(shí)，通過在柔性薄膜上穿不同形狀和 不同大小的孔進(jìn)一步增加附近流場(chǎng)的湍流度，其中23(a)為單元等軸測(cè)視圖；圖23(b)為該 單元的爆炸視圖。
[0125] 圖24為在本發(fā)明實(shí)施例7強(qiáng)化傳熱聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的第三種構(gòu)型示意圖。其 在一塊聲學(xué)超材料單元的另一個(gè)側(cè)面貼有多個(gè)彈性膜片，在不影響該聲學(xué)超材料單元隔聲 性能的同時(shí)，通過彈性膜片在入射聲波激勵(lì)下產(chǎn)生的擺動(dòng)或振動(dòng)增加附近流場(chǎng)的湍流度或 流體速度，其中24(a)為單元等軸測(cè)視圖；圖24(b)為該單元的爆炸視圖。
[0126] 圖25為本發(fā)明實(shí)施例7所述的第一種構(gòu)型的強(qiáng)化傳熱聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)陣 列形成的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，樣品照片位于圖中右側(cè)， 其外圓直徑為225_。
[0127] 圖26為本發(fā)明實(shí)施例8所述的聲學(xué)超材料板與普通聲學(xué)材料組合構(gòu)成的聲學(xué)復(fù)合 結(jié)構(gòu)的示意圖。其是在聲學(xué)超材料板(包含框架95和穿孔柔性薄膜96)面向入射聲源一側(cè)放 置普通聲學(xué)材料(97)，包括多孔材料(如玻璃纖維棉或開閉孔泡沫），普通穿孔板或微穿孔 板，阻尼材料等。普通聲學(xué)材料的引入可在不同程度上拓寬原聲學(xué)超材料板的工作帶寬。
[0128] 圖27為本發(fā)明實(shí)施例8所述的聲學(xué)超材料板與多孔材料組合構(gòu)成的聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu) 樣品的法向入射傳聲損失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，樣品照片位于圖中右側(cè)，其外圓直徑為225mm。其 中，所述的聲學(xué)超材料板為實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué)超材料板，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料構(gòu)成同 圖8(a)所述，所采用的普通聲學(xué)材料為玻璃纖維棉，其厚度為10mm，名義流阻率為 19000Nsnf 4。據(jù)圖可知，相較于基本型聲學(xué)超材料板，該實(shí)施例所述的聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品的 法向入射傳聲損失在除去STL尖峰對(duì)應(yīng)的440Hz頻段附近外均不同程度的高于基本型聲學(xué) 超材料板，尤其是在該STL尖峰右側(cè)的中高頻段;而在STL尖峰對(duì)應(yīng)的440Hz頻段附近，該實(shí) 施例所述的聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品的STL值略低于基本型聲學(xué)超材料板，這是由于玻璃纖維棉 的引入相當(dāng)于增加了原先基本型聲學(xué)超材料板的結(jié)構(gòu)阻尼，而結(jié)構(gòu)阻尼的作用主要體現(xiàn)在 平緩共振及反共振頻率處的振幅。
[0129] 上述提到，對(duì)于邊框較厚的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，可以在其另一個(gè)側(cè)面繼續(xù)鋪貼 一層穿孔柔性薄膜，并在兩層薄膜內(nèi)部填充多孔材料，在充分利用內(nèi)部空間的同時(shí)繼續(xù)提 高整體聲學(xué)超材料的聲學(xué)性能。而對(duì)于邊框較薄的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，若在另一個(gè)側(cè)面 同樣再鋪貼一層穿孔柔性薄膜，其兩層薄膜內(nèi)部的空間十分狹窄無法填充多孔材料，而且 兩層薄膜由于相靠過近產(chǎn)生強(qiáng)烈的近場(chǎng)耦合，反而破壞原本一層柔性薄膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu) 單元的工作條件，導(dǎo)致隔聲效果變差。此時(shí)，可以考慮將多塊薄層邊框的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單 元面外縱向堆疊，形成兩層或多層聲學(xué)超材料復(fù)合板。
[0130]圖28為本發(fā)明實(shí)施例9所述的兩層聲學(xué)超材料板中間拉開一定間距后構(gòu)成的聲學(xué) 超材料復(fù)合板示意圖。
[0131]圖29為本發(fā)明實(shí)施例9所述的兩層聲學(xué)超材料板中間拉開一定間距后，在該間距 內(nèi)插入一層多孔材料，最終構(gòu)成的聲學(xué)超材料復(fù)合板示意圖。
[0132] 圖30為本發(fā)明實(shí)施例9所述的聲學(xué)超材料復(fù)合板樣品的法向入射傳聲損失試驗(yàn)測(cè) 量結(jié)果，樣品照片位于圖中左側(cè)，其外圓直徑為225mm，由兩塊結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)相同的聲學(xué) 超材料板中間夾持玻璃纖維棉構(gòu)成。
[0133] 圖31為本發(fā)明實(shí)施例10所述的曲面形狀聲學(xué)超材料板示意圖。單個(gè)本發(fā)明所述的 聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元(104)通過楔形連接件（105)組合成具有一定曲度的聲學(xué)超材料板。該 實(shí)施例尤其適合具有一定曲度要求的殼體或安裝結(jié)構(gòu)。
[0134] 實(shí)施例
[0135] 下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的測(cè)定方法以及材料來源進(jìn)行說明。
[0136] 通風(fēng)對(duì)流條件下，聲學(xué)超材料板的穩(wěn)定態(tài)溫度場(chǎng)分布有限元仿真計(jì)算方法:基于 商用有限元軟件COMSOL Multiphysics 5.2的層流共輒傳熱穩(wěn)態(tài)分析模塊(Laminar Flow Conjugate Heat Transfer Interface ,Stationary)建立聲學(xué)超材料板的共輒傳熱有限元 仿真計(jì)算模型。該仿真模型包括由聲學(xué)超材料板組成的"固體傳熱物理場(chǎng)"、入射和透射空 腔構(gòu)成的"流體傳熱物理場(chǎng)"及"層流物理場(chǎng)"。在入射空腔中設(shè)置熱源，并定義熱源(Heat Source)總功率，入射空腔亦稱為"熱源室"。入射空腔一側(cè)設(shè)置為空氣入口，并在該截面的 設(shè)定初始溫度和空氣的層流平均流速，在透射空腔一側(cè)設(shè)置為空氣出口，透射空腔亦稱為 "透熱室"。兩個(gè)室除了放置聲學(xué)超材料板的面之外，其余面均設(shè)置為絕熱壁面。之后，便可 利用軟件內(nèi)置的穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，當(dāng)求解完成后，再利用軟件的后處理模塊進(jìn)行 溫度場(chǎng)分布的可視化。
[0137] 聲學(xué)結(jié)構(gòu)單元的法向入射傳聲損失的有限元仿真計(jì)算方法:基于商用有限元軟件 COMSOL Multiphysics 5.2的聲-固親合頻域分析模塊(Acoustic-Solid Interaction, Frequency Domain Interface)建立聲學(xué)結(jié)構(gòu)單元的有限元仿真計(jì)算模型。該仿真模型包 括由三種結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的"固體力學(xué)物理場(chǎng)"及入射和透射聲腔構(gòu)成的"壓力聲學(xué)物理場(chǎng)"， 兩個(gè)物理場(chǎng)區(qū)域通過聲-固界面連續(xù)性條件相互耦合關(guān)聯(lián)。單元的邊界條件定義為Floquet 周期性邊界條件以模擬實(shí)際整體結(jié)構(gòu)單元的安裝條件。在入射聲腔設(shè)置入射聲波為平面聲 波(20~1000Hz頻段，掃頻步長(zhǎng)為10Hz)，該平面聲波通過入射聲腔垂直激勵(lì)結(jié)構(gòu)單元后， 一部分聲能反射，另一部分聲能透射進(jìn)入透射聲腔，根據(jù)入射波及透射波的壓力幅值計(jì)算 法向入射傳聲損失(Sound Transmission Loss，簡(jiǎn)寫為STL):
[0138] STL = 201ogio|Pi/Px
[0139] 式中，P1為入射聲壓幅值，Pt為透射聲壓幅值，兩者可通過COMSOL軟件的后處理模 塊直接獲取。
[0140] 聲阻抗管樣品法向入射傳聲損失的試驗(yàn)測(cè)試方法:按照ASTM(美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié) 會(huì)，American Society for Testing and Materials)標(biāo)準(zhǔn)E2611-09: "Standard test method for measurement of normal incidence sound transmission of acoustical materials based on the transfer matrix method"，在聲阻抗管中米用四傳聲器法測(cè)試 聲學(xué)材料樣品的隔聲量。
[0141] 下述實(shí)施例中使用的FR-4玻璃纖維、6063牌號(hào)鋁合金、Q235A普通碳素鋼、聚氯乙 烯膜、聚乙烯膜、聚醚酰亞胺膜等高分子聚合物等材料均為市售購(gòu)買得到的。
[0142] 實(shí)施例1基本型聲學(xué)超材料板的制備及性能測(cè)定
[0143] 下面結(jié)合附圖2-8說明基本型聲學(xué)超材料板的制備及性能測(cè)定。
[0144] 1.基本型聲學(xué)超材料板樣品的制備
[0145] 使用FR-4玻璃纖維通過銑削制成如圖2所示的寬度為2mm的邊框(8)，該邊框包含 一系列具有相同幾何形狀的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)，每個(gè)單元為正方形，其內(nèi)邊長(zhǎng)為 27mm，外邊長(zhǎng)為29mm，厚度為5mm;同樣使用FR-4玻璃纖維制成如圖2所示的有孔約束體 (11)，將邊框(8)與有孔約束體(11)通過雙臂連接桿(13)剛性連接，兩者的具體連接方式為 一體成型(銑削加工而成），其中有孔約束體(13的外輪廓直徑為10_，其上孔(12)的直徑為 5mm，將約束體（11)與邊框(8)剛連的雙臂連接桿（13)為矩形截面，其寬度為4mm，厚度為 3mm。整塊厚度為0.05mm的穿孔柔性薄膜(9)自然伸展?fàn)顟B(tài)下鋪貼在邊框(8)及有孔約束體 (11) 一側(cè)，其上孔(12)的直徑同樣為5mm，并與約束體上孔(12)-一對(duì)應(yīng)。
[0146] 在實(shí)際進(jìn)行制備操作時(shí)，為了避免兩結(jié)構(gòu)的孔無法很好一一對(duì)應(yīng)的情況，穿孔柔 性薄膜(9)上的孔(10)可以在穿孔柔性薄膜(9)鋪貼好后，再采用鉆孔、沖孔、摳挖等方式進(jìn) 行穿孔操作。穿孔柔性薄膜(9)的材質(zhì)為聚醚酰亞胺薄膜，其鋪貼方式為膠粘。最終便得到 如圖2所示的基本型聲學(xué)超材料板樣品。
[0147] 2.基本型聲學(xué)超材料板樣品的性能仿真
[0148] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué)超材料板（15)在通風(fēng)對(duì)流情況下的穩(wěn)定 態(tài)溫度場(chǎng)分布有限元仿真計(jì)算結(jié)果。其中，在有限元仿真模型中以白色圓柱體（18)定義為 熱源，其總功率為IOW，白色箭頭（19)表示為空氣入口方向，該截面的初始溫度設(shè)定為20°C， 空氣的平均流速為〇 . 2m/s，模型中還包括熱源室（16)和透熱室（17)，兩個(gè)室除了放置基本 型聲學(xué)超材料板(15)的面之外，其余面均設(shè)置為絕熱壁面。從有限元計(jì)算結(jié)果可知，溫度場(chǎng) 中的最高溫度為25°C，大部分區(qū)域的溫度都在室溫(20°C)附近，表明實(shí)施例1所述的基本型 聲學(xué)超材料板的通風(fēng)散熱性能良好，熱量不會(huì)一直積聚下熱源周圍。因此，在絕熱封閉腔體 的一個(gè)側(cè)面安裝實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué)超材料板不存在散熱障礙。
[0149 ]為了減少計(jì)算冗雜度，在計(jì)算實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料板的法向入射傳聲損失 的有限元模型中，僅采用一個(gè)聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，將該單元的邊界條件設(shè)置為Floquet周 期性邊界條件，以此來模擬整塊聲學(xué)超材料板的邊界安裝情況。如圖4所示，在有限元建模 時(shí)，聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)的前后側(cè)分別布置入射聲腔（11)和透射聲腔（12)，并且兩個(gè) 聲腔的端面均設(shè)置為聲吸收邊界，避免聲波的多次反射影響計(jì)算結(jié)果。入射聲波P 1從入射 聲腔（11)的一端打到結(jié)構(gòu)單元之上，產(chǎn)生反射聲波Pr和透射聲波Pt。結(jié)構(gòu)單元的法向入射傳 聲損失則通過STL = 201ogio I Ρι/Ρτ I計(jì)算得到。
[0150] 3.基本型聲學(xué)超材料板樣品的性能測(cè)試
[0151] 按照ASTM頒布的E2611-09標(biāo)準(zhǔn)，采用四傳聲器法測(cè)試聲學(xué)超材料板樣品的法向入 射傳聲損失，測(cè)試系統(tǒng)的示意圖如圖7所示。該測(cè)試系統(tǒng)中的聲阻抗管由入射聲管(25)和透 射聲管（26)組成，在入射聲管（25)的端部安置聲源（24)，其產(chǎn)生的寬頻白噪聲激勵(lì)聲波 (31)在到達(dá)測(cè)試樣品（30)之前已經(jīng)發(fā)展成波前幅值趨于一致的平面聲波，垂直打到測(cè)試樣 品30的前表面;而在透射聲管26的端部安置足夠長(zhǎng)的吸音尖劈(27)以盡量減少聲波的多 次反射對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。此外，位于測(cè)試樣品（30)兩側(cè)，共開有四個(gè)傳聲器固定端子 (28)，其內(nèi)插入傳聲器(29)(型號(hào)4187 ,Briiel&Kji?r )，兩兩分列于入射聲管（25)和透射聲 管（26)之上。通過四個(gè)傳聲器測(cè)得的聲壓頻譜并作傳遞函數(shù)，最終計(jì)算得到聲學(xué)超材料板 樣品的法向入射傳聲損失。該測(cè)試系統(tǒng)的有效測(cè)試頻段為70Hz~890Hz，涵蓋中心頻率為 80Hz~800Hz的三分之一倍頻程頻段，該頻帶以外頻率上隔聲曲線的中心線依然能夠較真 實(shí)的反映樣品的隔聲水平。因此，樣品隔聲測(cè)試結(jié)果給出的頻段上限到1600Hz，仍然可以真 實(shí)有效反映樣品的隔聲量。
[0152] 4.與現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)比
[0153] 這里主要對(duì)比實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué)超材料板與同等面密度同樣穿孔率的普 通穿孔板和微穿孔板的法向入射傳聲損失。參照?qǐng)D4,其中同等面密度且具有同樣大小孔的 普通穿孔板單元20的厚度為1.2mm，材質(zhì)為6063牌號(hào)鋁合金，孔直徑為5mm;同等面密度同樣 穿孔率的微穿孔板單元(21)的厚度為1.2mm，材質(zhì)同樣為6063牌號(hào)鋁合金，其單個(gè)孔的直徑 為1mm。三種結(jié)構(gòu)單元的面密度均為3.56kg/m 2，穿孔率均為2.33 %。
[0154] 圖5是三種結(jié)構(gòu)單元的有限元仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖。其中，實(shí)線對(duì)應(yīng)聲學(xué)超材料 結(jié)構(gòu)單元（14);虛線對(duì)應(yīng)同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板單元(20);點(diǎn)線對(duì)應(yīng) 同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)。據(jù)圖可知，在680Hz以下頻段內(nèi)，聲學(xué)超材料 結(jié)構(gòu)單元（14)的法向入射傳聲損失高于同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板單元 (20);在880Hz以下頻段內(nèi)，聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)的法向入射傳聲損失高于同等面密度 同樣穿孔率的微穿孔板單元(21);此外，聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)的法向入射傳聲損失曲 線在440Hz出現(xiàn)了一個(gè)明顯的尖峰，STL值達(dá)到17dB，該尖峰對(duì)應(yīng)的STL值高于同等面密度且 具有同樣大小孔的普通穿孔板單元(20)約14dB，高于同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單 元(21)約15.4dB。另外，從圖中還可以看出同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)的 低頻隔聲性能最差，這與其缺少背板結(jié)構(gòu)無法形成亥姆霍茲共振吸聲體直接相關(guān)。
[0155] 為了驗(yàn)證所建有限元模型的正確性，圖8給出了本發(fā)明實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料 板樣品和同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板樣品的法向入射傳聲損失的試驗(yàn)測(cè) 量結(jié)果，以及該結(jié)果與圖5中的有限元仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。其中圖8(a)為實(shí)施例1所述的 基本型聲學(xué)超材料板樣品對(duì)應(yīng)結(jié)果，實(shí)線對(duì)應(yīng)有限元仿真計(jì)算結(jié)果，空心圓圈對(duì)應(yīng)試驗(yàn)測(cè) 試結(jié)果，樣品背面及正面照片分別位于圖中左、右側(cè)，其外圓直徑為225mm，包含40余個(gè)完整 聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，在一定程度了消除了整體板的安裝邊界條件影響。從STL頻譜圖中可 知，在IOOHz~1000 Hz頻段內(nèi)，兩者的吻合程度較好，均在440Hz出現(xiàn)尖峰，說明所建立的有 限元模型在分析聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的隔聲特性方面是足信的；圖8(b)為同等面密度且具 有同樣大小孔的普通穿孔板樣品（幾何尺寸及材料參數(shù)同圖3所述的20對(duì)應(yīng)的結(jié)果，虛線對(duì) 應(yīng)有限元仿真計(jì)算結(jié)果，實(shí)心圓圈對(duì)應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，樣品照片位于圖中左側(cè)，其外圓直徑 為225mm。在IOOHz~1000Hz頻段內(nèi)，兩者的吻合程度較好，說明所建立的有限元模型在分析 普通穿孔板結(jié)構(gòu)單元的隔聲特性方面是足信的。圖8(c)為同等面密度同樣穿孔率的微穿孔 板樣品(幾何尺寸及材料參數(shù)同圖4所述的21)對(duì)應(yīng)的結(jié)果，點(diǎn)線對(duì)應(yīng)有限元仿真計(jì)算結(jié)果， 空心上三角曲線對(duì)應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，樣品照片位于圖中左側(cè)，其外圓直徑為225mm。在IOOHz ~1000Hz頻段內(nèi)，兩者的吻合程度較好，說明所建立的有限元模型在分析微穿孔板結(jié)構(gòu)單 元的隔聲特性方面是足信的。三個(gè)樣品的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與有限元仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比情況 均驗(yàn)證了所建立的有限元仿真模型的正確性和有效性。
[0156] 5.工作機(jī)理分析
[0157] 本實(shí)施例所述的基本型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)、同等面密度且具有同樣大小孔 的普通穿孔板單元(20)和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)在440Hz頻率聲波激 勵(lì)條件下，入射空腔和透射空腔內(nèi)的空氣粒子速度方向的有限元仿真結(jié)果如圖6所示。其 中，圖6(a)對(duì)應(yīng)實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元(14)的結(jié)果；圖6(b)對(duì)應(yīng)同等面密度且 具有同樣大小孔的普通穿孔板單元(20)的結(jié)果；圖6(c)對(duì)應(yīng)同等面密度同樣穿孔率的微穿 孔板單元(21)的結(jié)果。圖中左側(cè)的黑色粗箭頭表示聲波的入射方向，該聲波為平面聲波，即 聲波的波前幅值均一致，仿真模型中設(shè)置為IPa大小。黑色細(xì)箭頭表示空氣粒子的速度方 向。據(jù)圖可知，圖6(a)中的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)在440Hz頻率的聲波激勵(lì)下，其附近出 現(xiàn)了明顯的空氣粒子速度渦旋，空氣粒子的方向出現(xiàn)了與入射聲波方向垂直甚至反向的部 分;與之不同的是，圖6(b)中的同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板單元(20)和圖6 (c)中的同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)在440Hz頻率的聲波激勵(lì)下，其兩側(cè)空 氣粒子方向均一致，并與入射聲波方向相同。對(duì)比之下，直觀上可以看出是空氣粒子產(chǎn)生的 速度渦旋使得該入射頻率對(duì)應(yīng)的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)的法向入射傳聲損失曲線出現(xiàn) 了尖峰(結(jié)合圖5)。其物理機(jī)理:在該頻率下，聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)產(chǎn)生了非穿孔區(qū)域 的柔性薄膜與邊框及約束體反相的振動(dòng)模式，使得該區(qū)域?qū)?yīng)的聲場(chǎng)與通過約束體上孔和 柔性薄膜孔的連續(xù)聲場(chǎng)反相且大致抵消，從而使得透射空腔的聲壓幅值趨于小值，仿真中 最小值僅〇. 〇323Pa。而在入射空腔中的聲壓經(jīng)聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元（14)的部分反彈達(dá)到 1.84Pa的最大值，與最小值相差1.8077Pa。而同樣在440Hz頻率的聲波激勵(lì)下，其余兩種結(jié) 構(gòu)單元附近沒有產(chǎn)生與之類似的空氣粒子速度渦旋，整體結(jié)構(gòu)單元同相運(yùn)動(dòng)，使得附近的 空氣粒子同向運(yùn)動(dòng)，入射空腔和透射空腔內(nèi)部的聲壓幅值的絕對(duì)值相差不大。反映到法向 入射傳聲損失的曲線上便無突出的尖峰，量值也不如聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元(14)。
[0158] 實(shí)施例2輕薄型聲學(xué)超材料板的制備及性能測(cè)定
[0159] 1.輕薄型聲學(xué)超材料板樣品的制備
[0160]如圖9所示，使用Q235A牌號(hào)普通碳素鋼通過激光切割制成寬度為3mm、厚度為 1.5mm的邊框(32)，該邊框包含一系列具有相同幾何形狀的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元(38)，每個(gè) 單元為正方形，其內(nèi)邊長(zhǎng)為35mm;同樣使用Q235A牌號(hào)普通碳素鋼通過激光切割制成有孔約 束體(35)，將邊框(32)與有孔約束體(35)通過雙臂連接桿(37)剛性連接，兩者的具體連接 方式為一體成型，其中有孔約束體(35)的外輪廓直徑為12mm，其上孔36的直徑為7mm，將約 束體(35)與邊框(32)剛連的雙臂連接桿(37)為矩形截面，其寬度為3mm，厚度為1.5mm。整塊 厚度為0.05mm的穿孔柔性薄膜(33)在自然伸展?fàn)顟B(tài)下鋪貼在邊框(32)及有孔約束體(35) 一側(cè)，其上孔(34)的直徑同樣為7mm，并與約束體(35)上的孔(36) -一對(duì)應(yīng)。為了避免兩結(jié) 構(gòu)的孔無法很好一一對(duì)應(yīng)的情況，穿孔柔性薄膜(33)上的孔(34)可以在穿孔柔性薄膜(33) 鋪貼好后，再采用鉆孔、沖孔、摳挖等方式進(jìn)行穿孔操作。穿孔柔性薄膜(33)的材質(zhì)為聚醚 酰亞胺薄膜，其鋪貼方式為膠粘。最終便得到如圖9所示的輕薄型聲學(xué)超材料板樣品，其在 結(jié)構(gòu)形式上與實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué)超材料板的最大區(qū)別之處在于，輕薄型聲學(xué)超材 料結(jié)構(gòu)單元(38)的有孔約束體(35)與邊框(32)連接采用的雙臂連接桿(37)與邊框(32)厚 度齊平。由于該聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元不再考慮連接桿(37)的沉面設(shè)計(jì)，不但進(jìn)一步簡(jiǎn)化了 加工復(fù)雜程度，而且可以將整體聲學(xué)超材料板的厚度做到更薄。該實(shí)施例所述的聲學(xué)超材 料板的面密度為4.20kg/m 2，穿孔率為3.48%。
[0161] 2.輕薄型聲學(xué)超材料板樣品的性能測(cè)試
[0162] 圖10所示為本發(fā)明實(shí)施例2所述的輕薄型聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損失 的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，樣品照片位于圖中右側(cè)，其外圓直徑為225mm，包含21個(gè)完整的聲學(xué)超材 料結(jié)構(gòu)單元。據(jù)圖可知，在400Hz處出現(xiàn)尖峰，對(duì)應(yīng)的STL值達(dá)到約17dB。該聲學(xué)超材料板樣 品的法向入射傳聲損失頻譜中STL值高于6dB以上的頻段為300Hz~520Hz。
[0163] 實(shí)施例3含不同參數(shù)單元的聲學(xué)超材料板的制備及性能測(cè)定
[0164] 1.含不同參數(shù)單元的聲學(xué)超材料板的制備
[0165] 實(shí)施例3所述的由不同參數(shù)單元面內(nèi)陣列組合形成的聲學(xué)超材料板的結(jié)構(gòu)示意如 圖11所示，其作為陣列基本元素的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)尺寸不完全相同，其內(nèi)部有 孔約束體的直徑及約束體上孔的直徑不一。以某一聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元(45)為例，該聲學(xué) 超材料結(jié)構(gòu)單元的有孔約束體(42)與邊框(39)連接采用的雙臂連接桿(44)與邊框(39)厚 度齊平，結(jié)構(gòu)形式與實(shí)施例2所述的輕薄型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元(38)類似。該實(shí)施例中含有 四種不同尺寸參數(shù)的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，每塊聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的邊框均為正方形， 內(nèi)邊長(zhǎng)均為35mm，外框(35)的寬度為3mm，厚度為1.5mm;有孔約束體(42)的外輪廓直徑有四 種尺寸，由小到大依次為5mm、IOmm、12mm、15mm;約束體上孔(43)的直徑有三種尺寸，由小 至Ij大依次為3mm、5mm、IOmm;整張連續(xù)的穿孔柔性薄膜(40)，厚度為0.05mm，在不施加任何預(yù) 張力條件下，自由伸展平鋪貼在邊框(39)-側(cè)，薄膜上孔(41)的直徑與約束體孔(43)的直 徑對(duì)應(yīng)一致;雙臂連接桿(44)為矩形截面，寬度為3mm，厚度為1.5mm。邊框(39 )、有孔約束體 (42)以及雙臂連接桿(44)的材料相同，均為Q235A牌號(hào)普通碳素鋼;穿孔柔性薄膜的材質(zhì)為 聚醚酰亞胺。該實(shí)施例所述的聲學(xué)超材料板的面密度為4.40kg/m2，穿孔率為3.22%。
[0166] 2.含不同參數(shù)單元的聲學(xué)超材料板的性能測(cè)試
[0167] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例3所述的由不同參數(shù)單元面內(nèi)陣列組合成的聲學(xué)超材料板樣 品的法向入射傳聲損失的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，樣品照片位于圖中右側(cè)，其外圓直徑為225mm，包 含21個(gè)完整的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元。據(jù)圖可知，在430Hz處出現(xiàn)尖峰，對(duì)應(yīng)的STL值達(dá)到約 21 dB。該聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損失頻譜中STL值高于6dB以上的頻段為2 IOHz ~600Hz，帶寬近400Hz。這是由于在不同的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元中采用不同尺寸的約束體 和約束體上的孔，產(chǎn)生了多個(gè)STL尖峰，從而顯著拓寬了工作頻帶。
[0168] 實(shí)施例4含大尺寸孔的廣義聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列組合成的聲學(xué)超材 料板的制備及性能測(cè)定
[0169] 1.含大尺寸孔的聲學(xué)超材料板的制備
[0170]如圖13所示，該實(shí)施例是由聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元(51)在面內(nèi)方向周期性陣列形成 聲學(xué)超材料板后，在每個(gè)3X3的單元陣列簇中去除一塊結(jié)構(gòu)單元中的有孔約束體(48)和雙 臂連接桿(50)，使其成為大尺寸孔(47)，由此便形成了一類更廣義的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元 (58)。該廣義聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元(58)包括邊框(55)，含大尺寸孔(47)的約束體(56)以及 連接桿(57)。穿孔柔性薄膜(52)上具有兩種尺寸的孔，即小尺寸孔(53)和大尺寸孔(54)。
[0171 ]該實(shí)施例中聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元(51)的邊框?yàn)檎叫?，?nèi)邊長(zhǎng)為35mm，外框(46) 的寬度為3mm，厚度為1.5mm;有孔約束體(48)的外輪廓直徑為8mm，約束體上孔(49)的直徑 為3mm;整張連續(xù)的穿孔柔性薄膜(52)，厚度為0.05_，在不施加任何預(yù)張力條件下，自由伸 展平鋪貼在邊框(46)-側(cè)，薄膜上小尺寸孔(53)的直徑與約束體上小尺寸孔(49)的直徑一 致，即3mm;薄膜上大尺寸孔(54)的邊長(zhǎng)與約束體上大尺寸孔(47)的邊長(zhǎng)一致，即35mm;約束 體(48)與邊框(46)剛連所采用的雙臂連接桿(50)為矩形截面，寬度為3mm，厚度為1.5mm。邊 框(46)、有孔約束體(48)以及雙臂連接桿(49)的材料相同，均為Q235A牌號(hào)普通碳素鋼;穿 孔柔性薄膜的材質(zhì)為聚醚酰亞胺。該實(shí)施例所述的含大尺寸孔的聲學(xué)超材料板的面密度為 3 · 66kg/m2，穿孔率為21 · 70 %。
[0172] 2.含大尺寸孔的聲學(xué)超材料板的性能測(cè)試
[0173] 圖14為本發(fā)明實(shí)施例4所述的含大尺寸孔的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損 失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，樣品照片位于圖中右側(cè)，其外圓直徑為225mm。據(jù)圖可知，在950Hz處出現(xiàn) 尖峰，尖峰處對(duì)應(yīng)的STL值達(dá)到約23dB。相較于實(shí)施例1~3，該實(shí)施例所述的聲學(xué)超材料板 樣品的有效工作頻率出現(xiàn)在更高頻段，而且?guī)捯裁黠@不如實(shí)施例1~3。盡管如此，該實(shí)施 例所述的聲學(xué)超材料板樣品的穿孔率卻達(dá)到了驚人的21.70%，這非常有利于流體的自由 通過。
[0174] 3.含大尺寸孔的廣義聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的派生類型
[0175] 在該構(gòu)型的基礎(chǔ)上，派生出兩類大尺寸孔的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)，如圖15所 示。其中圖15(a)中所述的含大尺寸孔(61)的約束體(60)為實(shí)施例4中所述的廣義聲學(xué)超材 料結(jié)構(gòu)單元(5 8)的連接桿(5 7)僅保留左、右兩邊形成新的連接桿(6 2)與整體單元的邊框 (59)相連；圖15(b)中所述的含大尺寸孔(61)的約束體60)則是實(shí)施例4中所述的廣義聲學(xué) 超材料結(jié)構(gòu)單元(58)的連接桿(57)保留上、下、左、右四邊形成新的連接桿(65)與整體單元 的邊框(59)相連。
[0176] 實(shí)施例5其他形狀邊框及約束體連接桿的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列組合 成的聲學(xué)超材料板的制備及性能測(cè)定
[0177] 1.其他形狀邊框及約束體連接桿的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元構(gòu)型
[0178] 圖16為本發(fā)明實(shí)施例5所述的具有不同結(jié)構(gòu)形式邊框及約束體連接桿的聲學(xué)超 材料結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖16(a)中的邊框(66)為圓形，有孔(67)的約束體(68)通過 雙臂連接桿(69)與邊框(66相連；圖16(b)中的邊框(70)為正六邊形，有孔(67)的約束體 (68)通過雙臂連接桿(69)與邊框(70)相連;圖16(c)中的邊框(66)為圓形，有孔(67)的約束 體(68通過單臂連接桿(71)與邊框(66)相連；圖16(d)中的邊框(70)為正六邊形，有孔(67) 的約束體(68)通過單臂連接桿(71)與邊框(70)相連；圖16(e)中將原本相鄰的兩個(gè)正方形 單元打通，使得邊框(72成為一個(gè)長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，所述的兩個(gè)有孔(67)的約束體(68)分別通過 單臂連接桿(71)與邊框(72)相連。值得指出的是，單臂連接桿(71)尤其適合在邊框尺寸較 小的情況下采用，在保證邊框和約束體的連接剛度前提下進(jìn)一步降低整個(gè)單元的重量。
[0179] 2.圓形邊框及單臂約束體連接桿的聲學(xué)超材料板的制備及性能測(cè)試
[0180] 實(shí)施例5所述的具有圓形邊框及單臂約束體連接桿的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，其邊 框(66)的內(nèi)徑30mm，厚度為5mm;有孔約束體(68)的外輪廓直徑為10mm，約束體上孔(67)的 直徑為5mm;整張連續(xù)的厚度為0.05mm穿孔柔性薄膜在不施加任何預(yù)張力條件下，自由伸展 平鋪貼在邊框(66)-側(cè)，薄膜孔的直徑與約束體孔(67)的直徑一致，即5mm;約束體(68)與 邊框(66)剛連所采用的單臂連接桿(71)為矩形截面，寬度為3mm，厚度為5mm。邊框(66)、有 孔約束體(68)以及單臂連接桿(71)的材料相同，均為FR-4玻璃纖維；穿孔柔性薄膜的材質(zhì) 為聚乙烯。該實(shí)施例所述的聲學(xué)超材料板的面密度為4.57kg/m 2,穿孔率為2.78%。
[0181] 圖17為本發(fā)明實(shí)施例5所述的具有圓形邊框及單臂約束體連接桿的聲學(xué)超材料結(jié) 構(gòu)單元(結(jié)構(gòu)形式如圖16(c)所示)及其面內(nèi)陣列形成的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲 損失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。從圖17中可以看出，在630Hz處出現(xiàn)了明顯的尖峰，其峰值達(dá)到約30dB， STL值大于6dB的頻段在300Hz~900Hz。
[0182] 實(shí)施例6雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列組合成的聲學(xué)超材料板的制 備及性能測(cè)定
[0183] 1.雙面貼膜聲學(xué)超材料板的制備
[0184] 圖18為本發(fā)明實(shí)施例6所述的雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元示意圖，其中18(a)為 單元側(cè)剖視圖；圖18(b)為該單元的爆炸視圖。其在同一塊聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的兩個(gè)側(cè)面 分別貼有第一穿孔柔性薄膜(74)和第二穿孔柔性薄膜(75)。所述的第一穿孔柔性薄膜(74) 上的孔(76)、第二穿孔柔性薄膜(75)上的孔(77)和約束體上（78)的孔(81)，三者的直徑相 同。該實(shí)施例尤其適合在邊框(73)的厚度較厚情況下，不但可以充分利用邊框(73)的另一 個(gè)表面，而且又形成了一層振動(dòng)單元。由此形成的兩層振動(dòng)單元可以實(shí)現(xiàn)多種振動(dòng)模式的 疊加組合，對(duì)聲波進(jìn)行更加有效的隔離。該實(shí)施例所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元是在實(shí)施1所 述的基本型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)上，在另一個(gè)側(cè)面鋪貼第二穿孔柔性薄膜(75)。該 實(shí)施例所采用的第二穿孔柔性薄膜(75)的材質(zhì)為聚氯乙烯，厚度為0.038mm，該實(shí)施例其他 構(gòu)成元素的幾何參數(shù)和材料構(gòu)成同實(shí)施例1。
[0185] 圖19為在圖18中所述的本發(fā)明實(shí)施例6的基礎(chǔ)上，在第一穿孔柔性薄膜(74)和第 二穿孔柔性薄膜(75)之間的空隙填充多孔材料(82)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中19(a)為單元側(cè)剖 視圖；圖19(b)為該單元的爆炸視圖。填充的多孔材料(82)可以是玻璃纖維棉、開閉孔泡沫 等材料，其不僅能充分利用兩層穿孔薄膜之間的空腔間隙，而且還可對(duì)整體聲學(xué)超材料結(jié) 構(gòu)單元具有明顯的聲學(xué)性能增強(qiáng)。當(dāng)兩層薄膜互相貼近時(shí)，使得兩膜之間衰減波來回反彈 產(chǎn)生強(qiáng)烈耦合，兩膜之間的聲壓急劇升高，聲能密度加大，即便是填充薄層的多孔材料，此 時(shí)其吸聲效率也將大幅增加，從而在不增加聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的厚度和重量前提下大幅 降低透射聲能，收到更好的降噪效果。值得注意的是，填充的多孔材料(82)的特征阻抗與薄 膜的阻抗應(yīng)盡量匹配，從而避免聲波無法有效進(jìn)入多孔材料，并且要考慮填充的多孔材料 對(duì)兩側(cè)薄膜彎曲振動(dòng)剛度帶來的影響，修正原有設(shè)計(jì)的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的工作頻率。 [0186] 2.雙面貼膜聲學(xué)超材料板的性能測(cè)試
[0187]圖20為本發(fā)明實(shí)施例6所述的雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)陣列形成的聲學(xué) 超材料板樣品與實(shí)施例1所述的單面貼膜的基本型聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損失 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。兩種實(shí)施例的唯一差別是在實(shí)施例6所述的雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié) 構(gòu)單元的另一個(gè)側(cè)面鋪貼第二穿孔柔性薄膜。實(shí)施例6所述的雙面貼膜聲學(xué)超材料板樣品 照片位于圖中右側(cè)，其外圓直徑為225mm。據(jù)圖可知，實(shí)施例6所述的聲學(xué)超材料板樣品的 STL尖峰位于650Hz，高于實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料板樣品；而且，對(duì)于實(shí)施例6所述的聲學(xué) 超材料板樣品，其STL值高于6dB的頻段為500Hz~1300Hz，寬于實(shí)施例1所述的基本型聲學(xué) 超材料板樣品的300Hz~600Hz。這是由于第二穿孔柔性薄膜的鋪貼改變了原有單層鋪膜的 基本型實(shí)施例的系統(tǒng)特性。具體而言，雙層鋪膜及封閉中間空氣間隙的結(jié)構(gòu)形式一方面增 加了原有單層鋪膜實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剛度，另一方面也增加了系統(tǒng)的振動(dòng)自由度，使得該實(shí)施 例所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元除了具有負(fù)質(zhì)量特性(運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與激勵(lì)方向相反），還會(huì)具有 負(fù)體積模量特性(體積變化與激勵(lì)方向相反），進(jìn)一步強(qiáng)化了其超材料屬性。
[0188] 圖21為本發(fā)明實(shí)施例6所述的雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)陣列形成的聲學(xué) 超材料板樣品與實(shí)施例6所述的雙面貼膜并填充多孔材料聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)陣列形 成的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。實(shí)施例6所述的雙面貼 膜并填充多孔材料聲學(xué)超材料板樣品照片位于圖中左側(cè)，其外圓直徑為225mm。其中，填充 的多孔材料為厚度I Omm的玻璃纖維棉，其名義流阻為19000Nsnf4。據(jù)圖可知，多孔材料的繼 續(xù)填入使得原先位于650Hz頻率處的STL尖峰偏移到更高頻段，而且高頻段的有效隔聲帶寬 也進(jìn)一步拓寬。
[0189] 聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元本身在聲波或流場(chǎng)激勵(lì)下便可以產(chǎn)生多模態(tài)的局域共振，可 以在一定程度上改善速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)之間的協(xié)同程度，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的效果，而且，同 時(shí)還要兼顧到聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元在低頻段要有足夠的隔聲性能，而共振情況直接對(duì)應(yīng)的 是聲全透結(jié)果?；谶@樣的考慮，在不改變或較小改變一塊聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元原來的工 作條件下，在其另一個(gè)側(cè)面鋪貼一層含多個(gè)穿孔的柔性薄膜或彈性膜片，通過這些結(jié)構(gòu)在 聲波或流場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱效果。由此形成了一批可以進(jìn)一步強(qiáng)化傳 熱的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其實(shí)施例。
[0190] 實(shí)施例7進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列組合成的聲學(xué)超 材料板的制備及性能測(cè)定
[0191 ] 1.進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的三種不同構(gòu)型
[0192] 圖22為在本發(fā)明實(shí)施例7強(qiáng)化傳熱聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的第一種構(gòu)型示意圖，其 在一塊聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的另一個(gè)側(cè)面鋪貼穿孔柔性薄膜(86)，其上具有多個(gè)相同或不 同大小的圓形孔(88)，在不影響該聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元隔聲性能的同時(shí)，通過在柔性薄膜 上增加穿孔加強(qiáng)附近流場(chǎng)的湍流度，其中22(a)為單元等軸測(cè)視圖；圖22(b)為該單元的爆 炸視圖。穿孔柔性薄膜(86)上的附加孔(88)的大小可以與該薄膜上原先孔(87)的大小相同 或不同。
[0193] 圖23為在本發(fā)明實(shí)施例7強(qiáng)化傳熱聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的第二種構(gòu)型示意圖，其 在一塊聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的另一個(gè)側(cè)面鋪貼穿孔柔性薄膜(86)，其上具有多個(gè)不同形狀 和不同大小的孔(93)，在不影響該聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元隔聲性能的同時(shí)，通過在柔性薄膜 上穿不同形狀和不同大小的孔進(jìn)一步增加附近流場(chǎng)的湍流度，其中23(a)為單元等軸測(cè)視 圖；圖23(b)為該單元的爆炸視圖。穿孔柔性薄膜(86)上的附加孔(93)的形狀或大小可隨意 選取，該實(shí)施例提供了四種形狀，即圓形、矩形、六邊形、三角形。
[0194] 圖24為在本發(fā)明實(shí)施例7強(qiáng)化傳熱聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的第三種構(gòu)型示意圖，其 在一塊聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的另一個(gè)側(cè)面貼有多個(gè)彈性膜片(94)，在不影響該聲學(xué)超材料 結(jié)構(gòu)單元隔聲性能的同時(shí)，通過彈性膜片在入射聲波激勵(lì)下產(chǎn)生的擺動(dòng)或振動(dòng)增加附近流 場(chǎng)的湍流度或流體速度，其中24(a)為單元等軸測(cè)視圖；圖24(b)為該單元的爆炸視圖。
[0195] 2.第一種構(gòu)型的進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元及其面內(nèi)陣列組合成的 聲學(xué)超材料板的制備及性能測(cè)定
[0196] 圖25為本發(fā)明實(shí)施例7所述的第一種構(gòu)型的強(qiáng)化傳熱聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元面內(nèi)陣 列形成的聲學(xué)超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，樣品照片位于圖中右側(cè)， 其外圓直徑為225mm。該實(shí)施例是在圖18所示的實(shí)施例6所述的雙面貼膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單 元的第一穿孔柔性薄膜(0.050mm厚度的聚醚酰亞胺)上附加穿孔直徑均為3mm的四個(gè)孔而 來，其他單元構(gòu)成元素的幾何參數(shù)和材料構(gòu)成保持一致。據(jù)圖可知，STL的峰值出現(xiàn)頻率在 約850Hz，峰值對(duì)應(yīng)的STL值達(dá)到22dB，STL值大于6dB的頻段在300Hz~1100 Hz。
[0197] 實(shí)施例8聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備及性能測(cè)定
[0198] 將實(shí)施例1所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元在面內(nèi)方向（xy平面)陣列分布，形成基本 型聲學(xué)超材料板。選用IOmm厚，名義流阻率為19000/Nsnf 4的玻璃纖維棉(97)作為普通聲學(xué) 材料板。將聲學(xué)超材料板和普通聲學(xué)材料板組合，不同的聲學(xué)材料板之間直接接觸，并提供 稍許擠壓，也可采用彈性連接方式，如小塊橡膠墊支承并隔離不同聲學(xué)材料板，最終構(gòu)成如 圖26所示的聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)。對(duì)其進(jìn)行阻抗管法向入射傳聲損失測(cè)定，實(shí)測(cè)曲線如圖27。其 中，圓圈對(duì)應(yīng)本發(fā)明實(shí)施例1所述樣品結(jié)果;虛線對(duì)應(yīng)本實(shí)施例所述的聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品結(jié) 果。據(jù)圖可知，相較于基本型聲學(xué)超材料板，該實(shí)施例所述的聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品的法向入射 傳聲損失在除去STL尖峰對(duì)應(yīng)的440Hz頻段附近外均不同程度的高于基本型聲學(xué)超材料板， 尤其是在該STL尖峰右側(cè)的中高頻段;而在STL尖峰對(duì)應(yīng)的440Hz頻段附近，該實(shí)施例所述的 聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品的STL值略低于基本型聲學(xué)超材料板，這是由于玻璃纖維棉的引入相當(dāng) 于增加了原先基本型聲學(xué)超材料板的結(jié)構(gòu)阻尼，而結(jié)構(gòu)阻尼的作用主要體現(xiàn)在平緩共振及 反共振頻率處的振幅。
[0199] 實(shí)施例9多層聲學(xué)超材料板面外縱向堆疊的聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)
[0200] 圖28為本發(fā)明實(shí)施例9所述的兩層聲學(xué)超材料板中間拉開一定間距后構(gòu)成的聲學(xué) 超材料復(fù)合板示意圖。其中，兩塊薄層聲學(xué)超材料板的結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)可以相同或不同，分 別包括第一層聲學(xué)超材料板框架(98)，第一層聲學(xué)超材料板的整塊穿孔薄膜(99)以及第二 層聲學(xué)超材料板框架（100)，第二層聲學(xué)超材料板的整塊穿孔薄膜（101)。兩塊薄層聲學(xué)超 材料板之間具有一定間距的空氣間隙（102)。
[0201] 圖29為本發(fā)明實(shí)施例9所述的兩層聲學(xué)超材料板中間拉開一定間距后，在該間距 內(nèi)插入一層多孔材料，最終構(gòu)成的聲學(xué)超材料復(fù)合板示意圖。其中，兩塊薄層聲學(xué)超材料板 的結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)可以相同或不同，分別包括第一層聲學(xué)超材料板框架(98)，第一層聲學(xué) 超材料板的整塊穿孔薄膜(99)以及第二層聲學(xué)超材料板框架（100)，第二層聲學(xué)超材料板 的整塊穿孔薄膜（101)。填充的多孔材料層（103)的特征阻抗與兩塊薄膜的阻抗應(yīng)盡量匹 配，從而避免聲波無法有效進(jìn)入多孔材料，并且要考慮填充的多孔材料對(duì)兩側(cè)薄膜(99)和 (101)的彎曲振動(dòng)剛度帶來的影響，修正原有設(shè)計(jì)的聲學(xué)超材料板的工作頻率。而且，多孔 材料層（103)上需要穿孔，使之與框架(98)和（100)的約束體孔保證一致，不會(huì)造成散熱障 礙。
[0202] 圖30為本發(fā)明實(shí)施例9所述的聲學(xué)超材料復(fù)合板樣品的法向入射傳聲損失試驗(yàn)測(cè) 量結(jié)果，樣品照片位于圖中右側(cè)，其外圓直徑為225mm，由兩塊結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)相同的聲學(xué) 超材料板中間夾持玻璃纖維棉構(gòu)成。其中，聲學(xué)超材料板的結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)與圖8中所示的 實(shí)施例2所述的輕薄型聲學(xué)超材料板相同，玻璃纖維棉的厚度為10mm，名義流阻率為 19000Nsnf4。在圖30中，空心方框曲線代表一層實(shí)施例2所述的輕薄型聲學(xué)超材料板;虛線代 表兩層實(shí)施例2所述的輕薄型聲學(xué)超材料板中間具有IOmm的空氣間隙構(gòu)成的聲學(xué)超材料復(fù) 合板;點(diǎn)線代表兩層實(shí)施例2所述的輕薄型聲學(xué)超材料板中間填充一層厚度為IOmm的玻璃 纖維棉所構(gòu)成的聲學(xué)超材料復(fù)合板。可以看出，兩種聲學(xué)超材料復(fù)合板樣品的STL值在 IOOHz~1000Hz頻段內(nèi)均高于單層輕薄型聲學(xué)超材料板，而且這種STL值提升量效果主要體 現(xiàn)在尖峰右側(cè)的中高頻段。通過比較點(diǎn)線和虛線可知，填充玻璃纖維棉后的聲學(xué)超材料復(fù) 合板樣品的尖峰頻率移向高頻，有效工作帶寬也是三者之中的最寬者。
[0203] 實(shí)施例10曲面結(jié)構(gòu)形式的聲學(xué)超材料板及其裝配方法
[0204] 圖31為本發(fā)明實(shí)施例10所述的曲面形狀聲學(xué)超材料板示意圖。單個(gè)本發(fā)明所述的 聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元(104)通過楔形連接件（105)組合成具有一定曲度的聲學(xué)超材料板。楔 形連接件（105)可以采用橡膠、亞克力、尼龍等材料通過鑄模加工而成，本實(shí)施例中采用橡 膠材料，該實(shí)施例尤其適合具有一定曲度要求的殼體或安裝結(jié)構(gòu)。
[0205]最后，需要注意的是：以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例子，當(dāng)然本領(lǐng)域的技術(shù) 人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行改動(dòng)和變型，倘若這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技 術(shù)的范圍之內(nèi)，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，其特征在于，其包括邊框、在所述邊框內(nèi)設(shè)置有約束體， 在邊框的上下表面的至少一個(gè)表面上覆蓋有薄膜;所述約束體和薄膜上均設(shè)置有至少一個(gè) 孔。2. 如權(quán)利要求1所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，所述邊框內(nèi)至少設(shè)置一個(gè)有孔的約束體。3. 如權(quán)利要求1或2所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，所述約束體和薄膜上孔的形狀、位置 和大小相同或不同；優(yōu)選所述約束體和薄膜上孔的形狀、位置和大小相同。4. 如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，所述的約束體上孔的大小根據(jù) 通過的流體流量以及隔聲工作頻段確定。5. 如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，所述約束體上孔的形狀為對(duì)稱 的規(guī)則幾何形狀，優(yōu)選所述約束體上孔的形狀為圓形。6. 如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，所述邊框的上下表面上均覆蓋 有穿孔柔性薄膜;優(yōu)選兩層穿孔柔性薄膜的厚度及材料不同。7. 如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，所述有孔的約束體與邊框的至 少一個(gè)表面齊平。8. 如權(quán)利要求1 _7任一項(xiàng)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，其中，在上下兩層薄膜中間填充 多孔材料;優(yōu)選所述多孔材料為玻璃纖維棉或開閉孔泡沫。9. 如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，其中，所述的邊框的形狀使其在 單元面內(nèi)周期陣列時(shí)可實(shí)現(xiàn)最大面積占比；優(yōu)選邊框的形狀是矩形、正方形或正六邊形。10. 如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，所述約束體與薄膜線接觸或面 接觸;優(yōu)選接觸形成的形狀是對(duì)稱規(guī)則的幾何形狀;更優(yōu)選所述的幾何形狀為圓形、正方形 或正多邊形。11. 如權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元，所述的邊框和有孔約束體的 材料分別為鋁材、鋼材、木材、橡膠、塑料、玻璃、石膏、水泥、高分子聚合物或復(fù)合纖維材料； 所述薄膜的材料為高分子聚合物薄膜材料、金屬薄膜或彈性薄膜，所述高分子聚合物薄膜 材料優(yōu)選為聚氯乙烯膜、聚乙烯膜或聚醚酰亞胺膜;所述金屬薄膜優(yōu)選鋁及鋁合金膜、鈦及 鈦合金膜，所述彈性薄膜優(yōu)選橡膠膜、硅膠膜或乳膠膜。12. -種包含權(quán)利要求1-11任一項(xiàng)所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的聲學(xué)超材料板。13. 如權(quán)利要求12所述的聲學(xué)超材料板，所述聲學(xué)超材料板是聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元在 面內(nèi)方向組合拼接而成。14. 一種包含權(quán)利要求12或13所述聲學(xué)超材料板的聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)。15. 如權(quán)利要求14所述的聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述的聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)是通過多 層所述的聲學(xué)超材料板面外方向縱向堆疊而成的聲學(xué)超材料板陣列。16. 如權(quán)利要求14或15所述的聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)含有普 通聲學(xué)材料制成的普通聲學(xué)材料單元或者普通聲學(xué)材料板。17. 如權(quán)利要求14-16任一項(xiàng)所述的聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述普通聲學(xué)材料是玻璃纖 維棉、開閉孔泡沫等多孔材料以及普通穿孔板、微穿孔板、阻尼材料板等。18. 如權(quán)利要求14-17任一項(xiàng)所述的聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述聲學(xué)超材料板之間的空 隙以及聲學(xué)超材料板與普通聲學(xué)材料板之間的空隙均填充多孔材料。19. 一種調(diào)節(jié)權(quán)利要求1-11任一項(xiàng)所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元、權(quán)利要求12-18任一項(xiàng)所 述聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲頻段的方法，其特征在于，所述方法是通過改變所述聲學(xué)超材料的 邊框、約束體及薄膜的結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)聲學(xué)超材料的工作頻率。20. -種裝配權(quán)利要求1-11任一項(xiàng)所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的方法，其特征在于，采用 一體成型技術(shù)制備得到有孔約束體和邊框，或者制造有孔約束體預(yù)制件和邊框預(yù)制件，將 有孔約束體預(yù)制件通過剛性連接到邊框預(yù)制件上組成單元框架，之后將薄膜在自由伸展?fàn)?態(tài)下覆蓋在單元框架上，并進(jìn)行固定連接，最后在薄膜上進(jìn)行打孔;優(yōu)選通過銑削、鑄造、沖 壓、激光切割或3D打印技術(shù)加工成一體成型的單元框架，或者通過銑削、鑄造、沖壓、激光 切割或3D打印技術(shù)制造出有孔約束體預(yù)制件和邊框預(yù)制件;優(yōu)選固定連接為膠粘、熱焊接 或機(jī)械鉚接。21. -種裝配權(quán)利要求12或13所述聲學(xué)超材料板的方法，將裝配后的所述的聲學(xué)超材 料結(jié)構(gòu)單元邊框進(jìn)行剛性或柔性連接，或者采用楔形連接件組合成具有一定曲度的聲學(xué)超 材料板;或者將有孔約束體和邊框通過一體成型將其加工為整體聲學(xué)超材料板框架，之后 將薄膜在自由伸展?fàn)顟B(tài)下覆蓋在整體聲學(xué)超材料板框架上，并進(jìn)行固定連接，最后在薄膜 上進(jìn)行打孔;優(yōu)選通過銑削、鑄造、沖壓、激光切割或3D打印技術(shù)加工成一體成型的單元框 架或整體聲學(xué)超材料板框架，或者通過銑削、鑄造、沖壓、激光切割或3D打印技術(shù)制造出有 孔約束體預(yù)制件和邊框預(yù)制件;優(yōu)選固定連接為膠粘、熱焊接或機(jī)械鉚接。22. -種裝配權(quán)利要求14-18任一項(xiàng)所述聲學(xué)超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，將多孔材料制造 成小塊單元填充進(jìn)所述的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元的邊框與有孔約束體之間的空隙，然后將一 整塊普通聲學(xué)材料板預(yù)先打孔或?qū)⑵渑c所述的聲學(xué)超材料板配合打孔后，將其彼此接觸并 固定連接得到;優(yōu)選通過筑模、剪裁、沖壓方式制成多孔材料小塊單元;優(yōu)選所述普通聲學(xué) 材料板與聲學(xué)超材料板之間的接觸方式采用直接接觸或者通過彈性墊支承，以隔離不同聲 學(xué)材料板之間的振動(dòng)傳遞;優(yōu)選固定連接為膠粘、熱焊接或機(jī)械鉚接。
【文檔編號(hào)】G10K11/162GK105845121SQ201610242931
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月19日
【發(fā)明人】黃禮范, 王術(shù)光
【申請(qǐng)人】黃禮范