本發(fā)明涉及聲學材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為一種特殊的復合材料結(jié)構(gòu)，由于具有高比剛度、高比強度、性能可設(shè)計等優(yōu)點，在航天、航空、高速交通運輸工具和現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程等許多領(lǐng)域均得到了廣泛應用。

飛機設(shè)計中機翼和機艙位置便使用一種蜂窩結(jié)構(gòu)的輕型材料。這種材料組成了構(gòu)成機艙大部分結(jié)構(gòu)的地板和天花板。這個蜂窩夾層結(jié)構(gòu)使得飛機更加牢固，而且這種輕質(zhì)材料也能夠令飛機更加省油。但是這種蜂窩結(jié)構(gòu)在阻斷低頻噪音(來自飛機引擎的噪音)方面還有待加強。

現(xiàn)有技術(shù)中通過在蜂窩結(jié)構(gòu)中填充隔音材料來阻斷噪音，但這又會大大增加飛機重量，增加飛機的能耗。

由上可知，現(xiàn)有技術(shù)中采用的蜂窩材料的質(zhì)量和隔聲效果難以兼顧，特別是低頻處的隔聲效果差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中，采用蜂窩結(jié)構(gòu)的高強度材料的隔音效果差，特別是對低頻隔音效果差的技術(shù)問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供一種蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)，其包括：蜂窩單元結(jié)構(gòu)，包括開口六角型蜂窩芯；隔聲膜，覆蓋在所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)的端面上。

進一步的，所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)為一個均質(zhì)的、橫向各向同性材料結(jié)構(gòu)。

進一步的，所述隔聲膜為一個各向同性材料。

進一步的，所述開口六角型蜂窩芯是由金屬、陶瓷、復合材料或芳綸纖維板制成。

進一步的，所述蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的等效靜態(tài)質(zhì)量密度，根據(jù)所述隔聲膜的密度、所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)的等效靜態(tài)質(zhì)量密度及所述蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的厚度確定。

進一步的，所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)的等效靜態(tài)質(zhì)量密度，根據(jù)所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)的材料的質(zhì)量密度確定。

進一步的，所述蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的厚度為所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)與所述隔聲膜的厚度之和。

進一步的，所述隔聲膜的厚度為0.1-0.5mm，楊氏模量為5-9MPa，質(zhì)量密度為500-1500kg/m³，泊松比為0.20-0.60；面密度為0.50-2.00kg/m²。

進一步的，所述隔聲膜分別覆蓋在所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)的所述開口六角型蜂窩芯兩端面上。

進一步的，所述隔聲膜加緊在所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)的邊界。

進一步的，所述隔聲膜包括：堆棧多個不同的共振頻率振膜。

進一步的，所述的蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)包括：多層蜂窩單元結(jié)構(gòu)，所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)層之間的連接端面設(shè)置有所述隔聲膜。

進一步的，所述的蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)包括：碳纖維層，設(shè)置于所述多層蜂窩單元結(jié)構(gòu)外端面。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明提供一種蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)不僅在結(jié)構(gòu)方面質(zhì)量較小、強度高，堅固耐用，而且在噪聲控制方面具有良好的隔音效果，同時具備堅固、輕質(zhì)及良好隔聲的特性。

附圖說明

下面將以明確易懂的方式，結(jié)合附圖說明優(yōu)選實施方式，對一種消聲器檢測系統(tǒng)的上述特性、技術(shù)特征、優(yōu)點及其實現(xiàn)方式予以進一步說明。

圖1A、1B、1C是本發(fā)明實施例提供的一種蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例對一種蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)進行聲學對比測試圖；

圖3是本發(fā)明實施例對另一種蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)進行聲學對比測試圖；

圖4是本發(fā)明實施例提供的另一種蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例對另一種蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)進行聲學對比測試圖。

附圖標號說明：

蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)100；蜂窩單元結(jié)構(gòu)110；隔聲膜120；碳纖維層410

具體實施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對照附圖說明本發(fā)明的具體實施方式。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖，并獲得其他的實施方式。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的蜂窩結(jié)構(gòu)的隔音效果差的技術(shù)問題，本發(fā)明的設(shè)計思想在于研究一種振膜式的隔聲材料，與蜂窩結(jié)構(gòu)材料結(jié)合，從而是蜂窩結(jié)構(gòu)材料同時具備堅固及良好隔聲的特性。

為使圖面簡潔，各圖中只示意性地表示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分，它們并不代表其作為產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)。另外，以使圖面簡潔便于理解，在有些圖中具有相同結(jié)構(gòu)或功能的部件，僅示意性地繪示了其中的一個，或僅標出了其中的一個。在本文中，“一個”不僅表示“僅此一個”，也可以表示“多于一個”的情形。

如圖1A、1B、1C所示，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，

該蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)100，包括：蜂窩單元結(jié)構(gòu)110，包括開口六角型蜂窩芯；隔聲膜120，覆蓋在所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)110的端面上。

在本發(fā)明實施例中，所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)110為一個均質(zhì)的、橫向各向同性材料結(jié)構(gòu)。其中，所述橫向各向同性是指該材料垂直軸線的任何方向上彈性相同。

在本發(fā)明實施例中，所述隔聲膜120為一個各向同性材料。其中，所述各向同性指的是該材料在不同方向所測得的物理、化學性能數(shù)值完全相同，亦稱均質(zhì)性。

首先，利用該蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)，一方面，采用了蜂窩結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)整體的強度大大增加，且由于是開口六角型蜂窩芯其結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量也較小，隔聲膜采用輕質(zhì)材料制成的，而且只增加了蜂窩結(jié)構(gòu)不到6％的重量，保證了整體材料的輕質(zhì)特征；另一方面，在蜂窩結(jié)構(gòu)層的端面上設(shè)置了隔聲膜，使噪音在通過隔聲膜時，一部分噪音被阻隔，同時引起隔聲膜震動，產(chǎn)生聲阻抗與一部分噪音聲波抵消進一步降低了噪音的通過，達到良好的隔音效果，最終，使蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)同時具備堅固、輕質(zhì)及良好隔聲的特性。

其次，采用該蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)，隔聲膜覆蓋在蜂窩結(jié)構(gòu)的端面一側(cè)，就好像一個鼓的外皮，當聲波擊中薄膜的時候，聲音會反彈出去而不是穿透過去。這對于低頻噪音非常有效，相比于沒有薄膜覆蓋的蜂窩板，有薄膜覆蓋的蜂窩板都能阻擋100到1000倍的低于500Hz赫茲的低頻聲音。

此外，該蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)成本低廉，可以由任何材料生產(chǎn)，只要不影響蜂窩板結(jié)構(gòu)的完整性即可，特別是應用在航空技術(shù)領(lǐng)域，它可以使飛行經(jīng)歷更愉悅，尤其是對乘坐直升飛機的乘客。

在本發(fā)明實施例中，所述開口六角型蜂窩芯是由金屬、陶瓷、復合材料或芳綸纖維板制成。本發(fā)明并不局限于上述材料，只要不影響蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的完整性即可，這樣既保證了結(jié)構(gòu)的強度，又保證了結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)特性，且降低了制造成本，拓展了應用的范圍。

在本發(fā)明實施例中，所述蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的等效靜態(tài)質(zhì)量密度，根據(jù)所述隔聲膜120的密度、所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)110的等效靜態(tài)質(zhì)量密度及所述蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)100的厚度確定。

其中，所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)110的等效靜態(tài)質(zhì)量密度，根據(jù)所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)110的材料的質(zhì)量密度確定。

其中，所述蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的厚度為所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)與所述隔聲膜的厚度之和。

具體而言，對于該蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的等效靜態(tài)質(zhì)量密度可表示為：

此處，ρ_m是隔聲膜的密度；是蜂窩單元結(jié)構(gòu)的等效靜態(tài)質(zhì)量密度，ρ₀是蜂窩單元結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量密度；h為蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的厚度，h＝h_m+h_c，h_m是隔聲膜的厚度，h_c是蜂窩單元結(jié)構(gòu)的厚度。

舉例說明，

蜂窩單元結(jié)構(gòu)采用芳綸纖維板材料制成，質(zhì)量密度ρ₀＝1400kg/m³，壁厚t＝0.06mm，l＝3.7mm，h_c＝20mm，θ＝30°；本發(fā)明實施例僅以此為例，并不局限于這些材料及尺寸。該蜂窩結(jié)構(gòu)單元的等效靜態(tài)質(zhì)量為給定θ的正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，可使蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)在單位面積上獲得最大抗壓強度；如后面實驗中所示，這樣的單元尺寸會引起高頻(>1kHz)處有一個隔聲量STL(Sound Transmission Loss)谷。

膜材料采用乳膠橡膠，厚度h_m＝0.25mm，楊氏模量E_m＝5MPa，質(zhì)量密度ρ_m＝980kg/m³，泊松比ν_m＝0.499；本發(fā)明實施例僅以此為例，并不局限于這些材料及尺寸。

由式(1)可得，蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)整體的面密度為ρ＝46.71kg/㎡；隔聲膜單位面積的質(zhì)量僅為0.95kg/㎡。所以，該蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)延續(xù)了蜂窩結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)性。

在本發(fā)明實施例中，所述隔聲膜的厚度為0.1-0.5mm，楊氏模量為5-9MPa，質(zhì)量密度為500-1500kg/m³，泊松比為0.20-0.60；整體的面密度為0.50-2.00kg/m²。該隔聲膜為輕質(zhì)，相對于蜂窩結(jié)構(gòu)整體僅占非常小的比例，采用該隔聲膜既保證了隔聲效果，又保證了該蜂窩蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)性。

請參見圖2，其所示為蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有蜂窩結(jié)構(gòu)材料進行聲學對比測試圖。橫坐標為頻率/赫茲(Hz)，縱坐標為隔聲量/分貝(dB)。用于測試的蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)，被制成如圖1(c)所示的直徑10cm的樣品。之后進行了聲學測試。

根據(jù)圖2的測試結(jié)果，可以看出，沒有隔聲膜蜂窩結(jié)構(gòu)材料，即一普通蜂窩結(jié)構(gòu)，聲音幾乎完全穿透了；而附加隔聲膜后(測試樣件)，隔聲量有顯著提高，特別是低頻處有25dB以上。從而在試驗上也證明了本發(fā)明實施例提供的蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)具有突出的技術(shù)效果。

在本發(fā)明實施例中，所述隔聲膜加緊在蜂窩單元結(jié)構(gòu)的邊界。由此，可以在前兩階的共振頻率之間會產(chǎn)生一種窄帶負動態(tài)等效質(zhì)量，從而產(chǎn)生全反射，起到隔聲作用。

在本發(fā)明實施例中，所述隔聲膜分別覆蓋在所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)的所述開口六角型蜂窩芯的兩端面上。由此，可以進一步提高隔聲量，保證了在僅增加微小質(zhì)量的前提下，達到了更加好的隔音效果。

為了進一步提高聲學性能，在蜂窩單元結(jié)構(gòu)的頂部和底部均放置隔聲膜，即雙層膜結(jié)構(gòu)。請參見圖3，其所示為圖3雙層膜結(jié)構(gòu)與單層膜結(jié)構(gòu)的聲學對比測試圖。

以上述的給出的實例為基礎(chǔ)進行計算，其等效靜態(tài)密度增加到ρ＝58.05kg/㎡。

由圖3可以看出，本材料采用雙層膜的隔聲量(STL)比單層膜至少要高出20dB。在低頻(＜500Hz)時，始終遠遠高45dB。50-1600Hz的平均隔聲量為37dB。

由此可見，雙層膜的組合會對比單層膜隔聲效果有較好的提升，并且由于雙層膜之間相互反射產(chǎn)生駐波，使得雙層膜結(jié)構(gòu)并不是像簡單疊加隔聲量那樣。

在本發(fā)明實施例中，所述隔聲膜包括：堆棧多個不同的共振頻率振膜。通過疊加幾層膜來實現(xiàn)寬帶噪聲的降低，達到更寬頻的隔聲效果。

在本發(fā)明實施例中，請參見圖4，所述的蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)，包括：多層蜂窩單元結(jié)構(gòu)110，所述蜂窩單元結(jié)構(gòu)110層之間的連接端面設(shè)置有所述隔聲膜120。該結(jié)構(gòu)采用了多層蜂窩結(jié)構(gòu)使其結(jié)構(gòu)強度更大，更加牢固。

在本發(fā)明實施例中，所述的蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)，包括：碳纖維層410，設(shè)置于所述多層蜂窩單元結(jié)構(gòu)110外端面。進一步提高了整體結(jié)構(gòu)的強度。

在本發(fā)明實施例中，所述碳纖維層的厚度為1mm，或其他需要的厚度，在保證提高整體結(jié)構(gòu)的強度的同時，使質(zhì)量的增加較小。

如圖4所示，材料兩側(cè)為厚度1mm的碳纖維材料。中間為兩層蜂窩結(jié)構(gòu)，兩層蜂窩之間有一層隔聲膜。整個結(jié)構(gòu)除去隔聲膜的話重量為29.2g，加上振膜后重量為31g。檢測數(shù)據(jù)如5，隔聲膜的使用在整體結(jié)構(gòu)的隔聲效果上起到了決定性的作用，有隔聲膜時，低頻的隔聲量遠超于無振膜時的隔聲量。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供蜂窩振膜式輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)不僅在結(jié)構(gòu)方面質(zhì)量小、強度高，堅固耐用，而且在噪聲控制方面具有良好的隔音效果，同時具備堅固、輕質(zhì)及良好隔聲的特性。

應當說明的是，上述實施例均可根據(jù)需要自由組合。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。