一种薄膜薄板型声学超材料隔声装置的制作方法

本发明涉及机械和噪声控制领域，特别涉及一种薄膜薄板型声学超材料隔声装置。

背景技术：

声学超材料是人们在过去数年中进行了广泛调查的人工设计材料，主要是因为它们很有应用前景，而且在自然界中几乎很难或者不可能发现，它具有自然界中的材料所没有的特殊属性。因此，它们为改善甚至投入全新的应用打开了一扇门。2000年报道的具有局域共振带隙的声学材料是声学超材料的前身，也是最早实现的声学超构材料。声学超材料具有负的质量密度和弹性模量。薄膜声学超材料是一种近几年来被广泛关注的新型声学超材料，它由一个刚性框架，张紧的橡胶薄膜以及一个质量块组成。通过有效动态负质量可以实现对特性频率的声波全反射，从而达到低频隔音的效果。

目前学者主要的研究目的是针对此种声学超材料，如何降低频率以及拓宽隔音频率，通过改变材料以及参数而使得此种薄膜声学超材料可以有更好的隔声效果以及更宽的工作频率。另有学者根据薄膜与其他结构的耦合，从而使其达到更好的隔声效果。但是目前对于薄膜声学超材料的应用有三个很明显的缺点：

其一，大多数薄膜薄板声学超材料所使用的材料是橡胶，这种材料的缺点是性能不稳定，易老化，并且机械强度较差，基本上没有承载能力，在实际工程应用上有比较大的限制。

第二，由于目前所采用的薄膜薄板材料通常很薄，材料本身的弹性模量很低，在不施加张力的情况下，薄板刚度不足以克服自身重力来传递振动，所以，在仿真和实际应用中，必须要对这种薄膜施加张力。但是到目前为止，不管是用外加电场磁场，还是用气流的方式来控制张力，所需要附加的系统和技术都是十分复杂的，并且对张力的控制很不精确和稳定。另一方面，薄膜声学超材料对于张力的依赖性又非常大，一些很小的张力变化，就会导致隔声频带的较大偏移，甚至消失。

最后，由于薄膜薄板型声学超材料本质上是基于局域共振原理，故目前的设计隔声频带都相对较窄，甚至仅在某个单一频率作用，而我们不管是生活中还是工程应用中，所需要隔离的声波绝大多数又都是一个多频率宽频叠加的声波，这就对实际应用产生了很大的限制。

所以，设计出具有一定承载能力、刚度较好且对张力依赖性较弱甚至不需要施加张力的针对宽频带隔声的薄膜薄板型声学超材料，对于实际的工程应用是具有十分重要的意义的，一方面这种材料隔声效率高，结构简单，更重要的是该结构厚度很薄，结构尺度小，广泛适用于各种壁板，墙面，隔声窗等场合，应用范围极广。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中噪声降噪困难，隔声装置体积过大，工作频率单一，薄膜对张力依赖性较大等技术问题，提供一种轻质、厚度薄、宽频、高隔声量、制造方便且不需要施加张力的板状隔声装置，为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种薄膜薄板型声学超材料隔声装置，其特征在于，所述隔声装置由厚度不同、半径不同的元胞结构叠加而成，所述元胞结构包括集中质量块、薄膜和框架，薄膜四周固定于框架上，集中质量块与薄膜紧密粘接，薄膜需展平无需施加张力，所述元胞结构紧密周期性排布，形成板状隔声装置。

进一步的，所述薄膜和集中质量块层层叠加，形成不同层数的元胞结构，集中质量块的上下两面均与薄膜紧密粘接，所述元胞结构的层数由薄膜的层数定义，所述薄膜的层数根据薄膜厚度及半径大小确定，薄膜厚度越大，半径越小，其层数越少。

进一步的，所述元胞结构中半径为20mm、厚度为0.2mm的薄膜，层数为3至6层，优选4层。

进一步的，所述元胞结构中半径为20mm、厚度为0.4mm的薄膜，层数为2至4层。

进一步的，所述元胞结构中半径为15mm、厚度为0.2mm的薄膜，层数为2至6层。

进一步的，所述隔声装置由不同层数的元胞结构a和元胞结构b叠加而成，所述元胞结构a和元胞结构b之间形成中间空气层。

优选的，所述元胞结构a为四层，所述元胞结构b为两层，所述元胞结构a中的薄膜厚度为0.2mm，每个集中质量块为0.8g，所述元胞结构b中的薄膜厚度为0.4mm，每个集中质量块为0.2g。

进一步的，所述薄膜为圆形，所述集中质量块为圆柱状，所述集中质量块材料为钢，所述薄膜材料为尼龙，所述框架材料为abs塑料，所述钢集中质量块材料、尼龙薄膜材料、abs塑料框架材料的密度、弹性模量和泊松比分别为：7850kg/m³、205gpa、0.28；1150kg/m³、2gpa、0.4；1190kg/m³、2.2gpa、0.375。

进一步的，所述元胞结构具有很强的可调性，通过调节薄膜的半径、厚度以及集中质量块的大小，可以在很宽的范围内准确的调节隔声频带，所述调节隔声频带根据需要隔离声波的频率来确定，通过薄膜薄板振动理论，由理论公式预测stl曲线中关键的两个频率，并根据实际需要设计元胞结构尺寸，通过不同元胞结构叠加，使不同元胞结构之间的隔声量相互弥补，所述公式如下：

本发明与现有技术相比，具有如下有益技术效果：

本发明结构隔声效果好，频带宽，隔声量高，有效地打破了质量定律对于隔声量的控制，并且该结构具有很强的可调性，通过不同结构的叠加，能得到2000hz以下隔声量均高于质量定律的隔声装置。

附图说明

图1为本发明一个实施例中的结构示意图；

图2为一个实施例实验样品的布局示意图；

图3(a)-图3(b)为四层元胞结构分别通过有限元和实验得到集中质量为0.2g和0.4g两种元胞结构的声传递损失stl曲线图；

图4(a)-图4(c)为有限元计算得到的不同集中质量、不同半径、不同厚度薄膜元胞结构的声传递损失曲线图；

图5为本发明一个实施例中两种元胞结构组合而成的叠加结构示意图；

图6为两种元胞结构组合而成的叠加结构的隔声量曲线图；

图7(a)-图7(b)为元胞的等效模型示意图；

图8为有限元中得到的元胞等效密度曲线图；

图9为元胞中薄膜的平均位移曲线图；

图10为元胞薄膜的面平均振动速度曲线图；

图11(a)-图11(c)为不同尺寸元胞结构层数对隔声量的影响曲线图；

图12为薄膜理论振型示意图；

图13为有限元中f2处位移云图。

具体实施方式

下面结合附图1-13和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

本发明公开了一种薄膜薄板型声学超材料隔声装置，是一种轻质薄厚度，低频宽带隔声装置。如图1所示，由圆柱状钢集中质量块101，厚度为0.2mm的尼龙薄膜102和厚度为1-2mm的abs塑料框架103构成。所述集中质量块101上下面与其上下两侧的尼龙薄膜102紧密粘接，集中质量块101的高度即薄膜层间距固定为2mm，并以这种方式层叠，尼龙薄膜102四周固定于框架103上，不需施加张力。以这种方式构成一个元胞结构，元胞结构为隔声装置中阻隔低频声波的最小超材料单元。

进一步的，以这种方式，所述薄膜102和所述集中质量块101层层叠加，可以形成层数不同的元胞结构。该结构的层数由所述薄膜102的层数来定义。

元胞结构所用的薄膜半径越小，厚度越大，最优层数的最小值也越小。但并非层数越多效果越好，当层数达到一定数值时，由于层间的耦合效应，隔声性能反而会降低甚至消失。

进一步的，所述元胞结构中半径为20mm、厚度为0.2mm的薄膜，层数为3至6层，优选4层，如图1所示，图中是一个4层元胞结构示意。

进一步的，所述元胞结构中半径为20mm、厚度为0.4mm的薄膜，层数为2至4层。

进一步的，所述元胞结构中半径为15mm、厚度为0.2mm的薄膜，层数为2至6层。

上述不同尺寸元胞结构层数对隔声量的影响曲线如图11(a)-图11(c)所示。

进一步的，框架103在隔声作用中仅起到分隔元胞结构的作用，保证各个元胞结构之间的振动没有相互影响并且保证薄膜四周的零位移边界条件。通常元胞结构之间分隔距离大于1mm即可。各材料参数如下，所述钢集中质量块101材料，所述尼龙薄膜102材料，所述abs塑料框架103材料的密度、弹性模量和泊松比分别为：7850kg/m³,205gpa,0.28；1150kg/m³,2gpa,0.4；1190kg/m³,2.2gpa,0.375。

进一步的，元胞结构通过周期性排布所形成的板状隔声装置材料厚度很薄，质量轻(由叠加层数不同而有差异，图1所示结构总厚度为6.8mm，面密度ρ＝2.02kg/m²),在1000hz以下均有很高的隔声量，除在很窄的频段外，其余部分均远远高于同面密度质量定律的预测，打破了质量定律对于隔声量的限制，属于轻质、薄厚度、宽频、高隔声量的材料。

为了分析本发明的隔声效果，分别使用商用有限元软件comsol和驻波管实验的方法进行验证。实验样品截面布局如图2所示，由于驻波管尺寸固定为100mm，为了保证相邻元胞结构之间的振动不相互影响，在直径为100mm的范围内均布了四个完全一致的四层元胞结构，图2中，r＝50mm，r＝19mm。四个元胞结构的振动情况与单一元胞结构的振动完全一致且相互没有干扰，分别通过有限元和实验得到集中质量为0.2g和0.4g两种元胞结构的声传递损失stl曲线，如图3(a)-图3(b)所示。可以看到，实验和仿真所得到的数据和趋势十分接近，两个低谷值所对应的频率偏差在10％以内，且都包含两个隔声低谷和一个隔声峰值，且隔声量在很宽的频带内均高于质量定律的预测。因此，完全可以使用有限元方法代替实验测量，而且更加迅速，方便，节省成本。

进一步的，以每个附加质量为0.4g的元胞为例，说明隔声机理并用理论预测两个关键频率的值。元胞的等效模型如图7(a)-图7(b)所示，(a)中是一个弹簧质量单元，(b)中是由(a)图中的单元串联而形成的周期性的单元阵列。对于图7(b)中的第n个单元的运动，可得其运动方程

上式在角频率为ω的激振力和bloch边界条件下的稳态解为：

其中q是bloch波矢。从而可以得到系统的色散关系：

显然，可以得到系统的等效质量meff:

其中，

从(4),(5)两式可以看出，该系统在ω0以下呈现负质量。基于该弹簧质量周期系统，可以构造超材料元胞结构如图1所示。102可等效为图7(a)中的弹簧质量系统，101可等效为7(b)中的连接弹簧k。

由上所述，所构建的元胞结构应该和所提出的弹簧质量系统一样，在ω0以下，即图7(a)中的弹簧质量系统的一阶固有频率以下，呈现负质量。有限元中得到的元胞等效密度如图8所示。可以看到，在f1(169hz)以下，系统等效质量为负，验证了等效的合理性。而当系统具有负质量时，波数变为虚数，声波在材料中形成凋落波，其振幅呈指数形式衰减，所以在f1(169hz)以下能够得到高隔声量。

元胞中的薄膜的平均位移如图9所示。在fpeak(555hz)处，薄膜的平均位移为零，而此时系统的等效密度如图8所示，突然由正极大值突变为负极大值，此时的频率正恰巧与图3(b)中的隔声峰值完全一致。因为等效密度的值越大，表明系统的惯性越大，运动状态越难被外力所改变。而此时，薄膜的平均位移为零也表明薄膜处于一种“准静止”的状态，对于入射声波是一个“刚性节点”，声波并不能激励起薄膜的振动，所以，薄膜也就不能向另一侧传导声波。

元胞薄膜的面平均振动速度如图10所示。薄膜面平均振动速度也印证了上面的分析。由图可以清楚的看到，在两个隔声低谷处，也恰恰正是两个振动速度的峰值，此时薄膜的等效密度基本为零，意味着在声波行进道路上薄膜像“空气”一般，对声波的隔阻作用极弱。如图12、图13所示，通过有限元中的位移云图可以看到，这两个频率也正是元胞的前两阶共振频率。在共振状态，结构与声波最大程度的耦合，向另一侧传递声能量，所以声波基本为100％透射。而在fpeak处，薄膜的面平均位移、面平均振速均为零，并且等效密度为极大值，恰恰对应着两个共振频率之间的反共振状态。所以产生了图3(a)-图3(b)中的隔声峰。

经过上述分析，可知f1,f2和薄膜的振动模态有着密不可分的关系，f1即为等效模型图7(a)中元胞的一阶固有频率。在等效模型的推导中没有计入k的质量，但在材料元胞中质量块的质量不可以忽略，所以我们将集中质量块的质量向薄膜上等效，在此基础上对薄膜固有频率进行修正，得到(6)(7)两式，(6)式是薄膜固有频率的表示，(7)式是在等效模型基础上考虑集中质量块而进一步的修正。如图12、图13所示，通过有限元中的位移云图也可以发现，f2处薄膜的振动状态与薄膜的二阶模态一致，所以，考虑到质量块、元胞层数等等因素对二阶频率进行进一步的修正，可以得到f2的近似理论公式。

通过公式(6),(7),(8)，可以相对准确的预测两个隔声低谷值f1,f2出现的位置，通过理论公式计算得到的数值与有限元仿真得到的数值对比于表1和表2中。

其中e，ρ，σ，h，a，分别是薄膜材料的弹性模量，密度，泊松比，厚度和半径。f′1是因为考虑集中质量块而对f1进行的进一步等效和修正。μn是方程(9)的根。

j0(ka)i1(ka)+i0(ka)j1(ka)＝0(9)

其中ji是第一类贝塞尔函数，ii是第一类虚宗量贝塞尔函数。

两类贝塞尔函数的定义是：

其中，γ(x)是伽马函数；

其中，γ(x)是伽马函数。

由上述(6)-(8)式也可看出，通过改变薄膜的厚度h，半径a，能够方便的调整stl曲线中两个低谷值的位置。如图4(a)-图4(c)所示。

表1不同尺寸和层数原胞f1理论仿真对比

表2不同尺寸和层数原胞f2理论仿真对比

通过薄膜薄板振动理论，可以由理论公式预测stl曲线中关键的两个频率，误差通常小于10％，以针对实际应用中的不同需要，设计元胞结构尺寸。

优选的，如图5所示，使用一个薄膜厚度为0.2mm、每个集中质量块0.8g的四层元胞结构a和一个薄膜厚度为0.4mm、每个集中质量块0.2g的两层元胞结构b叠加，使得b元胞结构在500hz附近的隔声低谷值能够被a元胞结构的隔声峰值所弥补。复合之后的元胞结构的stl曲线基本是原来两种元胞结构stl曲线的包络线。图5中，104为元胞结构a，105为元胞结构b，106是由框架分隔a、b两个元胞结构所形成的中间空气层。

叠加方式可根据实际应用时需要隔离声波的频率来确定，通过不同厚度的元胞结构叠加，可以使不同元胞结构之间的隔声量相互弥补，结果如图6所示。

本发明隔声装置具有很强的可调性，通过调节薄膜半径、厚度、集中质量块大小，可以很方便、大幅度、相对准确的使隔声频带在很宽的范围内调节。通过合理的设计，将厚度不同，半径不同的元胞结构叠加，可以得到在低于2000hz以下均具有高于质量定律预测的隔声材料。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，并不能因此而理解为对本发明范围的限制，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。