一种宽带隔声性柔性低频声学超材料结构的制作方法

本实用新型涉及一种宽带隔声性柔性低频声学超材料结构，具有大带宽、高隔声性能，属于低频噪声控制技术领域。

背景技术：

统计资料表明，整车1/3的故障都与汽车NVH（噪声、振动与平顺性）问题有关。尤其是车内低频（＜600 Hz）噪声突出，其穿透力强，危害性大，普通声学材料又无法有效地解决。根据隔声质量定律：STL=20lg(ms)+20lg(f)-47，（STL为声传递损失，表征材料的隔声能力，dB；ms为材料的面密度，表征材料单位面积内的质量，kg/m²；f为声波激励频率，Hz。），可知：要想在低频段内得到较好的隔声性能，势必要使用厚且重的声学材料，显然，这不符合汽车内饰件的轻薄化设计原则。因此，车内低频噪声处理问题，至今仍是一个技术难题。

声学超材料是一种具有天然声学材料所不具备的超常声学性质的人工复合结构或复合材料，是低频声学材料领域重要的发展方向之一。相关理论研究表明声学超材料可在小尺寸结构范围内调控大波长（低频）弹性波，未来将可广泛应用于汽车、航空航天、航海、生活等领域，是近年来所涉及的一种关键性研究技术。低频声学超材料在实际工程应用中面临低频、宽带、轻质、柔性、耐久性等要求，行业内尚处于理论研究转向应用研究阶段。当前声学超材料存在的弊端是：隔声频率不够低；带宽不够宽；结构复杂、厚重、硬质，不宜加工成型及轻量化应用。因此，设计一种轻薄、宽带、柔性低频声学超材料，将具有重要的实际工程应用价值。

技术实现要素：

本实用新型的目的是规避现有声学超材料的弊端，设计一种具有轻薄、柔性结构特征的宽带隔声性低频声学超材料结构，拓宽隔声频带、提升隔声幅值，从而改善低频隔声特性。

按照本实用新型的技术方案，所述宽带隔声性柔性低频声学超材料结构，包括格栅框架、薄膜蒙皮、第一薄片和第二薄片；所述格栅框架由单个单元格经二维周期性延拓而成；薄膜蒙皮覆盖于格栅框架的一侧；第一薄片和第二薄片分布于格栅框架的单元格内，置于薄膜蒙皮的表面。

进一步的，所述格栅框架、第一薄片与第二薄片固定于薄膜蒙皮表面的同侧或异侧。

进一步的，所述格栅框架的单个单元格、单个第一薄片、四个第二薄片以及薄膜蒙皮构成隔声性柔性低频声学超材料结构的一个最小周期单元。

进一步的，所述格栅框架包括多条纵横垂直相交的条形骨架；格栅框架每个单元格为方形框架结构，边长a为30-140mm、宽度w3为4-20mm，厚度h3为1-5mm。

进一步的，所述格栅框架由乙烯-醋酸乙烯共聚物或三元乙丙橡胶材料制成。

进一步的，所述薄膜蒙皮的厚度h4为0.05-0.5mm，由聚酰亚胺、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙或硅橡胶材料制成。

进一步的，所述第一薄片为十字形，第二薄片为圆形，第二薄片分布于第一薄片与格栅框架之间。

进一步的，所述第一薄片的两臂垂直相交，每条臂的长度w1为20-80mm，宽度w2为2-8mm，厚度h1为1-5mm；第一薄片由乙烯-醋酸乙烯共聚物、三元乙丙橡胶或亚克力材料制成。

进一步的，所述第二薄片的半径r为2-8mm，厚度h2为1-5mm；第二薄片由铁、铝、亚克力、乙烯-醋酸乙烯共聚物或三元乙丙橡胶材料制成。

进一步的，所述第二薄片每四个为一组分布于第一薄片与格栅框架之间，第一薄片的两臂之间各有一个第二薄片。

本实用新型低频隔声性柔性声学超材料结构是基于声学超材料的亚波长局域共振原理和实际应用条件的要求提出的一个创新结构方案，由若干个单胞经二维周期排列构成，表现为在薄膜表面分布规则形态质量片（十字薄片、圆形薄片）的设计形式，其中格栅框架起支撑作用；其结构简单，易于批量化成型加工；所用材料都是常规材料，如PI、PE、PET、尼龙、EVA、EPDM、亚克力、铁、铝等，成本低廉且清洁环保；整体结构轻、薄、柔软，更加满足实际工程应用要求；其结构单元实现了宽带、高隔声性能，打破了隔声质量定律的限制，实现了声传递损失远高于相同面密度的均质EVA材料，其STL并被实验验证。

众多的研究资料表明在反共振频率，结构表现出优良的隔声效果。但在一般的物理系统中，反共振模式是间隔的（存在共振模式），这种不连续的反共振模式会导致隔声频带被截断，出现隔声谷，所以有效的隔声频带往往较窄。根据质量片分布式协调设计理念，本实用新型涉及的特殊结构形态（如十字形与圆形薄片）、特殊分布形式及其相关的材料参数，使得该结构单元内产生连续的多重弯曲反共振模式，导致整体结构呈现连续的动态平衡（平均法向位移≈0甚至为负），在宽频带内实现高隔声性能；因此，在宽频范围内，声能会被局域在结构表面的各振子元件（十字薄片、圆形薄片）中，从而实现宽带连续声衰减。

通过合理设计各振子与薄膜蒙皮的结构参数和材料参数，并使之匹配，可以使优选的声学超材料单元产生较大的负等效质量，负质量特性越明显，结构的反共振耦合行为越强烈，STL峰值也越高。因超材料单元的反共振特性（包括反共振耦合模式的数量及连续性）与结构的形态、分布形式和材料有关，所以，可以通过调节格栅框架、薄膜蒙皮、十字薄片和圆形薄片的结构和材料参数，来调节STL带宽和幅值。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种宽带隔声性柔性低频声学超材料的结构示意图。

图2是图1的一个单胞示意图。

图3是本实用新型的一个圆形单胞示意图。

图4是本实用新型优选实施例的STL曲线。

图5是本实用新型涉及的圆形单胞的等效质量曲线与平均法向位移曲线。

图6是图4中STL带宽内图3元胞中所有的振动模式示意图。

附图标记说明：1-格栅框架、1.1-环形格栅框架、2-薄膜蒙皮、3-第一薄片、4-第二薄片。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示：宽带隔声性柔性低频声学超材料结构，包括格栅框架1、薄膜蒙皮2、十字薄片3和圆形薄片4。格栅框架1由单个方形单元格经二维周期性延拓而成；薄膜蒙皮2覆盖于格栅框架1的一侧；第一薄片3和第二薄片4分布于格栅框架1的方形单元格内，置于薄膜蒙皮2的表面.

具体的，格栅框架1、第一薄片3与第二薄片4固定于薄膜蒙皮2表面的同侧或异侧，图示中为同侧，其中，格栅框架1起支撑作用。格栅框架1的单个方形单元格、单个第一薄片3、四个第二薄片4以及薄膜蒙皮2构成隔声性柔性低频声学超材料结构的一个单胞。

格栅框架1为整体性的，包括多条纵横垂直相交的条形骨架，格栅框架1每个方形单元格的框架边长a为30-140mm、宽度w3为4-20mm，厚度h3为1-5mm。其由柔性的EVA或EPDM材料制成。薄膜蒙皮2的厚度h4为0.05-0.5mm，由PI、PE、PET、尼龙或硅橡胶材料制成。

第一薄片3可以为十字薄片，第二薄片4为圆形薄片，圆形薄片分布于十字薄片与格栅框架1之间，圆形薄片每四个为一组分布于十字薄片与格栅框架1之间，十字薄片的两臂各有一个圆形薄片。

第一薄片3的两臂垂直相交，每条臂的长度w1为20-80mm，宽度w2为2-8mm，厚度h1为1-5mm；第一薄片3由EVA、EPDM或亚克力材料制成。圆形薄片4的半径r为2-8mm，厚度h2为1-5mm；圆形薄片4由铁、铝、亚克力、乙烯-醋酸乙烯共聚物或三元乙丙橡胶材料制成。

拓展性地，通过调节格栅框架1、薄膜蒙皮2、十字薄片和圆形薄片的结构和材料参数，可实现STL的幅值和频段的调整，满足目标设计要求。例如：增加格栅框架1的边长、减小十字薄片的边长、减小十字薄片的宽度、或降低薄膜蒙皮2的杨氏模量，都将不同程度地引起STL峰值向更低频移动，且带宽变窄；增加圆形薄片的半径，将引起STL峰值向右（中频）移动，且带宽变宽；减小薄膜蒙皮2的厚度，引起STL峰值向更低频移动，且带宽略变窄。

如图3所示，本实施例中，宽带隔声性柔性低频声学超材料结构包括环形格栅框架1.1、薄膜蒙皮2、十字薄片与圆形薄片。其中，环形格栅框架1.1支撑薄膜蒙皮2；薄膜蒙皮2覆盖于环形格栅框架1.1的一侧；十字薄片分布于环形格栅框架1的中心，粘贴于薄膜蒙皮2表面；圆形薄片分布于十字薄片与环形格栅框架1.1之间。环形格栅框架1.1、十字薄片与圆形薄片被粘贴于薄膜蒙皮2表面的同一侧。

环形格栅框架1.1的外径d2=100mm（与阻抗管内径相同），内径d1=90mm，厚度h3=2mm，材质为柔性的EVA材料。薄膜蒙皮2的厚度h4=0.2mm，材质为PI材料。十字薄片的两臂垂直相交，十字交叉点位于圆形单胞结构的中心，其边长w1=40mm，宽度w2=4mm，厚度h1=2mm，材质为柔性的EVA材料。圆形薄片的数量为4个，均位于十字薄片的两臂之间，其半径r=6mm，厚度h2=2mm，材质为铁。

通过阻抗管设备对本实施例中的单胞结构进行声传递损失测试，用STL表征其隔声性能。测试时，置样件于阻抗管内，使用油泥密封固定其边缘，相关的测试标准为《GB/Z 27764-2011 声学 阻抗管中传递损失的测量-传递矩阵法》。

所得结果如图4所示。为了便于解释说明，故在图4中标记第一STL谷值点为A、STL峰值点为B、第二STL谷值点为C，其中称A点与C点之间的隔声频带为STL带宽。图4中实线是有限元计算的STL曲线，虚线为实验测得的STL曲线。看出，仿真结果与实验结果一致性较好（体现为曲线趋势、峰值和谷值的对应性）。作为对比，图4中还用带三角标记的实线标出了均质EVA薄板的STL实验曲线，要说明的是该均质EVA薄板与图3中本实用新型的单胞结构具有相同的面密度；另外，还用长短虚线标示出了隔声质量定律所限定的STL曲线。可以看出，本实用新型优选实施例的STL带宽为50-736Hz，在B点STL峰值高达48dB。隔声带宽得到大大拓宽，并且连续（STL带宽内无较大的隔声谷）；同时，STL幅值也被大大提升，出现明显的隔声峰。在656Hz以下频率范围内的STL远高于隔声质量定律的STL。另外，实验结果表明：在560Hz以下，本实用新型优选实施例的STL远高于同面密度EVA薄板的STL，平均高7dB。

图5中带三角标记的实线为被归一化的等效质量曲线，虚线为被归一化的平均法向位移曲线。图6为A点与C点之间结构的所有振动模式，其中箭头表示位移方向，入射声波方向自下而上。结合图5与图6作进一步分析说明，用于揭示STL宽带和峰值形成的机理。在A点，结构中心区域的振动方向与入射声波同向，十字薄片振子的振动与Z模式剪切波产生强相互耦合作用，于是结构表现出中心区域的集总耦合共振行为，导致STL出现第一谷值，A点为STL带宽的下限频率。同时，结构的等效质量为0，该结构类似于无质量的全透介质，于是极易被声波穿透。在B点，STL到达峰值。结构表现为一种反共振行为：四个圆形薄片分别表现为自身的侧向反共振模式。该反共振模式与声波耦合，大量的声能被局域在圆形薄片振子的内部，结构的平均法向位移为0，声波得到有效地控制。另外，等效质量从正极值跳变至负极值，表明结构产生强烈的反共振耦合行为，决定了STL峰值大小。在C点，结构中心区域的反共振强度弱于周边薄膜蒙皮的同向共振强度，这导致大量的声能被聚集和透射。因此，卓越的STL带宽被终止，并出现第二个STL谷。此外，等效质量等于0决定了STL带宽的上限频率。

进一步地，在STL带宽内，本实用新型的单胞结构表现出15种连续的多重局域反共振模式，无阶圆共振模式。从这些反共振模式看出，正是由于这两类特殊形态振子（十字形与圆形薄片）及其特殊的分布形式，使得结构产生多重连续的反共振协调行为，这些反共振行为导致结构在较宽频段内实现连续的动态平衡状态（平均法向位移≈0），使得STL频带被拓宽。另外，结构的负等效质量特性越明显，结构的反共振行为越强烈，STL峰值也越高。而超材料单元的反共振特性（包括反共振耦合模式的数量及连续性）与振子的结构形态和分布形式有关。因此，可以通过改变振子和蒙皮薄膜的结构和材料参数来调节STL带宽和幅值。