一种多层的穿孔声学超材料吸声结构的制作方法

本实用新型涉及声学超材料噪声控制领域，具体是一种多层的穿孔声学超材料吸声结构。

背景技术：

如今我们接触到的噪声日益复杂，面对的噪声问题越来越严重，不论是噪声源的多样性，还是噪声频段的宽广程度，处于这样一个复杂的噪声环境中，对我们的身心健康以及工作效率影响非常严重。在噪声控制领域，由于低频噪声的波长较长、穿透能力强的特点，无论是在汽车、地铁，还是建筑装饰等领域，如何解决低频噪声问题是一项长期困扰我们的难题。

声学超材料是一种人工周期的复合材料，由于一些特殊的物理特性，其具有良好的吸声隔声特性。声学超材料可以达到小尺寸控制大波长的效果，打破传统均质材料依据质量定律的限制，实现轻质化降噪。近些年，声学超材料方面的研究有了很多不错的进展，各种不同类型的超材料以及不同的单元结构的提出，对于解决各种噪声问题提供了很多开放的思路。

fang等提出了一种亚波长范畴的一维亥姆霍兹共振腔阵列的声学超材料，在其共振频率处发现等效弹性模量为负值，在共振频率时，由于其内部储存了大量的能量，于是出现透射低谷的现象。梅军等人提出一种由薄膜和半圆形金属片组成的非对称结构的吸声型声学超材料，由于金属片的拍动，在其附近产生较大的弹性曲率能量，可以在100～1000hz完全吸收一部分频率内的声波。ding等人提出了一种基于局域共振的开口空心球模型，得到具有负的弹性模量的声学超材料，这种材料在900-1500hz声衰减较大。

在专利cn106782477a(公布于2017年5月31日)中描述了一种带薄膜结构的helmholtz腔声学超材料，由带圆柱型空腔的铝块和橡胶薄膜构成。该结构在500hz以下的频率范围内,其透射系数曲线可产生多个峰值并且峰值对应的频率宽度范围达到30hz。通过改变结构的几何参数可得到所需低频范围的噪声控制声学超材料结构。

在上述提到的几种声学超材料中，无论是helmholtz腔还是薄膜类型超材料，都是利用局域共振的理论，使结构的共振频率和声波入射频率匹配，达到降低噪声的目的。但是结构的设计都属于初步的单元研究阶段，结构设计比较复杂，而且所用材料大多涉及金属件，无疑增加了制造成本和加工难度，以及结构的可靠性都有待提高。因此提供一种结构简单，加工容易，成本低廉的可用于各种领域的声学结构是必要的。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种多层的穿孔声学超材料吸声结构，通过厚度不同和中间两层穿孔的棉毡以及结合薄膜的使用，实现高效吸声的噪声控制效果。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多层的穿孔声学超材料吸声结构，包括由上至下依次叠加设置的第一层棉毡、穿孔薄膜、第一穿孔棉毡、第一非穿孔薄膜、第二穿孔棉毡、第二非穿孔薄膜、第四层棉毡，所述穿孔薄膜上设置有若干薄膜穿孔，所述第一穿孔棉毡、第二穿孔棉毡上设置有若干棉毡穿孔且一一对应。

作为优选，所述的第一层棉毡、第一穿孔棉毡、第二穿孔棉毡、第四层棉毡均由聚酯(pet)纤维或聚丙烯(pp)纤维或者再生棉制成。

作为优选，所述的穿孔薄膜、第一非穿孔薄膜、第二非穿孔薄膜均为聚乙烯(pe)薄膜或聚丙烯(pp)薄膜或聚酰胺(pa)薄膜。

作为优选，所述的第一层棉毡、第四层棉毡的厚度为8～12mm。

作为优选，所述第一穿孔棉毡、第二穿孔棉毡的厚度为4～6mm。

作为优选，所述棉毡穿孔的孔径为10～30mm，孔与孔的中心距离为30～60mm。

上述方案中，所述的所述第一穿孔棉毡、第二穿孔棉毡通过穿孔加工并结合穿孔薄膜和第二非穿孔薄膜构成若干圆柱空腔结构，第一非穿孔薄膜将其分为上下两个部分。

作为优选，所述穿孔薄膜厚度为0.1～0.2mm，薄膜穿孔的孔径为1～3mm，孔与孔之间的距离为5～10mm。

作为优选，所述第一非穿孔薄膜的厚度为0.025～0.1mm，第二非穿孔薄膜厚度为0.025～0.1mm。

作为优选，所述穿孔薄膜的一侧正对声波入射方向。

作为优选，所述第一层棉毡、穿孔薄膜、第一穿孔棉毡、第一非穿孔薄膜、第二穿孔棉毡、第二非穿孔薄膜、第四层棉毡之间通过喷胶粘贴成一体。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型所述的穿孔的多层吸声声学超材料结构，在低频500hz左右的吸声效果明显优于如今普遍使用的双阻抗材料。

2、本实用新型所述的穿孔的多层吸声声学超材料结构，通过去除自身部分棉毡材料构成空腔结构，相比均质等厚度的材料而言，具有轻量化的效果，而且节省材料。

3、本实用新型所述的穿孔的多层吸声声学超材料结构，结构设计简单，原材料不涉及金属部件，加工容易，成本低廉，在各种场合，如汽车、地铁、建筑装饰等都有很广阔的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型实施例的穿孔的多层吸声声学超材料结构示意图；

图2是图1所示穿孔的多层吸声声学超材料结构爆炸图；

图3是图1所示穿孔的多层吸声声学超材料结构局部剖视图；

图4是本实用新型实施例中的穿孔棉毡结构示意图；

图5是本实用新型实施例中的穿孔棉毡结构的俯视图；

图6是本实用新型实施例中的穿孔膜的结构示意图；

图7是本实用新型实施例的穿孔的多层吸声声学超材料结构与双阻抗材料的吸声系数对比曲线图。

附图标注说明：1-第一层棉毡，2-穿孔薄膜，3-穿孔棉毡，4-第一非穿孔薄膜，5-穿孔棉毡，6-第二非穿孔薄膜，7-第四层棉毡，8-薄膜穿孔，9-棉毡穿孔。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型的实施例做进一步详细说明。

对于穿孔的多层吸声声学超材料，首先需要根据应用环境确定整体形状、厚度，然后根据相应的性能要求，选择合适的棉毡厚度分布、棉毡开孔率，以及薄膜的厚度和开孔尺寸。

图1示出了一种本实用新型所述的多层的穿孔声学超材料吸声结构实施例的示意图，图2是图1所示多层的穿孔声学超材料吸声结构的爆炸图。

一种多层的穿孔声学超材料吸声结构，包括由上至下依次叠加设置的第一层棉毡1、穿孔薄膜2、第一穿孔棉毡3、第一非穿孔薄膜4、第二穿孔棉毡5、第二非穿孔薄膜6、第四层棉毡7，所述穿孔薄膜2上设置有若干薄膜穿孔8，所述第一穿孔棉毡3、第二穿孔棉毡5上设置有若干棉毡穿孔9且一一对应。所述的声学超材料结构尺寸为540mm*540mm。

如图3所示，一一对应的上下两个穿孔构成一个圆柱型空腔，每个空腔上层的穿孔薄膜包含若干直径为1mm的小孔8，空腔中部被第一非穿孔薄膜4分割成上下两部分，于是形成了一个带薄膜的亥姆霍兹共振腔。

图4和图5所示的是所述第一穿孔棉毡3、第二穿孔棉毡5的立体图和俯视图，所述所述第一穿孔棉毡3、第二穿孔棉毡5的棉毡穿孔9的孔径为30mm，孔与孔的中心距离为60mm。棉毡穿孔9的排列方式可以是规则的矩形排列、“品”字形交错排列，或者是无规则的排列。

图6所示的是穿孔薄膜2的结构局部放大示意图，薄膜穿孔8的孔径为1mm，孔与孔之间的距离为6mm。

所述的所述的第一层棉毡1、第一穿孔棉毡3、第二穿孔棉毡5、第四层棉毡7由pet纤维制成；所述的所述的穿孔薄膜2、第一非穿孔薄膜4、第二非穿孔薄膜6属于聚乙烯薄膜。这两种材料目前都是汽车内饰吸隔声零件上的常用材料。本实施例使用3m喷胶将所述第一层棉毡1、穿孔薄膜2、第一穿孔棉毡3、第一非穿孔薄膜4、第二穿孔棉毡5、第二非穿孔薄膜6、第四层棉毡7粘贴在一起，保证每一层之间紧密贴合。

本实用新型根据共振吸声结构的原理在一块平板结构中构造若干阵列的共振腔，以达到共振吸声的目的。共振腔具有开孔薄膜的一侧正对声源入射的方向。当声波从正向入射，经过空腔结构，与空腔发生共振，达到共振吸声的目的。所述第一非穿孔薄膜4会与空腔耦合，改变空腔的固有频率。

将上述实施例的多层穿孔结构和双阻抗材料进行实验对比，得到如图7所示的吸声系数曲线。吸声实验在alphacabin中进行，alphacabin是缩小版的混响室，传感器采用b&k2669麦克风，悬挂于舱顶。样件平放于舱底中央，并用一个等高的金属框套住样件，防止样件边缘吸声。可以看出，在低频段，穿孔的多层吸声声学超材料的吸声性能比双阻抗要好很多，特别在500hz左右明显优于双阻抗材料。而且可以有效实现产品轻量化，易于加工、成本低廉使得其在各种领域有很好的应用前景。

上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。根据热防护要求，系统可调整为集成隔热及储热的热防护系统、集成热反射及隔热的热防护系统和集成热反射及储热的热防护系统；根据热防护要求，储热材料既可以采用一次性使用的材料，也可采用可多次循环使用的材料。凡依本实用新型的内容所作的均等变化与修饰，均为本实用新型权利要求所要求保护的范围。