隔声通流且强化传热的声学超材料单元、复合结构及制备

隔声通流且强化传热的声学超材料单元、复合结构及制备
【专利摘要】本发明涉及隔声通流且强化传热的声学超材料结构单元，其包括边框、在所述的边框内设置有约束体，在边框的上下表面的至少一个表面上覆盖有薄膜；所述约束体和薄膜上均设置有至少一个孔。另外，本发明还提供了含有声学超材料结构单元的声学超材料复合板和复合结构，以及调频方法和装配方法。所述结构单元既能在宽频带内具有优于普通穿孔板或微穿孔板的隔声能力，又可以保证足量热流、气流或液流能够顺利通过；并且通过自身结构在声波激励下产生的单元局域振动，提高孔两侧流体介质的热量扩散速率以及加快对流换热效率。该声学超材料结构单元及其阵列复合结构具有装配工艺简单、工作性能稳定的特点。
【专利说明】
隔声通流且强化传热的声学超材料单元、复合结构及制备
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种隔声、通流且能够提高热量扩散速率以及加快对流换热效率的声 学超材料结构单元及含有其的阵列复合结构，适用于制作结构轻薄、低频隔声效果好且能 够保证足量热流、气流或液流顺利通过的结构壳体、隔声板、隔声罩或消声器，属于材料领 域。
【背景技术】
[0002] 热能动力设备如：蒸汽机、内燃机、燃气涡轮机等、大型电机、计算机主机、电气设 备和制冷设备等的壳体结构对散热通流的要求很高，以保证设备的正常运行，同时它们还 需要降低噪声，以减少对环境的噪声污染。
[0003] 为了调和散热通流和隔声降噪之间的矛盾，现有技术的常用解决方案是在结构壳 体或包覆的隔声罩上增加散热通流装置（中国公开的专利有：CN2411327Y，CN1710239A， CN200943422Y，CN104153695A，CN204099057U)。然而，这些附加的散热通流装置包括较长的 通流管路，甚至为了增强对流需要在管路上安装风扇或栗机等动力设备。这些管路和动力 设备不仅增加了系统复杂性和制造维护成本，而且还会产生管路和机械噪声。另一种实施 方便的低成本方案是采用孔隙面积足够大的普通穿孔板或格栅板制作壳体或隔声罩，但这 些结构在机电噪声能量占主的中、低频段(如1000赫兹以下）的隔声效果非常差。
[0004] 直径小于1毫米的微穿孔板衬以一定间隔的背板，可以在中、高频设计出较高的隔 声量，其工作机理:微穿孔板与背板间的空腔构成一组亥姆霍兹共振吸声体(HeImhoItz Resonant Absorber)，当穿孔中入射声波的频率与亥姆霍兹共振吸声体的特征频率一致， 气流与空腔结构共振摩擦，导致大量声能转为热能耗散，提高该共振频率的吸声效果。受限 于工作机理，若欲采用微穿孔板结构实现满意的降噪效果，背板结构不可或缺（中国公开的 专利有：CN101645263B，CN202986208U，CN102543061B，CN102077272B，CN102842303B, CN104700827A，CN105065337A，CN105222474A;美国专利：US6868940B1，US20110100749A1, US008381872B2，US008469145B2)。而背板结构的存在又不可避免地影响到散热通流的效 果。
[0005] 此外，2014年，美国物理联合会期刊《AIP Advances》公开了一种用于建筑居室的 通气隔声窗（2014 年，Sang-Hoon Kin 等，Air Transparent Soundproof Window，AIP Advances 4,117123.;美国专利:US20160071507A1)。该隔声窗基于与微穿孔板类似的空腔 共振耗能原理提高隔声量，是由带圆柱孔的共振腔室声学单元构成的阵列结构。其中，用于 通流的孔直径最大为50毫米，硬质亚克力材料制作的共振腔室声学单元的边长为150毫米， 厚度为40毫米，最低阶共振频率在1000赫兹附近，能够实现比微穿孔板更好的中、低频隔声 效果。然而，若欲实现更低频段的有效隔声，其结构尺寸将做得非常大，难以用于对空间尺 寸要求高的场合。更重要的是，透过该孔的流量降低了各频段的隔声效果，尤其是对于波长 大于孔径的低频声波。
[0006] 声学超材料(Acoustic Metamaterial)，尤其是薄膜型声学超材料（2008年， Z·Yang等，Membrane-Type Acoustic Metamaterial with Negative Dynamic Mass， Physical Review Letters 101,204301.)的出现使得人们可以利用厚度和晶格尺寸小于 声波波长两个数量级的轻薄结构有效隔离低频声波的传播，即可用厘米级结构阻隔波长为 米级的百赫兹噪声。薄膜型声学超材料基于局域共振原理（2000年，Zhengyou Liu等， Locally Resonant Sonic Materials，Science 289,1734·)，其典型结构包括三种基本单 元，即硬质框架、弹性薄膜以及配重质量块。其工作机理在于硬质框架分隔出单个不连通小 区域，内部的配重质量块在入射声波激励下产生强烈振动，进而促使弹性薄膜产生反共振 振动模式，使得整体区域的法向振动位移求和为零，从而实现对入射声波的全部反弹，减少 透射侧的声能。基于此原理的薄膜型声学超材料专利均要求整体结构不透气（中国公开的 专利有：CN1664920A，CN102237079A，CN101908338B，CN103594080A，CN103810991A， 〇則0 3996395厶，〇則05118496厶，美国专利：1]500739589882，1]520130087407八1， US20140339014A1，US20150047923A1)。这必然限制了该类声学超材料应用于对散热通流 要求高的场合。
[0007] 2013年，美国应用物理快报刊发了一篇论文（Guancong Ma等，Low-frequency Narrow-band Acoustic Filter with Large Orifice,Applied Physics Letters 103, 011903.)，首次提出了一种具有孔的薄膜型声学超材料结构(美国专利:US20160027427A1， 中国专利:CN105122348A)。该结构中间存在一个用于散热通流的孔，紧靠孔四周正则分布 了四块不透气的带配重质量块的薄膜型声学超材料结构单元。在特定声学频率下，声学超 材料结构单元的配重质量块和弹性薄膜形成大幅度局域共振，共同产生用于抵消过孔声波 的声压，实现在该频带的有效隔声。然而，该结构的有效隔声频带非常窄，仅几十赫兹。该文 作者认为其原因在于，仅在靠近共振频率的共振频段，四周的声学超材料结构单元才能产 生足够量级的反相声波与过孔声波远场抵消。

【发明内容】

[0008] 本发明解决的技术问题是提供一种能够同时克服现有薄膜型声学超材料的结构 不透气和透气声学超材料的工作带宽窄的问题缺陷的技术方案，进一步地，本发明提供一 种宽频隔声效果好且具有良好的散热通流的声学超材料结构单元，其在机电噪声能量的主 要频段，如数百赫兹，具有工作频带较宽的优良隔声性能，又可保证足量热流、气流或液流 能够顺利通过。
[0009] 本发明还提供一种能够强化传热的声学超材料结构单元，其一方面通过自身结构 在声波激励下的振动提高孔两侧介质的热量扩散速率；同时地，另一方面，当有流体通过 时，结构单元的振动可以阻碍热边界层和速度边界层的形成，能够增加热源贴壁处的流体 湍流度，加快了换热效率;同时地，其利用通过孔声波与薄膜反弹声波的正负抵消实现高隔 声量，最终达到了隔声、通流、强化传热的效果。
[0010] 本发明还提供一种声学超材料结构单元阵列复合结构，其通过将工作在不同频率 的声学超材料结构单元面内组合拼接或者面外纵向堆叠，实现显著拓宽整体复合结构的有 效工作带宽的效果。
[0011] 具体来说，本发明的技术方案如下：
[0012] -种声学超材料结构单元，其包括边框、在所述的边框内设置有约束体，在边框 的上下表面的至少一个表面上覆盖有薄膜;所述约束体和薄膜上均设置有至少一个孔。
[0013] 所述的边框和约束体通过刚性连接，穿孔柔性薄膜覆盖在边框上下表面，并受约 束体约束。所述边框最终形成四周闭合的结构，约束体设置在其内部，在边框的上下表面的 至少一个上覆盖有薄膜。
[0014] 其中，所述边框内至少设置一个有孔的约束体。
[0015] 其中，所述约束体和薄膜上孔的形状、位置和大小相同或不同；优选所述约束体和 薄膜上孔的形状、位置和大小相同。
[0016] 其中，所述的约束体上孔的大小根据通过的流体流量以及隔声工作频段确定。 [0017]在确定孔的大小过程中，通常是根据通过的流体流量以及隔声工作频段两方面而 定，例如对通流效率要求较高的场合，孔的大小应足够大，从而尽量减少流量损耗和压降影 响；对隔声工作频段倾向于低频的场合，在保证边框和薄膜的几何尺寸和材料参数不变的 前提下，小尺寸孔使得隔声工作频段趋向于低频。
[0018] 其中，所述约束体上孔的形状为对称规则的几何形状，优选所述几何形状为圆形。
[0019] 其中，所述边框的上下表面上均覆盖有穿孔柔性薄膜;优选两层穿孔柔性薄膜的 厚度及材料不同。当厚度及材料不同时，有利于拓展工作带宽。
[0020] 所述有孔的约束体与边框的至少一个表面齐平。
[0021] 其中，在上下两层薄膜中间填充多孔材料;优选所述多孔材料为玻璃纤维棉或开 闭孔泡沫。
[0022] 其中，所述的边框的形状使其在单元面内周期阵列时可实现最大面积占比；优选 形状是矩形、正方形或正六边形。
[0023]其中，所述约束体与薄膜线接触或面接触;优选接触形成的形状是对称规则的几 何形状;更优选所述的几何形状为圆形、正方形或正多边形。
[0024]其中，所述的边框和有孔约束体的材料分别为铝材、钢材、木材、橡胶、塑料、玻璃、 石膏、水泥、高分子聚合物或复合纤维材料;所述薄膜的材料为高分子聚合物薄膜材料、金 属薄膜或弹性薄膜，所述高分子聚合物薄膜材料优选为聚氯乙烯膜、聚乙烯膜或聚醚酰亚 胺膜;所述金属薄膜优选铝及铝合金膜、钛及钛合金膜，所述弹性薄膜优选橡胶膜、硅胶膜 或乳胶膜。
[0025]本发明还提供一种包含上述声学超材料基本结构单元的声学超材料板。
[0026] 其中，所述声学超材料板是声学超材料结构单元在面内方向组合拼接而成。
[0027] 形成声学超材料复合板的所述各个声学超材料结构单元的几何尺寸和材料参数 可以是不同或相同，不严格限制为相同。
[0028] 本发明还提供一种包含声学超材料板的声学超材料复合结构
[0029] 其中，所述是声学超材料复合结构是通过多层所述的声学超材料板面外方向纵向 堆叠而成的声学超材料板阵列。所述多层声学超材料板的几何尺寸和材料参数可以是不同 或相同，不严格限制为相同。
[0030] 所述声学超材料复合结构含有普通声学材料制成的普通声学材料单元或普通声 学材料板。
[0031] 所述普通声学材料板是玻璃纤维棉、开闭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] 所述多层声学超材料板之间的空隙以及声学超材料板与普通声学材料板之间的 空隙均填充多孔材料。
[0033] 本发明还提供一种调节所述声学超材料结构单元或者所述声学复合结构的隔声 频段的方法，通过改变所述声学超材料的边框、约束体及薄膜的结构尺寸和材料参数来实 现调节声学超材料的工作频率
[0034] 本发明还提供一种装配所述声学超材料结构基本单元的方法，其特征在于，有孔 约束体和边框采用一体成型技术制备得到或者制造有孔约束体预制件和边框预制件，将有 孔约束体预制件通过刚性连接到边框预制件上组成单元框架，之后将薄膜在自由伸展状态 下覆盖在单元框架上，并进行固定连接，最后在薄膜上进行打孔;优选通过铣削、铸造、冲 压、激光切割或3D打印技术加工成一体成型的单元框架，或者通过铣削、铸造、冲压、激光切 割或3D打印技术制造出有孔约束体预制件和边框预制件;优选固定连接为胶粘、热焊接或 机械铆接。
[0035] 另外，本发明提供一种装配所述声学超材料板的方法，将装配后的所述的声学超 材料结构单元边框进行刚性或柔性连接，或者采用楔形连接件组合成具有一定曲度的声学 超材料板;或者将有孔约束体和边框通过一体成型将其加工为整体声学超材料板框架，之 后将薄膜在自由伸展状态下覆盖在整体声学超材料板框架上，并进行固定连接，最后在薄 膜上进行打孔;此时各声学超材料结构基本单元共用同样材料同样厚度的薄膜;优选通过 铣削、铸造、冲压、激光切割或3D打印技术加工成一体成型的单元框架或整体声学超材料板 框架，或者通过铣削、铸造、冲压、激光切割或3D打印技术制造出有孔约束体预制件和边框 预制件;优选固定连接为胶粘、热焊接或机械铆接。
[0036] 本发明还提供一种装配所述声学超材料复合结构的方法，将多孔材料制造成小块 单元填充进所述的声学超材料结构单元的边框与有孔约束体之间的空隙，然后将一整块普 通声学材料板预先打孔或将其与所述的声学超材料板配合打孔后，将其彼此接触并固定连 接得到;优选通过筑模、剪裁、冲压方式制成多孔材料小块单元;优选所述普通声学材料板 与声学超材料板之间的接触方式采用直接接触或者通过弹性垫支承，以隔离不同声学材料 板之间的振动传递;优选固定连接为胶粘、热焊接或机械铆接。
[0037] 进一步地，本发明更具体的技术方案如下：
[0038] -种声学超材料结构单元，其特征在于，其包括边框、在所述的边框内设置有有孔 的约束体，在边框的至少一个表面上覆盖有穿孔柔性薄膜。其中，所述的边框和其内的有孔 约束体通过刚性连接杆连接，穿孔柔性薄膜覆盖在边框侧面，并受约束体约束。其中，所述 边框内至少有一个有孔的约束体。其中，所述边框的两个侧面均覆盖有穿孔柔性薄膜;优选 两层穿孔柔性薄膜的厚度及材料不相同。其中，在两层穿孔柔性薄膜中间填充多孔材料;优 选所述多孔材料为玻璃纤维棉或开闭孔泡沫。其中，所述的边框的形状使其在单元面内周 期阵列时可实现最大面积占比；优选形状是矩形、正方形或正六边形。其中，所述的有孔的 约束体与边框的至少一个表面齐平。其中，所述的有孔约束体与柔性薄膜线接触或面接触； 优选接触形成的形状是对称规则的几何形状;更优选所述的几何形状为圆形、正方形或正 多边形。其中，所述的约束体上孔的形状为对称规则的几何形状，优选所述的几何形状为圆 形。其中，所述的约束体上孔的大小视通过的流体流量以及隔声工作频段而定。其中，所述 的边框和有孔约束体的材料分别为铝材、钢材、木材、橡胶、塑料、玻璃、石膏、水泥、高分子 聚合物或复合纤维材料。其中所述的穿孔柔性薄膜的材料为柔性材料;所述薄膜的材料为 高分子聚合物薄膜材料，如聚氯乙烯膜、聚乙烯膜、聚醚酰亚胺膜等，或金属薄膜，如铝及铝 合金膜、钛及钛合金膜等，或弹性薄膜，如橡胶膜、硅胶膜、乳胶膜等。其中，所述的穿孔柔性 薄膜的孔形状与大小不受约束体上孔的形状和大小限制，优选的是两者形状和大小一致。
[0039] 更具体地，本发明还提供一种由所述声学超材料结构单元面内方向组合拼接而成 的声学超材料板。其中，所述声学超材料结构单元的几何尺寸和材料参数不严格限制相同。 本发明还提供一种由所述的声学超材料板与普通声学材料组合构成的声学复合结构。其 中，所述的普通声学材料可以为多孔材料，如玻璃纤维棉或开闭孔泡沫，普通穿孔板或微穿 孔板，阻尼材料板等。本发明还提供一种由多层所述的声学超材料板面外方向纵向堆叠而 成的声学超材料复合板。其中，所述多层声学超材料板的几何尺寸和材料参数不严格限制 相同。其中，所述多层声学超材料板之间的空隙可以填充多孔材料，利用相邻两层声学超材 料板产生的近场波来回反射提高该区域的声能密度，进而提高多孔材料的吸声效率，最终 提高整体复合板的隔声性能。本发明还提供一种调节所述声学超材料结构单元，所述声学 超材料板及所述声学超材料复合板的工作频段的方法，其特征在于，通过改变所述声学超 材料结构单元的边框、约束体、约束体孔、柔性薄膜及柔性薄膜孔的结构尺寸或材料参数来 实现可调的工作频率。本发明还提供一种装配所述声学超材料板的方法，将所述的声学超 材料结构单元边框直接刚性或柔性连接，或者采用楔形连接件组合成具有一定曲度的声学 超材料板。
[0040] 与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0041] 1)所述的声学超材料结构单元含有孔，其大小可根据通过流体的流量以及需要隔 声的主要频段确定，能够保证足量热流、气流或液流顺利通过的同时，在机电噪声能量的主 要频段，如数百赫兹，具有工作频带较宽的优良隔声性能。
[0042] 2)所述的声学超材料结构单元不需要安装配重质量块/重物，不会发生配重质量 块/重物工作过程中的意外脱落形成异物甚至危及内部设备安全运作的情况，使得隔声材 料的工作稳定性加强，服役时间增长。由于简化了装配工艺，成本进一步压缩，有更强的市 场竞争力。
[0043] 3)所述的声学超材料结构单元亦不同于简单的无配重质量块/重物的均匀薄膜声 学超材料(美国专利:US20140339014A1)。通过与边框刚性相连的约束体调节柔性薄膜的弯 曲刚度，进而改变整体单元的振动频率。换言之，约束体的使用可以有选择性的抑制和创造 柔性薄膜的特定阶振动模式，增加了单元表面竖直方向的设计自由度。
[0044] 4)所述的声学超材料结构单元，一方面通过自身结构在声波激励下的振动提高孔 两侧介质的热量扩散速率;另一方面，当有流体通过时，结构单元的振动可以阻碍热边界层 和速度边界层的形成，能够增加热源贴壁处的流体湍流度，从而加快了换热效率。
[0045] 5)所述的声学超材料结构单元可独立工作，声学性能由自身基本单元或广义单元 决定，可以进行模块化组合拼接装配形成多种形状的声学超材料板。所述的边框和有孔约 束体可采用筑模、冲压、化学腐蚀等批量化加工工艺，加工难度小。
[0046] 6)在装配所述的声学超材料单元时，将薄膜在自由伸展状态下覆盖在单元框架 上，避免了薄膜在承受预拉力状态下进行装配后，随着工作时间增长及工作状态的变化，薄 膜面内储存的预拉力释放造成的工作频段漂移现象。
[0047] 7)所述的声学超材料板可以进行面外纵向堆叠形成声学超材料复合板，显著拓宽 整体声学超材料复合板的有效工作带宽，从而以极小的面密度和空间代价，实现宽频段内 优秀的降噪效果。
[0048] 8)所述的声学超材料板及其复合板上的孔大小及分布情况可根据需要通过流体 的流量分布以及需要隔声的噪声源发出的噪声频段分布进行针对性设计，具有优秀的可定 制性。
[0049] 9)由于每块构成声学超材料板及其复合板的声学超材料结构单元无需安装配重 质量块/重物，并且采用刚性连接杆连接约束体和边框，从而强化了整体板的支撑强度，因 此所述的声学超材料板及其复合板可以直接用于制作外壳结构，无需附着壁面。
[0050] 10)本发明通过将声学超材料单元的薄膜和约束体上设置有孔，通过孔的声波与 薄膜反弹声波在远场正负抵消实现低频段高隔声量，并且通过将工作在不同频率的声学超 材料单元面内阵列组合、面外纵向堆叠以及与普通声学材料板进行组合构成声学复合结构 的方式，显著拓宽隔声工作带宽；同时地，通过所设置的孔可以实现流体的自由通过，并且 充分利用薄膜在声波激励和/或流场激励下产生的振动达到了良好的热扩散速率和换热效 率，最终同时达到宽频隔声效果好且具有散热通流的效果。也就是说，本发明创造性地将声 学超材料单元的薄膜和框内约束体上设置有孔，巧妙地解决了宽频隔声同时散热通流的技 术问题，这是本领域技术人员一直渴望解决而没有解决的技术难题。
【附图说明】
[0051] 图1为本发明声学超材料结构单元及其面内阵列形成的声学超材料板示意图。
[0052] 图2为本发明实施例1声学超材料结构单元及其面内阵列形成的基本型声学超材 料板示意图。
[0053]图3为本发明实施例1所述的基本型声学超材料板在通风对流情况下的稳定态温 度场分布有限元仿真计算结果。
[0054]图4为本发明实施例1所述的声学超材料结构单元、同等面密度且具有同样大小孔 的普通穿孔板和同等面密度同样穿孔率的微穿孔板的法向入射传声损失（Sound Transmission Loss，简写为STL)有限元仿真计算模型示意图。
[0055] 图5为本发明实施例1所述的声学超材料结构单元、同等面密度且具有同样大小孔 的普通穿孔板单元和同等面密度同样穿孔率的微穿孔板单元的法向入射传声损失有限元 仿真计算结果对比图。
[0056] 图6为本发明实施例1所述的声学超材料结构单元、同等面密度且具有同样大小孔 的普通穿孔板单元和同等面密度同样穿孔率的微穿孔板单元在440Hz频率声波激励条件 下，入射空腔和透射空腔的空气粒子速度方向的有限元仿真结果。
[0057]图7为根据ASTM E2611-09标准采用四传声器法测量声学材料样品的法向入射传 声损失的声阻抗管测试系统示意图。
[0058]图8为本发明实施例1所述的基本型声学超材料板样品、同等面密度且具有同样大 小孔的普通穿孔板样品和同等面密度同样穿孔率的微穿孔板样品的法向入射传声损失试 验测量结果与有限元仿真计算结果的对比图。
[0059]图9为本发明实施例2声学超材料结构单元及其面内阵列形成的轻薄型声学超材 料板示意图。
[0060] 图10为本发明实施例2所述的轻薄型声学超材料板样品的法向入射传声损失试验 测量结果。
[0061] 图11为本发明实施例3声学超材料结构单元及其面内阵列形成的含不同参数单元 的声学超材料板示意图。
[0062] 图12为本发明实施例3所述的含不同参数单元的声学超材料板样品的法向入射传 声损失试验测量结果。
[0063] 图13为本发明实施例4声学超材料结构单元及其面内阵列形成的含大尺寸孔的声 学超材料板示意图。
[0064] 图14为本发明实施例4所述的含大尺寸孔的声学超材料板样品的法向入射传声损 失试验测量结果。
[0065] 图15为本发明实施例4派生出的两类含大尺寸孔的声学超材料结构单元示意图。
[0066] 图16为本发明实施例5具有不同结构形式边框及约束体连接杆的声学超材料结构 单元结构示意图。
[0067] 图17为本发明实施例5所述的具有圆形边框及单臂约束体连接杆的声学超材料结 构单元及其面内阵列形成的声学超材料板样品的法向入射传声损失试验测量结果。
[0068] 图18为本发明实施例6双面贴膜声学超材料结构单元示意图。
[0069]图19为在本发明实施例6所述的双面贴膜声学超材料结构单元基础上，在两块穿 孔柔性薄膜之间的空隙填充多孔材料构成的声学超材料结构单元示意图。
[0070] 图20为本发明实施例6所述的双面贴膜声学超材料结构单元面内阵列形成的声学 超材料板样品与实施例1所述的单面贴膜的基本型声学超材料板样品的法向入射传声损 失试验测量结果对比图。
[0071] 图21为本发明实施例6所述的双面贴膜声学超材料结构单元面内阵列形成的声学 超材料板样品与实施例6所述的双面贴膜并填充多孔材料声学超材料结构单元面内阵列形 成的声学超材料板样品的法向入射传声损失试验测量结果对比图。
[0072] 图22为在本发明实施例7强化传热声学超材料结构单元的第一种构型示意图。
[0073] 图23为在本发明实施例7强化传热声学超材料结构单元的第二种构型示意图。 [0074]图24为在本发明实施例7强化传热声学超材料结构单元的第三种构型示意图。
[0075] 图25为本发明实施例7所述的第一种构型的强化传热声学超材料结构单元面内阵 列形成的声学超材料板样品的法向入射传声损失试验测量结果。
[0076] 图26为本发明实施例8声学超材料板与普通声学材料组合构成的声学复合结构示 意图。
[0077] 图27为本发明实施例8所述的声学超材料板与多孔材料组合构成的声学复合结构 样品的法向入射传声损失试验测量结果。
[0078] 图28为本发明实施例9两层声学超材料板中间拉开一定间距后构成的声学超材料 复合板示意图。
[0079]图29为本发明实施例9所述的两层声学超材料板中间拉开一定间距后，在该间距 内插入一层多孔材料，最终构成的声学超材料复合板示意图。
[0080]图30为本发明实施例9所述的声学超材料复合板样品的法向入射传声损失试验测 量结果。
[0081 ]图31为本发明实施例10所述的曲面形状声学超材料板示意图。
[0082]其中，1-声学超材料结构单元，2-边框，3-有孔约束体，4-约束体孔，5-连接杆，6-穿孔柔性薄膜，7-薄膜孔，8-实施例1所述的基本型声学超材料板边框，9-实施例1所述的整 张穿孔柔性薄膜，10-实施例1所述的薄膜孔，11-实施例1所述的有孔约束体，12-实施例1所 述的约束体孔，13-实施例1所述的双臂连接杆，14-实施例1所述的声学超材料结构单元， 15-实施例1所述的基本型声学超材料板，16-热源室，17-透热室，18-热源，19-空气流入方 向，20-同等面密度且具有同样大小孔的普通穿孔板单元，21-同等面密度且具有同样穿孔 率的微穿孔板单元，22-入射声腔，23-透射声腔，24-声阻抗管声源，25-声阻抗管入射声管， 26-声阻抗管透射声管，27-声阻抗管末端吸音尖劈，28-传声器固定端子，29-传声器，30-测 试样品，31-入射声波，32-实施例2所述的轻薄型声学超材料板边框，33-实施例2所述的整 张穿孔柔性薄膜，34-实施例2所述的薄膜孔，35-实施例2所述的有孔约束体，36-实施例2所 述的约束体孔，37-实施例2所述的双臂连接杆，38-实施例2所述的声学超材料结构单元， 39-实施例3所述的含不同参数单元的声学超材料板边框，40-实施例3所述的整张穿孔柔性 薄膜，41-实施例3所述的薄膜孔，42-实施例3所述的有孔约束体，43-实施例3所述的约束体 孔，44-实施例3所述的双臂连接杆，45-实施例3所述的声学超材料结构单元，46-实施例4所 述的含大尺寸孔的声学超材料板边框，47-实施例4所述的约束体大尺寸孔，48-实施例4所 述的含小尺寸孔约束体，49-实施例4所述的约束体小尺寸孔，50-实施例4所述的双臂连接 杆，51-实施例4所述的基本声学超材料结构单元，52-实施例4所述的整张穿孔柔性薄膜， 53-实施例4所述的薄膜小尺寸孔，54-实施例4所述的薄膜大尺寸孔，55-实施例4所述的广 义声学超材料结构单元的边框，56-实施例4所述的广义声学超材料结构单元的有孔约束 体，57-实施例4所述的广义声学超材料结构单元的连接杆，58-实施例4所述的广义声学超 材料结构单元，59-实施例4派生出的一类广义声学超材料结构单元边框，60-实施例4派生 出的一类广义声学超材料结构单元的有孔约束体，61-实施例4派生出的一类广义声学超材 料结构单元的约束体孔，62-实施例4派生出的一类广义声学超材料结构单元的第一种形式 的连接杆，63-实施例4派生出的一类广义声学超材料结构单元的穿孔柔性薄膜，64-实施例 4派生出的一类广义声学超材料结构单元的薄膜孔，65-实施例4派生出的一类广义声学超 材料结构单元的第二种形式的连接杆，66-实施例5所述的圆形边框，67-实施例5所述的约 束体孔，68-实施例5所述的约束体，69-实施例5所述的双臂连接杆，70-实施例5所述的正六 边形边框，71-实施例5所述的单臂连接杆，72-实施例5所述的长方形边框，73-实施例6所述 的双面贴膜声学超材料结构单元边框，74-实施例6所述的第一层穿孔柔性薄膜，75-实施 例6所述的第二层穿孔柔性薄膜，76-实施例6所述的第一层穿孔柔性薄膜孔，77-实施例6所 述的第二层穿孔柔性薄膜孔，78-实施例6所述的有孔约束体，79-实施例6所述的双臂连接 杆，80-空腔间隙，81-实施例6所述的约束体孔，82-实施例6所述的多孔材料，83-实施例6所 述的多孔材料孔，84-实施例7所述的强化传热声学超材料结构单元边框，85-实施例7所述 的第一层穿孔柔性薄膜，86-实施例7所述的第二层穿孔柔性薄膜，87-实施例7所述的第二 层穿孔柔性薄膜孔，88-实施例7所述的第二层穿孔柔性薄膜上的附加圆形孔，89-实施例7 所述的第一层穿孔柔性薄膜孔，90-实施例7所述的有孔约束体，91-实施例7所述的约束体 孔，92-实施例7所述的双臂连接杆，93-实施例7所述的第二层穿孔柔性薄膜上的附加不同 形状不同大小的孔，94-实施例7所述的弹性膜片，95-实施例8所述的声学超材料板框架， 96-实施例8所述的声学超材料板的整块穿孔薄膜，97-实施例8所述的普通声学材料，98-实 施例9所述的第一层声学超材料板框架，99-实施例9所述的第一层声学超材料板的整块穿 孔薄膜，100-实施例9所述的第二层声学超材料板的框架，101-实施例9所述的第二层声学 超材料板的整块穿孔薄膜，102-两层普通声学材料及其之间的空气间隙，103-实施例9所述 的多孔材料，104-实施例10所述的曲面形状声学超材料基本单元，105-实施例10所述的楔 形连接件。
【具体实施方式】
[0083]为了充分说明本发明解决技术问题所实施使用的技术方案。下面结合实施例和附 图对发明做详细说明，但本发明的技术方案、技术方案的实施方式以及保护范围并不仅仅 限于此。
[0084] 本发明所述声学超材料一般是指:其是人工设计的一种微观结构，具有自然界普 通材料无法实现的声学特性，如控制低频声波所需的"负质量"、"负体积模量"特性等，本领 域认为声学超材料是一种结构形式，其构成材料仍是普通材料，所述声学超材料是本领域 技术人员公知的。
[0085] 本发明提供一种隔声透气且强化传热的声学超材料结构单元，所述的声学超材料 结构单元包括边框、至少一个有孔约束体和至少一个侧面铺贴穿孔柔性薄膜。所述的多个 声学超材料结构单元在面内方向组合拼接分布形成声学超材料板，优选的是多个声学超材 料结构单元的构成尺寸及材料参数不一致。所述的声学超材料板可以与普通声学材料组合 构成声学复合结构。所述的多层声学超材料板可以进行面外纵向堆叠形成声学超材料复合 板，优选的是多层声学超材料板的构成尺寸及材料参数不一致。
[0086] 所述的边框和有孔约束体通过刚性连接杆连接，刚性连接杆不限制形状和数量， 穿孔柔性薄膜覆盖在边框之上，并受有孔约束体的轮廓约束。优选的是，所述的有孔约束体 与边框的至少一个表面齐平。
[0087]所述的边框不限制形状，优选的是矩形、正方形或正六边形等可以在单元面内周 期阵列时实现最大面积占比的形状。
[0088] 所述的有孔约束体与所述的穿孔柔性薄膜线接触或面接触;优选接触形成的形状 是对称规则的几何形状;更优选所述的几何形状为圆形、正方形或正多边形。
[0089] 所述的有孔约束体不限制数量。至少有一个有孔的约束体，该约束体通常安置在 边框内无约束体时结构单元共振振动模式的振幅最大区域附近。例如:边框几何形状对称 的无约束体结构单元产生第一个共振振动模式时，中心区域的振幅最大。本发明采用与边 框刚性相连的约束体调节柔性薄膜的弯曲刚度，进而改变整体单元的振动频率。换言之，约 束体的引入可以有选择性的抑制和创造柔性薄膜的特定阶振动模式，增加了声学超材料结 构单元面外方向的设计自由度。
[0090] 所述的约束体上孔的形状为对称规则的几何形状，优选所述的几何形状为圆形， 一方面基于工艺性考虑，另一方面基于流体的通过速率考虑。所述约束体上孔的大小视通 过的流体流量以及隔声工作频段而定。例如对通流效率要求较高的场合，孔的大小应足够 大，从而尽量减少流量损耗和压降影响;对隔声工作频段倾向于低频的场合，在保证边框和 薄膜的几何尺寸和材料参数不变的前提下，小尺寸孔使得隔声工作频段趋向于低频。
[0091 ]所述的边框和有孔约束体由铝材、钢材、木材、橡胶、塑料、玻璃、水泥、高分子聚合 物或复合纤维材料制成，用于满足结构自身支撑强度及工作频段的结构刚性要求。
[0092]所述的穿孔柔性薄膜可以是任何适当柔软的材料，例如类似橡胶的弹性材料或者 类似铝及铝合金膜的金属薄膜，或者类似聚氯乙烯、聚乙烯和聚醚酰亚胺等的高分子聚合 物薄膜材料。
[0093] 所述的穿孔柔性薄膜在与边框和有孔约束体连接时，不需要施加一定的预拉力， 柔性薄膜在自由伸展状态下即可完成装配。柔性薄膜上的孔可以预先加工，或者铺贴好后 再进行穿孔加工。
[0094] 所述的声学超材料结构单元可以通过改变所述的边框、约束体、约束体孔、柔性薄 膜及柔性薄膜孔的结构尺寸或材料参数来实现工作频率的精确设计，实现材料的流体通过 速率和隔声工作频段的可定制。例如：当需要声学超材料单元工作在低频段时，选择小的通 孔或者采用大尺寸的边框，小直径的约束体，更薄的柔性薄膜或弯曲杨氏模量更小的柔性 薄膜;反之，当需要声学超材料单元工作在高频段时，则选择大的通孔或者采用小尺寸的边 框，大直径的约束体，更厚的柔性薄膜或弯曲杨氏模量更大的柔性薄膜。
[0095] 对于边框厚度较大的声学超材料结构单元，为了充分利用现有结构的空间，并且 更好地提高降噪效果。所述的边框两个侧表面均可覆盖穿孔柔性薄膜，而且两层薄膜的厚 度及材料参数均可不同，从而能够同时实现两种不同的主要工作频段。此外，两层薄膜中间 可填充多孔材料，如玻璃纤维棉、开闭孔泡沫等，进一步提升整体结构的吸声耗能性能。
[0096] 所述的声学超材料结构单元，一方面通过自身结构在声波激励下的振动提高孔两 侧介质的热量扩散速率;另一方面，当有流体通过时，结构单元的振动可以阻碍热边界层和 速度边界层的形成，能够增加热源贴壁处的流体湍流度，从而加快换热效率。此外，通过在 一块声学超材料结构单元的另一个侧面铺贴具有多个相同大小圆形穿孔、具有多个不同形 状和尺寸穿孔的柔性薄膜或多个柔性膜片进一步增加附近流场的湍流度。
[0097] 所述的声学超材料结构单元面内方向组合拼接可形成声学超材料板。构成声学超 材料板的声学超材料结构单元，其几何尺寸和材料参数不严格限制相同。所述的声学超材 料结构单元边框可以直接刚性或柔性连接，或者采用楔形连接件组合成具有一定曲度的声 学超材料板，可满足实际工程应用中的非平直面的安装要求。
[0098] 所述的声学超材料板与普通声学材料组合可构成声学复合结构。其中，所述的普 通声学材料可以为多孔材料(如玻璃纤维棉或开闭孔泡沫），普通穿孔板或微穿孔板，阻尼 材料板等。普通声学材料的引入可在不同程度上拓宽原声学超材料板的工作带宽。
[0099]由多层所述的声学超材料板面外方向纵向堆叠可形成声学超材料复合板。所述多 层声学超材料板的几何尺寸和材料参数不严格限制相同。所述的多层声学超材料板之间的 空隙可以填充多孔材料，如玻璃纤维棉、开闭孔泡沫等，利用相邻两层声学超材料板产生的 近场波来回反射提高该区域的声能密度，进而提高多孔材料的吸声效率，因此所述的多孔 材料自身的吸声系数在低频段无需很大，其特征阻抗与薄膜的阻抗尽量匹配，从而避免声 波无法有效进入多孔材料，并且要考虑填充的多孔材料对薄膜弯曲振动刚度带来的影响， 修正原有设计的声学超材料结构单元的工作频率。
[0100]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行说明。
[0101] 图1是本发明的一个【具体实施方式】，其是声学超材料结构单元及其面内阵列形成 的基本型声学超材料板，作为阵列基本元素的声学超材料结构单元（1)的几何尺寸各不相 同，由每个结构单元包含边框(2)，有孔约束体(3)，有孔约束体与边框的双臂连接杆(5)连 接而成。在声学超材料结构单元的上表面覆盖有穿孔柔性薄膜(6)，穿孔柔性薄膜(6)有薄 膜孔(7)，有孔约束体(3)上设置有约束体孔(4)。
[0102] 图2为本发明实施例1所述的声学超材料结构单元及其面内阵列形成的基本型声 学超材料板示意图。其中，作为阵列基本元素的声学超材料结构单元（14)的几何尺寸完全 相同，由每个单元内部的约束体（11 )，约束体孔（12 )，约束体与边框的双臂连接杆（13)构 成。整张连续的穿孔柔性薄膜(9)在不施加任何预张力条件下，自由伸展平铺贴在边框(8) 一侧，薄膜上孔(10)的直径与约束体孔（12)相一致。其中，声学超材料结构单元(14)的边框 为正方形，内边长为27mm，外边长为29mm，厚度为5mm;有孔约束体（11)的外轮廓直径为 l〇mm，约束体上孔12的直径为5mm;穿孔柔性薄膜(9)的厚度为0.05mm，其上孔10的直径亦为 5_;约束体与边框的双臂连接杆(13)为矩形截面，宽4_，高3mm。边框(8)、有孔约束体(11) 以及双臂连接杆（13)的材料相同，均为FR-4玻璃纤维；穿孔柔性薄膜(9)的材质为聚醚酰 亚胺（Polyetherimide) 〇
[0103] 图3为本发明实施例1所述的基本型声学超材料板（15)在通风对流情况下的稳定 态温度场分布有限元仿真计算结果。其中，在有限元仿真模型中以白色圆柱体（18)定义为 热源(Heat Source)，其总功率为10W，白色箭头（19)表示为空气入口方向，该截面的初始温 度设定为20°C，空气的平均流速为0.2m/s，模型中还包括热源室（16)和透热室（17)，两个室 除了基本型声学超材料板15所在的面之外，其余面均设置为绝热壁面。从有限元计算结果 可知，温度场的最高温度为25°C，大部分区域的温度都在室温（20°C)附近，表明实施例1所 述的基本型声学超材料板的通风散热性能良好，热量不会一直积聚在热源周围。因此，在绝 热封闭腔体的一个侧面安装实施例1所述的基本型声学超材料板不存在散热障碍。
[0104] 图4是本发明实施例1所述的声学超材料结构单元（14)、同等面密度且具有同样大 小孔的普通穿孔板单元(20)和同等面密度同样穿孔率的微穿孔板单元(21)的法向入射传 声损失(Sound Transmission Loss,简写为STL)有限元仿真计算模型示意图。其中，在有限 元建模时，三种结构单元的前后侧分别布置入射声腔(22)和透射声腔(23)，入射声波P 1W 入射声腔的一端打到结构单元之上，产生反射声波Pr和透射声波Pt。结构单元的法向入射传 声损失则通过STL = 201〇g1Q I PJPt I计算得出。在有限元模型中，同等面密度且具有同样大 小孔的普通穿孔板单元(20)的厚度为1.2mm，材质为6063牌号铝合金，孔直径为5mm。同等面 密度同样穿孔率的微穿孔板单元21的厚度为1.2mm，材质为6063牌号铝合金，单个孔的直径 为1mm。三种结构单元的面密度为3.56kg/m 2，穿孔率均为2.33 %。
[0105] 图5是本发明实施例1所述的声学超材料结构单元（14)、同等面密度且具有同样大 小孔的普通穿孔板单元(20)和同等面密度同样穿孔率的微穿孔板单元(21)的法向入射传 声损失(Sound Transmission Loss,简写为STL)有限元仿真计算结果对比图。其中，实线对 应声学超材料结构单元14;虚线对应同等面密度且具有同样大小孔的普通穿孔板单元20; 点线对应同等面密度同样穿孔率的微穿孔板单元(21)。据图可知，在680Hz以下频段内，声 学超材料结构单元（14)的法向入射传声损失高于同等面密度且具有同样大小孔的普通穿 孔板单元(20);在880Hz以下频段内，声学超材料结构单元（14)的法向入射传声损失高于同 等面密度同样穿孔率的微穿孔板单元(21);此外，声学超材料结构单元（14)的法向入射传 声损失曲线在440Hz出现了一个明显的尖峰，STL值达到17dB，该尖峰对应的STL值高于同等 面密度且具有同样大小孔的普通穿孔板单元(20)约14dB，高于同等面密度同样穿孔率的微 穿孔板单元(21)约15.4dB。另外，从图中还可以看出同等面密度同样穿孔率的微穿孔板单 元21的低频隔声性能最差，其原因在于单纯的微穿孔板结构由于缺少背板结构，从而无法 形成亥姆霍兹共振吸声体，无法实现有效的声腔共振摩擦耗能。
[0106] 图6为本发明实施例1所述的声学超材料结构单元（14)、同等面密度且具有同样大 小孔的普通穿孔板单元(20)和同等面密度同样穿孔率的微穿孔板单元(21)在440Hz频率声 波激励条件下，入射空腔和透射空腔内的空气粒子速度方向的有限元仿真结果。其中，图6 (a)对应实施例1所述的声学超材料单元（14)的结果；图6(b)对应同等面密度且具有同样大 小通孔的普通穿孔板单元(20)的结果；图6(c)对应同等面密度同样穿孔率的微穿孔板单元 (21)的结果。
[0107] 图7为本发明按照ASTM(美国材料与试验协会，American Society for Testing and Materials)标准E2611-09: "Standard test method for measurement of normal incidence sound transmission of acoustical materials based on the transfer matrix method"，采用四传声器法测试声学材料样品的法向入射传声损失的声阻抗管测试 系统示意图。图中，声阻抗管由入射声管(25)和透射声管(26)组成，在入射声管(25)的端部 安置声源(24)，其产生的宽频白噪声激励声波(31)在到达测试样品（30)之前已经发展成波 前幅值趋于一致的平面声波;而在透射声管(26)的端部安置足够长的吸音尖劈(27)以尽量 减少声波的多次反射对测试结果的影响。此外，位于测试样品30两侧，共开有四个传声器固 定端子(28)，其内插入传声器(29)(型号4187，Brii el&Kjier)，两两分列于入射声管（25)和 透射声管（26)之上。该测试系统的有效测试频段为70Hz~890Hz，涵盖中心频率为80Hz~ 800Hz的三分之一倍频程频段，该频带以外频率上隔声曲线的中心线依然能够较真实的反 映样品的隔声水平。
[0108] 图8为本发明实施例1所述的基本型声学超材料板样品、同等面密度且具有同样大 小孔的普通穿孔板样品和同等面密度同样穿孔率的微穿孔板样品的法向入射传声损失试 验测量结果与有限元仿真计算结果的对比图。其中，图8(a)为实施例1所述的基本型声学超 材料板样品对应结果；图8(b)为同等面密度且具有同样大小通孔的普通穿孔板样品对应结 果;图8(c)为同等面密度同样穿孔率的微穿孔板样品对应结果。
[0109] 图9为本发明实施例2声学超材料结构单元及其面内阵列形成的轻薄型声学超材 料板示意图。其中，作为阵列基本元素的声学超材料结构单元38的结构尺寸完全相同，其在 结构形式上与实施例1的最大区别之处在于，该声学超材料结构单元（38)的有孔约束体 (35)与边框(32)连接采用的双臂连接杆(37)与边框(32)的厚度齐平。由于该声学超材料结 构单元不再考虑连接杆(37)的沉面设计，不但进一步简化了加工复杂程度，而且可以将整 体声学超材料板的厚度做到更薄。
[0110]该实施例中声学超材料结构单元(38)的边框为正方形，内边长为35mm，外框(32) 的宽度为3mm，厚度为1.5mm;有孔约束体(35)的外轮廓直径为12mm，约束体上孔36的直径为 7mm;整张连续的穿孔柔性薄膜(33)，厚度为0.05_，在不施加任何预张力条件下，自由伸展 平铺贴在边框(32)-侧，薄膜上孔(34)的直径与约束体孔(36)的直径一致，即7mm;约束体 (35)与边框(32)刚连所采用的双臂连接杆(37)为矩形截面，宽度为3mm，厚度为1.5mm。边框 (32)、有孔约束体(35)以及双臂连接杆(37)的材料相同，均为Q235A牌号普通碳素钢；穿孔 柔性薄膜的材质为聚醚酰亚胺。该实施例所述的轻薄型声学超材料板的面密度为4.20kg/ m2,穿孔率为3.48 %。
[0111] 图10为本发明实施例2所述的轻薄型声学超材料板样品的法向入射传声损失的试 验测量结果，样品照片位于图中右侧，其外圆直径为225_。
[0112] 图11为本发明实施例3所述的声学超材料结构单元及其面内阵列形成的含不同参 数单元的声学超材料板示意图。其中，作为阵列基本元素的声学超材料结构单元的结构尺 寸不完全相同，其内部约束体的直径及约束体上孔的直径不一。以某一声学超材料结构单 元(45)为例，该声学超材料结构单元(45)的有孔约束体(42)与边框(39)连接采用的双臂连 接杆(44)与边框(39)厚度齐平，结构形式与实施例2所述的轻薄型声学超材料结构单元38 类似。
[0113] 图12为本发明实施例3所述的含不同参数单元的声学超材料板样品的法向入射传 声损失的试验测量结果，样品照片位于图中右侧，其外圆直径为225_。
[0114] 图13为本发明实施例4所述的声学超材料结构单元及其面内阵列形成的含大尺寸 孔的声学超材料板示意图。
[0115] 图14为本发明实施例4所述的含大尺寸孔的声学超材料板样品的法向入射传声损 失试验测量结果，样品照片位于图中左侧，其外圆直径为225_。
[0116] 图15为本发明实施例4派生出的两类含大尺寸孔的声学超材料结构单元示意图。 其中，图15(a)中的含大尺寸通孔的约束体为实施例4中对应单元的内边框仅保留左、右两 边与整体单元的边框连接;图15(b)中的含大尺寸通孔的约束体则为实施例4中对应单元的 内边框保留上、下、左、右四边与整体单元的边框连接。
[0117] 图16为本发明实施例5具有不同结构形式边框及约束体连接杆的声学超材料结构 单元结构示意图。其中，图16(a)中的边框为圆形，含通孔约束体通过双臂连接杆与边框相 连;图16(b)中的边框为正六边形，含通孔约束体通过双臂连接杆与边框相连;图16(c)中的 边框为圆形，含通孔约束体通过单臂连接杆与边框相连；图16(d)中的边框为正六边形，含 通孔约束体通过单臂连接杆与边框相连；图16(e)中将原本相邻的两个正方形单元打通，使 得边框成为一个长方形结构，所述的两个含通孔约束体分别通过单臂连接杆与边框相连。
[0118] 图17为本发明实施例5所述的具有圆形边框及单臂约束体连接杆的声学超材料结 构单元(结构形式如图16(c)所示)及其面内阵列形成的声学超材料板样品的法向入射传声 损失试验测量结果。
[0119] 图18为本发明实施例6所述的双面贴膜声学超材料结构单元示意图，其中18(a)为 单元侧剖视图；图18(b)为该单元的爆炸视图。
[0120] 图19为在图18中所述的本发明实施例6的基础上，在第一穿孔柔性薄膜(74)和第 二穿孔柔性薄膜(75)之间的空隙填充多孔材料(82)的结构示意图，其中19(a)为单元侧剖 视图；图19(b)为该单元的爆炸视图。
[0121] 图20为本发明实施例6所述的双面贴膜声学超材料结构单元面内阵列形成的声学 超材料板样品与实施例1所述的单面贴膜的基本型声学超材料板样品的法向入射传声损失 试验测量结果对比图。其中，空心圆圈代表实施例1所述的单面贴膜的基本型声学超材料板 样品的结果;实线代表实施例6所述的双面贴膜声学超材料板样品的结果。
[0122] 图21为本发明实施例6所述的双面贴膜声学超材料结构单元面内阵列形成的声学 超材料板样品与实施例6所述的双面贴膜并填充多孔材料声学超材料结构单元面内阵列形 成的声学超材料板样品的法向入射传声损失试验测量结果对比图。
[0123] 图22为在本发明实施例7强化传热声学超材料结构单元的第一种构型示意图。其 在一块声学超材料单元的另一个侧面铺贴穿孔柔性薄膜，其上具有多个相同或不同大小的 圆形通孔，在不影响该声学超材料单元隔声性能的同时，通过在柔性薄膜上增加穿孔加强 附近流场的湍流度，其中22(a)为单元等轴测视图；图22(b)为该单元的爆炸视图。
[0124] 图23为在本发明实施例7强化传热声学超材料结构单元的第二种构型示意图。其 在一块声学超材料单元的另一个侧面铺贴穿孔柔性薄膜，其上具有多个不同形状和不同大 小的通孔，在不影响该声学超材料单元隔声性能的同时，通过在柔性薄膜上穿不同形状和 不同大小的孔进一步增加附近流场的湍流度，其中23(a)为单元等轴测视图；图23(b)为该 单元的爆炸视图。
[0125] 图24为在本发明实施例7强化传热声学超材料结构单元的第三种构型示意图。其 在一块声学超材料单元的另一个侧面贴有多个弹性膜片，在不影响该声学超材料单元隔声 性能的同时，通过弹性膜片在入射声波激励下产生的摆动或振动增加附近流场的湍流度或 流体速度，其中24(a)为单元等轴测视图；图24(b)为该单元的爆炸视图。
[0126] 图25为本发明实施例7所述的第一种构型的强化传热声学超材料结构单元面内阵 列形成的声学超材料板样品的法向入射传声损失试验测量结果，样品照片位于图中右侧， 其外圆直径为225_。
[0127] 图26为本发明实施例8所述的声学超材料板与普通声学材料组合构成的声学复合 结构的示意图。其是在声学超材料板(包含框架95和穿孔柔性薄膜96)面向入射声源一侧放 置普通声学材料(97)，包括多孔材料(如玻璃纤维棉或开闭孔泡沫），普通穿孔板或微穿孔 板，阻尼材料等。普通声学材料的引入可在不同程度上拓宽原声学超材料板的工作带宽。
[0128] 图27为本发明实施例8所述的声学超材料板与多孔材料组合构成的声学复合结构 样品的法向入射传声损失试验测量结果，样品照片位于图中右侧，其外圆直径为225mm。其 中，所述的声学超材料板为实施例1所述的基本型声学超材料板，其结构参数和材料构成同 图8(a)所述，所采用的普通声学材料为玻璃纤维棉，其厚度为10mm，名义流阻率为 19000Nsnf 4。据图可知，相较于基本型声学超材料板，该实施例所述的声学复合结构样品的 法向入射传声损失在除去STL尖峰对应的440Hz频段附近外均不同程度的高于基本型声学 超材料板，尤其是在该STL尖峰右侧的中高频段;而在STL尖峰对应的440Hz频段附近，该实 施例所述的声学复合结构样品的STL值略低于基本型声学超材料板，这是由于玻璃纤维棉 的引入相当于增加了原先基本型声学超材料板的结构阻尼，而结构阻尼的作用主要体现在 平缓共振及反共振频率处的振幅。
[0129] 上述提到，对于边框较厚的声学超材料结构单元，可以在其另一个侧面继续铺贴 一层穿孔柔性薄膜，并在两层薄膜内部填充多孔材料，在充分利用内部空间的同时继续提 高整体声学超材料的声学性能。而对于边框较薄的声学超材料结构单元，若在另一个侧面 同样再铺贴一层穿孔柔性薄膜，其两层薄膜内部的空间十分狭窄无法填充多孔材料，而且 两层薄膜由于相靠过近产生强烈的近场耦合，反而破坏原本一层柔性薄膜声学超材料结构 单元的工作条件，导致隔声效果变差。此时，可以考虑将多块薄层边框的声学超材料结构单 元面外纵向堆叠，形成两层或多层声学超材料复合板。
[0130]图28为本发明实施例9所述的两层声学超材料板中间拉开一定间距后构成的声学 超材料复合板示意图。
[0131]图29为本发明实施例9所述的两层声学超材料板中间拉开一定间距后，在该间距 内插入一层多孔材料，最终构成的声学超材料复合板示意图。
[0132] 图30为本发明实施例9所述的声学超材料复合板样品的法向入射传声损失试验测 量结果，样品照片位于图中左侧，其外圆直径为225mm，由两块结构及材料参数相同的声学 超材料板中间夹持玻璃纤维棉构成。
[0133] 图31为本发明实施例10所述的曲面形状声学超材料板示意图。单个本发明所述的 声学超材料结构单元(104)通过楔形连接件（105)组合成具有一定曲度的声学超材料板。该 实施例尤其适合具有一定曲度要求的壳体或安装结构。
[0134] 实施例
[0135] 下面对本发明实施例中的测定方法以及材料来源进行说明。
[0136] 通风对流条件下，声学超材料板的稳定态温度场分布有限元仿真计算方法:基于 商用有限元软件COMSOL Multiphysics 5.2的层流共辄传热稳态分析模块(Laminar Flow Conjugate Heat Transfer Interface ,Stationary)建立声学超材料板的共辄传热有限元 仿真计算模型。该仿真模型包括由声学超材料板组成的"固体传热物理场"、入射和透射空 腔构成的"流体传热物理场"及"层流物理场"。在入射空腔中设置热源，并定义热源(Heat Source)总功率，入射空腔亦称为"热源室"。入射空腔一侧设置为空气入口，并在该截面的 设定初始温度和空气的层流平均流速，在透射空腔一侧设置为空气出口，透射空腔亦称为 "透热室"。两个室除了放置声学超材料板的面之外，其余面均设置为绝热壁面。之后，便可 利用软件内置的稳态求解器进行稳态求解，当求解完成后，再利用软件的后处理模块进行 温度场分布的可视化。
[0137] 声学结构单元的法向入射传声损失的有限元仿真计算方法:基于商用有限元软件 COMSOL Multiphysics 5.2的声-固親合频域分析模块(Acoustic-Solid Interaction, Frequency Domain Interface)建立声学结构单元的有限元仿真计算模型。该仿真模型包 括由三种结构单元构成的"固体力学物理场"及入射和透射声腔构成的"压力声学物理场"， 两个物理场区域通过声-固界面连续性条件相互耦合关联。单元的边界条件定义为Floquet 周期性边界条件以模拟实际整体结构单元的安装条件。在入射声腔设置入射声波为平面声 波(20~1000Hz频段，扫频步长为10Hz)，该平面声波通过入射声腔垂直激励结构单元后， 一部分声能反射，另一部分声能透射进入透射声腔，根据入射波及透射波的压力幅值计算 法向入射传声损失(Sound Transmission Loss，简写为STL):
[0138] STL = 201ogio|Pi/Px
[0139] 式中，P1为入射声压幅值，Pt为透射声压幅值，两者可通过COMSOL软件的后处理模 块直接获取。
[0140] 声阻抗管样品法向入射传声损失的试验测试方法:按照ASTM(美国材料与试验协 会，American Society for Testing and Materials)标准E2611-09: "Standard test method for measurement of normal incidence sound transmission of acoustical materials based on the transfer matrix method"，在声阻抗管中米用四传声器法测试 声学材料样品的隔声量。
[0141] 下述实施例中使用的FR-4玻璃纤维、6063牌号铝合金、Q235A普通碳素钢、聚氯乙 烯膜、聚乙烯膜、聚醚酰亚胺膜等高分子聚合物等材料均为市售购买得到的。
[0142] 实施例1基本型声学超材料板的制备及性能测定
[0143] 下面结合附图2-8说明基本型声学超材料板的制备及性能测定。
[0144] 1.基本型声学超材料板样品的制备
[0145] 使用FR-4玻璃纤维通过铣削制成如图2所示的宽度为2mm的边框(8)，该边框包含 一系列具有相同几何形状的声学超材料结构单元（14)，每个单元为正方形，其内边长为 27mm，外边长为29mm，厚度为5mm;同样使用FR-4玻璃纤维制成如图2所示的有孔约束体 (11)，将边框(8)与有孔约束体(11)通过双臂连接杆(13)刚性连接，两者的具体连接方式为 一体成型(铣削加工而成），其中有孔约束体(13的外轮廓直径为10_，其上孔(12)的直径为 5mm，将约束体（11)与边框(8)刚连的双臂连接杆（13)为矩形截面，其宽度为4mm，厚度为 3mm。整块厚度为0.05mm的穿孔柔性薄膜(9)自然伸展状态下铺贴在边框(8)及有孔约束体 (11) 一侧，其上孔(12)的直径同样为5mm，并与约束体上孔(12)-一对应。
[0146] 在实际进行制备操作时，为了避免两结构的孔无法很好一一对应的情况，穿孔柔 性薄膜(9)上的孔(10)可以在穿孔柔性薄膜(9)铺贴好后，再采用钻孔、冲孔、抠挖等方式进 行穿孔操作。穿孔柔性薄膜(9)的材质为聚醚酰亚胺薄膜，其铺贴方式为胶粘。最终便得到 如图2所示的基本型声学超材料板样品。
[0147] 2.基本型声学超材料板样品的性能仿真
[0148] 图3为本发明实施例1所述的基本型声学超材料板（15)在通风对流情况下的稳定 态温度场分布有限元仿真计算结果。其中，在有限元仿真模型中以白色圆柱体（18)定义为 热源，其总功率为IOW，白色箭头（19)表示为空气入口方向，该截面的初始温度设定为20°C， 空气的平均流速为〇 . 2m/s，模型中还包括热源室（16)和透热室（17)，两个室除了放置基本 型声学超材料板(15)的面之外，其余面均设置为绝热壁面。从有限元计算结果可知，温度场 中的最高温度为25°C，大部分区域的温度都在室温(20°C)附近，表明实施例1所述的基本型 声学超材料板的通风散热性能良好，热量不会一直积聚下热源周围。因此，在绝热封闭腔体 的一个侧面安装实施例1所述的基本型声学超材料板不存在散热障碍。
[0149 ]为了减少计算冗杂度，在计算实施例1所述的声学超材料板的法向入射传声损失 的有限元模型中，仅采用一个声学超材料结构单元，将该单元的边界条件设置为Floquet周 期性边界条件，以此来模拟整块声学超材料板的边界安装情况。如图4所示，在有限元建模 时，声学超材料结构单元（14)的前后侧分别布置入射声腔（11)和透射声腔（12)，并且两个 声腔的端面均设置为声吸收边界，避免声波的多次反射影响计算结果。入射声波P 1从入射 声腔（11)的一端打到结构单元之上，产生反射声波Pr和透射声波Pt。结构单元的法向入射传 声损失则通过STL = 201ogio I Ρι/Ρτ I计算得到。
[0150] 3.基本型声学超材料板样品的性能测试
[0151] 按照ASTM颁布的E2611-09标准，采用四传声器法测试声学超材料板样品的法向入 射传声损失，测试系统的示意图如图7所示。该测试系统中的声阻抗管由入射声管(25)和透 射声管（26)组成，在入射声管（25)的端部安置声源（24)，其产生的宽频白噪声激励声波 (31)在到达测试样品（30)之前已经发展成波前幅值趋于一致的平面声波，垂直打到测试样 品30的前表面;而在透射声管26的端部安置足够长的吸音尖劈(27)以尽量减少声波的多 次反射对测试结果的影响。此外，位于测试样品（30)两侧，共开有四个传声器固定端子 (28)，其内插入传声器(29)(型号4187 ,Briiel&Kji?r )，两两分列于入射声管（25)和透射声 管（26)之上。通过四个传声器测得的声压频谱并作传递函数，最终计算得到声学超材料板 样品的法向入射传声损失。该测试系统的有效测试频段为70Hz~890Hz，涵盖中心频率为 80Hz~800Hz的三分之一倍频程频段，该频带以外频率上隔声曲线的中心线依然能够较真 实的反映样品的隔声水平。因此，样品隔声测试结果给出的频段上限到1600Hz，仍然可以真 实有效反映样品的隔声量。
[0152] 4.与现有技术的对比
[0153] 这里主要对比实施例1所述的基本型声学超材料板与同等面密度同样穿孔率的普 通穿孔板和微穿孔板的法向入射传声损失。参照图4,其中同等面密度且具有同样大小孔的 普通穿孔板单元20的厚度为1.2mm，材质为6063牌号铝合金，孔直径为5mm;同等面密度同样 穿孔率的微穿孔板单元(21)的厚度为1.2mm，材质同样为6063牌号铝合金，其单个孔的直径 为1mm。三种结构单元的面密度均为3.56kg/m 2，穿孔率均为2.33 %。
[0154] 图5是三种结构单元的有限元仿真计算结果的对比图。其中，实线对应声学超材料 结构单元（14);虚线对应同等面密度且具有同样大小孔的普通穿孔板单元(20);点线对应 同等面密度同样穿孔率的微穿孔板单元(21)。据图可知，在680Hz以下频段内，声学超材料 结构单元（14)的法向入射传声损失高于同等面密度且具有同样大小孔的普通穿孔板单元 (20);在880Hz以下频段内，声学超材料结构单元（14)的法向入射传声损失高于同等面密度 同样穿孔率的微穿孔板单元(21);此外，声学超材料结构单元（14)的法向入射传声损失曲 线在440Hz出现了一个明显的尖峰，STL值达到17dB，该尖峰对应的STL值高于同等面密度且 具有同样大小孔的普通穿孔板单元(20)约14dB，高于同等面密度同样穿孔率的微穿孔板单 元(21)约15.4dB。另外，从图中还可以看出同等面密度同样穿孔率的微穿孔板单元(21)的 低频隔声性能最差，这与其缺少背板结构无法形成亥姆霍兹共振吸声体直接相关。
[0155] 为了验证所建有限元模型的正确性，图8给出了本发明实施例1所述的声学超材料 板样品和同等面密度且具有同样大小孔的普通穿孔板样品的法向入射传声损失的试验测 量结果，以及该结果与图5中的有限元仿真计算结果的对比。其中图8(a)为实施例1所述的 基本型声学超材料板样品对应结果，实线对应有限元仿真计算结果，空心圆圈对应试验测 试结果，样品背面及正面照片分别位于图中左、右侧，其外圆直径为225mm，包含40余个完整 声学超材料结构单元，在一定程度了消除了整体板的安装边界条件影响。从STL频谱图中可 知，在IOOHz~1000 Hz频段内，两者的吻合程度较好，均在440Hz出现尖峰，说明所建立的有 限元模型在分析声学超材料结构单元的隔声特性方面是足信的；图8(b)为同等面密度且具 有同样大小孔的普通穿孔板样品（几何尺寸及材料参数同图3所述的20对应的结果，虚线对 应有限元仿真计算结果，实心圆圈对应试验测试结果，样品照片位于图中左侧，其外圆直径 为225mm。在IOOHz~1000Hz频段内，两者的吻合程度较好，说明所建立的有限元模型在分析 普通穿孔板结构单元的隔声特性方面是足信的。图8(c)为同等面密度同样穿孔率的微穿孔 板样品(几何尺寸及材料参数同图4所述的21)对应的结果，点线对应有限元仿真计算结果， 空心上三角曲线对应试验测试结果，样品照片位于图中左侧，其外圆直径为225mm。在IOOHz ~1000Hz频段内，两者的吻合程度较好，说明所建立的有限元模型在分析微穿孔板结构单 元的隔声特性方面是足信的。三个样品的试验测量结果与有限元仿真计算结果的对比情况 均验证了所建立的有限元仿真模型的正确性和有效性。
[0156] 5.工作机理分析
[0157] 本实施例所述的基本型声学超材料结构单元（14)、同等面密度且具有同样大小孔 的普通穿孔板单元(20)和同等面密度同样穿孔率的微穿孔板单元(21)在440Hz频率声波激 励条件下，入射空腔和透射空腔内的空气粒子速度方向的有限元仿真结果如图6所示。其 中，图6(a)对应实施例1所述的声学超材料结构单元(14)的结果；图6(b)对应同等面密度且 具有同样大小孔的普通穿孔板单元(20)的结果；图6(c)对应同等面密度同样穿孔率的微穿 孔板单元(21)的结果。图中左侧的黑色粗箭头表示声波的入射方向，该声波为平面声波，即 声波的波前幅值均一致，仿真模型中设置为IPa大小。黑色细箭头表示空气粒子的速度方 向。据图可知，图6(a)中的声学超材料结构单元（14)在440Hz频率的声波激励下，其附近出 现了明显的空气粒子速度涡旋，空气粒子的方向出现了与入射声波方向垂直甚至反向的部 分;与之不同的是，图6(b)中的同等面密度且具有同样大小孔的普通穿孔板单元(20)和图6 (c)中的同等面密度同样穿孔率的微穿孔板单元(21)在440Hz频率的声波激励下，其两侧空 气粒子方向均一致，并与入射声波方向相同。对比之下，直观上可以看出是空气粒子产生的 速度涡旋使得该入射频率对应的声学超材料结构单元（14)的法向入射传声损失曲线出现 了尖峰(结合图5)。其物理机理:在该频率下，声学超材料结构单元（14)产生了非穿孔区域 的柔性薄膜与边框及约束体反相的振动模式，使得该区域对应的声场与通过约束体上孔和 柔性薄膜孔的连续声场反相且大致抵消，从而使得透射空腔的声压幅值趋于小值，仿真中 最小值仅〇. 〇323Pa。而在入射空腔中的声压经声学超材料结构单元（14)的部分反弹达到 1.84Pa的最大值，与最小值相差1.8077Pa。而同样在440Hz频率的声波激励下，其余两种结 构单元附近没有产生与之类似的空气粒子速度涡旋，整体结构单元同相运动，使得附近的 空气粒子同向运动，入射空腔和透射空腔内部的声压幅值的绝对值相差不大。反映到法向 入射传声损失的曲线上便无突出的尖峰，量值也不如声学超材料结构单元(14)。
[0158] 实施例2轻薄型声学超材料板的制备及性能测定
[0159] 1.轻薄型声学超材料板样品的制备
[0160]如图9所示，使用Q235A牌号普通碳素钢通过激光切割制成宽度为3mm、厚度为 1.5mm的边框(32)，该边框包含一系列具有相同几何形状的声学超材料结构单元(38)，每个 单元为正方形，其内边长为35mm;同样使用Q235A牌号普通碳素钢通过激光切割制成有孔约 束体(35)，将边框(32)与有孔约束体(35)通过双臂连接杆(37)刚性连接，两者的具体连接 方式为一体成型，其中有孔约束体(35)的外轮廓直径为12mm，其上孔36的直径为7mm，将约 束体(35)与边框(32)刚连的双臂连接杆(37)为矩形截面，其宽度为3mm，厚度为1.5mm。整块 厚度为0.05mm的穿孔柔性薄膜(33)在自然伸展状态下铺贴在边框(32)及有孔约束体(35) 一侧，其上孔(34)的直径同样为7mm，并与约束体(35)上的孔(36) -一对应。为了避免两结 构的孔无法很好一一对应的情况，穿孔柔性薄膜(33)上的孔(34)可以在穿孔柔性薄膜(33) 铺贴好后，再采用钻孔、冲孔、抠挖等方式进行穿孔操作。穿孔柔性薄膜(33)的材质为聚醚 酰亚胺薄膜，其铺贴方式为胶粘。最终便得到如图9所示的轻薄型声学超材料板样品，其在 结构形式上与实施例1所述的基本型声学超材料板的最大区别之处在于，轻薄型声学超材 料结构单元(38)的有孔约束体(35)与边框(32)连接采用的双臂连接杆(37)与边框(32)厚 度齐平。由于该声学超材料结构单元不再考虑连接杆(37)的沉面设计，不但进一步简化了 加工复杂程度，而且可以将整体声学超材料板的厚度做到更薄。该实施例所述的声学超材 料板的面密度为4.20kg/m 2，穿孔率为3.48%。
[0161] 2.轻薄型声学超材料板样品的性能测试
[0162] 图10所示为本发明实施例2所述的轻薄型声学超材料板样品的法向入射传声损失 的试验测量结果，样品照片位于图中右侧，其外圆直径为225mm，包含21个完整的声学超材 料结构单元。据图可知，在400Hz处出现尖峰，对应的STL值达到约17dB。该声学超材料板样 品的法向入射传声损失频谱中STL值高于6dB以上的频段为300Hz~520Hz。
[0163] 实施例3含不同参数单元的声学超材料板的制备及性能测定
[0164] 1.含不同参数单元的声学超材料板的制备
[0165] 实施例3所述的由不同参数单元面内阵列组合形成的声学超材料板的结构示意如 图11所示，其作为阵列基本元素的声学超材料结构单元的结构尺寸不完全相同，其内部有 孔约束体的直径及约束体上孔的直径不一。以某一声学超材料结构单元(45)为例，该声学 超材料结构单元的有孔约束体(42)与边框(39)连接采用的双臂连接杆(44)与边框(39)厚 度齐平，结构形式与实施例2所述的轻薄型声学超材料结构单元(38)类似。该实施例中含有 四种不同尺寸参数的声学超材料结构单元，每块声学超材料结构单元的边框均为正方形， 内边长均为35mm，外框(35)的宽度为3mm，厚度为1.5mm;有孔约束体(42)的外轮廓直径有四 种尺寸，由小到大依次为5mm、IOmm、12mm、15mm;约束体上孔(43)的直径有三种尺寸，由小 至Ij大依次为3mm、5mm、IOmm;整张连续的穿孔柔性薄膜(40)，厚度为0.05mm，在不施加任何预 张力条件下，自由伸展平铺贴在边框(39)-侧，薄膜上孔(41)的直径与约束体孔(43)的直 径对应一致;双臂连接杆(44)为矩形截面，宽度为3mm，厚度为1.5mm。边框(39 )、有孔约束体 (42)以及双臂连接杆(44)的材料相同，均为Q235A牌号普通碳素钢;穿孔柔性薄膜的材质为 聚醚酰亚胺。该实施例所述的声学超材料板的面密度为4.40kg/m2，穿孔率为3.22%。
[0166] 2.含不同参数单元的声学超材料板的性能测试
[0167] 图12为本发明实施例3所述的由不同参数单元面内阵列组合成的声学超材料板样 品的法向入射传声损失的试验测量结果，样品照片位于图中右侧，其外圆直径为225mm，包 含21个完整的声学超材料结构单元。据图可知，在430Hz处出现尖峰，对应的STL值达到约 21 dB。该声学超材料板样品的法向入射传声损失频谱中STL值高于6dB以上的频段为2 IOHz ~600Hz，带宽近400Hz。这是由于在不同的声学超材料结构单元中采用不同尺寸的约束体 和约束体上的孔，产生了多个STL尖峰，从而显著拓宽了工作频带。
[0168] 实施例4含大尺寸孔的广义声学超材料结构单元及其面内阵列组合成的声学超材 料板的制备及性能测定
[0169] 1.含大尺寸孔的声学超材料板的制备
[0170]如图13所示，该实施例是由声学超材料结构单元(51)在面内方向周期性阵列形成 声学超材料板后，在每个3X3的单元阵列簇中去除一块结构单元中的有孔约束体(48)和双 臂连接杆(50)，使其成为大尺寸孔(47)，由此便形成了一类更广义的声学超材料结构单元 (58)。该广义声学超材料结构单元(58)包括边框(55)，含大尺寸孔(47)的约束体(56)以及 连接杆(57)。穿孔柔性薄膜(52)上具有两种尺寸的孔，即小尺寸孔(53)和大尺寸孔(54)。
[0171 ]该实施例中声学超材料结构单元(51)的边框为正方形，内边长为35mm，外框(46) 的宽度为3mm，厚度为1.5mm;有孔约束体(48)的外轮廓直径为8mm，约束体上孔(49)的直径 为3mm;整张连续的穿孔柔性薄膜(52)，厚度为0.05_，在不施加任何预张力条件下，自由伸 展平铺贴在边框(46)-侧，薄膜上小尺寸孔(53)的直径与约束体上小尺寸孔(49)的直径一 致，即3mm;薄膜上大尺寸孔(54)的边长与约束体上大尺寸孔(47)的边长一致，即35mm;约束 体(48)与边框(46)刚连所采用的双臂连接杆(50)为矩形截面，宽度为3mm，厚度为1.5mm。边 框(46)、有孔约束体(48)以及双臂连接杆(49)的材料相同，均为Q235A牌号普通碳素钢;穿 孔柔性薄膜的材质为聚醚酰亚胺。该实施例所述的含大尺寸孔的声学超材料板的面密度为 3 · 66kg/m2，穿孔率为21 · 70 %。
[0172] 2.含大尺寸孔的声学超材料板的性能测试
[0173] 图14为本发明实施例4所述的含大尺寸孔的声学超材料板样品的法向入射传声损 失试验测量结果，样品照片位于图中右侧，其外圆直径为225mm。据图可知，在950Hz处出现 尖峰，尖峰处对应的STL值达到约23dB。相较于实施例1~3，该实施例所述的声学超材料板 样品的有效工作频率出现在更高频段，而且带宽也明显不如实施例1~3。尽管如此，该实施 例所述的声学超材料板样品的穿孔率却达到了惊人的21.70%，这非常有利于流体的自由 通过。
[0174] 3.含大尺寸孔的广义声学超材料结构单元的派生类型
[0175] 在该构型的基础上，派生出两类大尺寸孔的声学超材料结构单元结构，如图15所 示。其中图15(a)中所述的含大尺寸孔(61)的约束体(60)为实施例4中所述的广义声学超材 料结构单元(5 8)的连接杆(5 7)仅保留左、右两边形成新的连接杆(6 2)与整体单元的边框 (59)相连；图15(b)中所述的含大尺寸孔(61)的约束体60)则是实施例4中所述的广义声学 超材料结构单元(58)的连接杆(57)保留上、下、左、右四边形成新的连接杆(65)与整体单元 的边框(59)相连。
[0176] 实施例5其他形状边框及约束体连接杆的声学超材料结构单元及其面内阵列组合 成的声学超材料板的制备及性能测定
[0177] 1.其他形状边框及约束体连接杆的声学超材料结构单元构型
[0178] 图16为本发明实施例5所述的具有不同结构形式边框及约束体连接杆的声学超 材料结构单元结构示意图，其中图16(a)中的边框(66)为圆形，有孔(67)的约束体(68)通过 双臂连接杆(69)与边框(66相连；图16(b)中的边框(70)为正六边形，有孔(67)的约束体 (68)通过双臂连接杆(69)与边框(70)相连;图16(c)中的边框(66)为圆形，有孔(67)的约束 体(68通过单臂连接杆(71)与边框(66)相连；图16(d)中的边框(70)为正六边形，有孔(67) 的约束体(68)通过单臂连接杆(71)与边框(70)相连；图16(e)中将原本相邻的两个正方形 单元打通，使得边框(72成为一个长方形结构，所述的两个有孔(67)的约束体(68)分别通过 单臂连接杆(71)与边框(72)相连。值得指出的是，单臂连接杆(71)尤其适合在边框尺寸较 小的情况下采用，在保证边框和约束体的连接刚度前提下进一步降低整个单元的重量。
[0179] 2.圆形边框及单臂约束体连接杆的声学超材料板的制备及性能测试
[0180] 实施例5所述的具有圆形边框及单臂约束体连接杆的声学超材料结构单元，其边 框(66)的内径30mm，厚度为5mm;有孔约束体(68)的外轮廓直径为10mm，约束体上孔(67)的 直径为5mm;整张连续的厚度为0.05mm穿孔柔性薄膜在不施加任何预张力条件下，自由伸展 平铺贴在边框(66)-侧，薄膜孔的直径与约束体孔(67)的直径一致，即5mm;约束体(68)与 边框(66)刚连所采用的单臂连接杆(71)为矩形截面，宽度为3mm，厚度为5mm。边框(66)、有 孔约束体(68)以及单臂连接杆(71)的材料相同，均为FR-4玻璃纤维；穿孔柔性薄膜的材质 为聚乙烯。该实施例所述的声学超材料板的面密度为4.57kg/m 2,穿孔率为2.78%。
[0181] 图17为本发明实施例5所述的具有圆形边框及单臂约束体连接杆的声学超材料结 构单元(结构形式如图16(c)所示)及其面内阵列形成的声学超材料板样品的法向入射传声 损失试验测量结果。从图17中可以看出，在630Hz处出现了明显的尖峰，其峰值达到约30dB， STL值大于6dB的频段在300Hz~900Hz。
[0182] 实施例6双面贴膜声学超材料结构单元及其面内阵列组合成的声学超材料板的制 备及性能测定
[0183] 1.双面贴膜声学超材料板的制备
[0184] 图18为本发明实施例6所述的双面贴膜声学超材料结构单元示意图，其中18(a)为 单元侧剖视图；图18(b)为该单元的爆炸视图。其在同一块声学超材料结构单元的两个侧面 分别贴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)和约束体上（78)的孔(81)，三者的直径相 同。该实施例尤其适合在边框(73)的厚度较厚情况下，不但可以充分利用边框(73)的另一 个表面，而且又形成了一层振动单元。由此形成的两层振动单元可以实现多种振动模式的 叠加组合，对声波进行更加有效的隔离。该实施例所述的声学超材料结构单元是在实施1所 述的基本型声学超材料结构单元的基础上，在另一个侧面铺贴第二穿孔柔性薄膜(75)。该 实施例所采用的第二穿孔柔性薄膜(75)的材质为聚氯乙烯，厚度为0.038mm，该实施例其他 构成元素的几何参数和材料构成同实施例1。
[0185] 图19为在图18中所述的本发明实施例6的基础上，在第一穿孔柔性薄膜(74)和第 二穿孔柔性薄膜(75)之间的空隙填充多孔材料(82)的结构示意图，其中19(a)为单元侧剖 视图；图19(b)为该单元的爆炸视图。填充的多孔材料(82)可以是玻璃纤维棉、开闭孔泡沫 等材料，其不仅能充分利用两层穿孔薄膜之间的空腔间隙，而且还可对整体声学超材料结 构单元具有明显的声学性能增强。当两层薄膜互相贴近时，使得两膜之间衰减波来回反弹 产生强烈耦合，两膜之间的声压急剧升高，声能密度加大，即便是填充薄层的多孔材料，此 时其吸声效率也将大幅增加，从而在不增加声学超材料结构单元的厚度和重量前提下大幅 降低透射声能，收到更好的降噪效果。值得注意的是，填充的多孔材料(82)的特征阻抗与薄 膜的阻抗应尽量匹配，从而避免声波无法有效进入多孔材料，并且要考虑填充的多孔材料 对两侧薄膜弯曲振动刚度带来的影响，修正原有设计的声学超材料结构单元的工作频率。 [0186] 2.双面贴膜声学超材料板的性能测试
[0187]图20为本发明实施例6所述的双面贴膜声学超材料结构单元面内阵列形成的声学 超材料板样品与实施例1所述的单面贴膜的基本型声学超材料板样品的法向入射传声损失 试验测量结果对比图。两种实施例的唯一差别是在实施例6所述的双面贴膜声学超材料结 构单元的另一个侧面铺贴第二穿孔柔性薄膜。实施例6所述的双面贴膜声学超材料板样品 照片位于图中右侧，其外圆直径为225mm。据图可知，实施例6所述的声学超材料板样品的 STL尖峰位于650Hz，高于实施例1所述的声学超材料板样品；而且，对于实施例6所述的声学 超材料板样品，其STL值高于6dB的频段为500Hz~1300Hz，宽于实施例1所述的基本型声学 超材料板样品的300Hz~600Hz。这是由于第二穿孔柔性薄膜的铺贴改变了原有单层铺膜的 基本型实施例的系统特性。具体而言，双层铺膜及封闭中间空气间隙的结构形式一方面增 加了原有单层铺膜实施例的结构刚度，另一方面也增加了系统的振动自由度，使得该实施 例所述的声学超材料结构单元除了具有负质量特性(运动响应与激励方向相反），还会具有 负体积模量特性(体积变化与激励方向相反），进一步强化了其超材料属性。
[0188] 图21为本发明实施例6所述的双面贴膜声学超材料结构单元面内阵列形成的声学 超材料板样品与实施例6所述的双面贴膜并填充多孔材料声学超材料结构单元面内阵列形 成的声学超材料板样品的法向入射传声损失试验测量结果对比图。实施例6所述的双面贴 膜并填充多孔材料声学超材料板样品照片位于图中左侧，其外圆直径为225mm。其中，填充 的多孔材料为厚度I Omm的玻璃纤维棉，其名义流阻为19000Nsnf4。据图可知，多孔材料的继 续填入使得原先位于650Hz频率处的STL尖峰偏移到更高频段，而且高频段的有效隔声带宽 也进一步拓宽。
[0189] 声学超材料结构单元本身在声波或流场激励下便可以产生多模态的局域共振，可 以在一定程度上改善速度场和温度梯度场之间的协同程度，实现强化传热的效果，而且，同 时还要兼顾到声学超材料结构单元在低频段要有足够的隔声性能，而共振情况直接对应的 是声全透结果。基于这样的考虑，在不改变或较小改变一块声学超材料结构单元原来的工 作条件下，在其另一个侧面铺贴一层含多个穿孔的柔性薄膜或弹性膜片，通过这些结构在 声波或流场激励下产生的强烈振动实现强化传热效果。由此形成了一批可以进一步强化传 热的声学超材料结构单元及其实施例。
[0190] 实施例7进一步强化传热的声学超材料结构单元及其面内阵列组合成的声学超 材料板的制备及性能测定
[0191 ] 1.进一步强化传热的声学超材料结构单元的三种不同构型
[0192] 图22为在本发明实施例7强化传热声学超材料结构单元的第一种构型示意图，其 在一块声学超材料结构单元的另一个侧面铺贴穿孔柔性薄膜(86)，其上具有多个相同或不 同大小的圆形孔(88)，在不影响该声学超材料结构单元隔声性能的同时，通过在柔性薄膜 上增加穿孔加强附近流场的湍流度，其中22(a)为单元等轴测视图；图22(b)为该单元的爆 炸视图。穿孔柔性薄膜(86)上的附加孔(88)的大小可以与该薄膜上原先孔(87)的大小相同 或不同。
[0193] 图23为在本发明实施例7强化传热声学超材料结构单元的第二种构型示意图，其 在一块声学超材料结构单元的另一个侧面铺贴穿孔柔性薄膜(86)，其上具有多个不同形状 和不同大小的孔(93)，在不影响该声学超材料结构单元隔声性能的同时，通过在柔性薄膜 上穿不同形状和不同大小的孔进一步增加附近流场的湍流度，其中23(a)为单元等轴测视 图；图23(b)为该单元的爆炸视图。穿孔柔性薄膜(86)上的附加孔(93)的形状或大小可随意 选取，该实施例提供了四种形状，即圆形、矩形、六边形、三角形。
[0194] 图24为在本发明实施例7强化传热声学超材料结构单元的第三种构型示意图，其 在一块声学超材料结构单元的另一个侧面贴有多个弹性膜片(94)，在不影响该声学超材料 结构单元隔声性能的同时，通过弹性膜片在入射声波激励下产生的摆动或振动增加附近流 场的湍流度或流体速度，其中24(a)为单元等轴测视图；图24(b)为该单元的爆炸视图。
[0195] 2.第一种构型的进一步强化传热的声学超材料结构单元及其面内阵列组合成的 声学超材料板的制备及性能测定
[0196] 图25为本发明实施例7所述的第一种构型的强化传热声学超材料结构单元面内阵 列形成的声学超材料板样品的法向入射传声损失试验测量结果，样品照片位于图中右侧， 其外圆直径为225mm。该实施例是在图18所示的实施例6所述的双面贴膜声学超材料结构单 元的第一穿孔柔性薄膜(0.050mm厚度的聚醚酰亚胺)上附加穿孔直径均为3mm的四个孔而 来，其他单元构成元素的几何参数和材料构成保持一致。据图可知，STL的峰值出现频率在 约850Hz，峰值对应的STL值达到22dB，STL值大于6dB的频段在300Hz~1100 Hz。
[0197] 实施例8声学超材料复合结构的制备及性能测定
[0198] 将实施例1所述的声学超材料结构单元在面内方向（xy平面)阵列分布，形成基本 型声学超材料板。选用IOmm厚，名义流阻率为19000/Nsnf 4的玻璃纤维棉(97)作为普通声学 材料板。将声学超材料板和普通声学材料板组合，不同的声学材料板之间直接接触，并提供 稍许挤压，也可采用弹性连接方式，如小块橡胶垫支承并隔离不同声学材料板，最终构成如 图26所示的声学复合结构。对其进行阻抗管法向入射传声损失测定，实测曲线如图27。其 中，圆圈对应本发明实施例1所述样品结果;虚线对应本实施例所述的声学复合结构样品结 果。据图可知，相较于基本型声学超材料板，该实施例所述的声学复合结构样品的法向入射 传声损失在除去STL尖峰对应的440Hz频段附近外均不同程度的高于基本型声学超材料板， 尤其是在该STL尖峰右侧的中高频段;而在STL尖峰对应的440Hz频段附近，该实施例所述的 声学复合结构样品的STL值略低于基本型声学超材料板，这是由于玻璃纤维棉的引入相当 于增加了原先基本型声学超材料板的结构阻尼，而结构阻尼的作用主要体现在平缓共振及 反共振频率处的振幅。
[0199] 实施例9多层声学超材料板面外纵向堆叠的声学超材料复合结构
[0200] 图28为本发明实施例9所述的两层声学超材料板中间拉开一定间距后构成的声学 超材料复合板示意图。其中，两块薄层声学超材料板的结构及材料参数可以相同或不同，分 别包括第一层声学超材料板框架(98)，第一层声学超材料板的整块穿孔薄膜(99)以及第二 层声学超材料板框架（100)，第二层声学超材料板的整块穿孔薄膜（101)。两块薄层声学超 材料板之间具有一定间距的空气间隙（102)。
[0201] 图29为本发明实施例9所述的两层声学超材料板中间拉开一定间距后，在该间距 内插入一层多孔材料，最终构成的声学超材料复合板示意图。其中，两块薄层声学超材料板 的结构及材料参数可以相同或不同，分别包括第一层声学超材料板框架(98)，第一层声学 超材料板的整块穿孔薄膜(99)以及第二层声学超材料板框架（100)，第二层声学超材料板 的整块穿孔薄膜（101)。填充的多孔材料层（103)的特征阻抗与两块薄膜的阻抗应尽量匹 配，从而避免声波无法有效进入多孔材料，并且要考虑填充的多孔材料对两侧薄膜(99)和 (101)的弯曲振动刚度带来的影响，修正原有设计的声学超材料板的工作频率。而且，多孔 材料层（103)上需要穿孔，使之与框架(98)和（100)的约束体孔保证一致，不会造成散热障 碍。
[0202] 图30为本发明实施例9所述的声学超材料复合板样品的法向入射传声损失试验测 量结果，样品照片位于图中右侧，其外圆直径为225mm，由两块结构及材料参数相同的声学 超材料板中间夹持玻璃纤维棉构成。其中，声学超材料板的结构及材料参数与图8中所示的 实施例2所述的轻薄型声学超材料板相同，玻璃纤维棉的厚度为10mm，名义流阻率为 19000Nsnf4。在图30中，空心方框曲线代表一层实施例2所述的轻薄型声学超材料板;虚线代 表两层实施例2所述的轻薄型声学超材料板中间具有IOmm的空气间隙构成的声学超材料复 合板;点线代表两层实施例2所述的轻薄型声学超材料板中间填充一层厚度为IOmm的玻璃 纤维棉所构成的声学超材料复合板。可以看出，两种声学超材料复合板样品的STL值在 IOOHz~1000Hz频段内均高于单层轻薄型声学超材料板，而且这种STL值提升量效果主要体 现在尖峰右侧的中高频段。通过比较点线和虚线可知，填充玻璃纤维棉后的声学超材料复 合板样品的尖峰频率移向高频，有效工作带宽也是三者之中的最宽者。
[0203] 实施例10曲面结构形式的声学超材料板及其装配方法
[0204] 图31为本发明实施例10所述的曲面形状声学超材料板示意图。单个本发明所述的 声学超材料结构单元(104)通过楔形连接件（105)组合成具有一定曲度的声学超材料板。楔 形连接件（105)可以采用橡胶、亚克力、尼龙等材料通过铸模加工而成，本实施例中采用橡 胶材料，该实施例尤其适合具有一定曲度要求的壳体或安装结构。
[0205]最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术 人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技 术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种声学超材料结构单元，其特征在于，其包括边框、在所述边框内设置有约束体， 在边框的上下表面的至少一个表面上覆盖有薄膜;所述约束体和薄膜上均设置有至少一个 孔。2. 如权利要求1所述的声学超材料结构单元，所述边框内至少设置一个有孔的约束体。3. 如权利要求1或2所述的声学超材料结构单元，所述约束体和薄膜上孔的形状、位置 和大小相同或不同；优选所述约束体和薄膜上孔的形状、位置和大小相同。4. 如权利要求1-3任一项所述的声学超材料结构单元，所述的约束体上孔的大小根据 通过的流体流量以及隔声工作频段确定。5. 如权利要求1-4任一项所述的声学超材料结构单元，所述约束体上孔的形状为对称 的规则几何形状，优选所述约束体上孔的形状为圆形。6. 如权利要求1-5任一项所述的声学超材料结构单元，所述边框的上下表面上均覆盖 有穿孔柔性薄膜;优选两层穿孔柔性薄膜的厚度及材料不同。7. 如权利要求1-6任一项所述的声学超材料结构单元，所述有孔的约束体与边框的至 少一个表面齐平。8. 如权利要求1 _7任一项所述的声学超材料结构单元，其中，在上下两层薄膜中间填充 多孔材料;优选所述多孔材料为玻璃纤维棉或开闭孔泡沫。9. 如权利要求1-8任一项所述的声学超材料结构单元，其中，所述的边框的形状使其在 单元面内周期阵列时可实现最大面积占比；优选边框的形状是矩形、正方形或正六边形。10. 如权利要求1-9任一项所述的声学超材料结构单元，所述约束体与薄膜线接触或面 接触;优选接触形成的形状是对称规则的几何形状;更优选所述的几何形状为圆形、正方形 或正多边形。11. 如权利要求1-10任一项所述的声学超材料结构单元，所述的边框和有孔约束体的 材料分别为铝材、钢材、木材、橡胶、塑料、玻璃、石膏、水泥、高分子聚合物或复合纤维材料； 所述薄膜的材料为高分子聚合物薄膜材料、金属薄膜或弹性薄膜，所述高分子聚合物薄膜 材料优选为聚氯乙烯膜、聚乙烯膜或聚醚酰亚胺膜;所述金属薄膜优选铝及铝合金膜、钛及 钛合金膜，所述弹性薄膜优选橡胶膜、硅胶膜或乳胶膜。12. -种包含权利要求1-11任一项所述声学超材料结构单元的声学超材料板。13. 如权利要求12所述的声学超材料板，所述声学超材料板是声学超材料结构单元在 面内方向组合拼接而成。14. 一种包含权利要求12或13所述声学超材料板的声学超材料复合结构。15. 如权利要求14所述的声学超材料复合结构，所述的声学超材料复合结构是通过多 层所述的声学超材料板面外方向纵向堆叠而成的声学超材料板阵列。16. 如权利要求14或15所述的声学超材料复合结构，所述声学超材料复合结构含有普 通声学材料制成的普通声学材料单元或者普通声学材料板。17. 如权利要求14-16任一项所述的声学超材料复合结构，所述普通声学材料是玻璃纤 维棉、开闭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. 如权利要求14-17任一项所述的声学超材料复合结构，所述声学超材料板之间的空 隙以及声学超材料板与普通声学材料板之间的空隙均填充多孔材料。19. 一种调节权利要求1-11任一项所述声学超材料结构单元、权利要求12-18任一项所 述声学复合结构的隔声频段的方法，其特征在于，所述方法是通过改变所述声学超材料的 边框、约束体及薄膜的结构尺寸和材料参数来实现调节声学超材料的工作频率。20. -种装配权利要求1-11任一项所述声学超材料结构单元的方法，其特征在于，采用 一体成型技术制备得到有孔约束体和边框，或者制造有孔约束体预制件和边框预制件，将 有孔约束体预制件通过刚性连接到边框预制件上组成单元框架，之后将薄膜在自由伸展状 态下覆盖在单元框架上，并进行固定连接，最后在薄膜上进行打孔;优选通过铣削、铸造、冲 压、激光切割或3D打印技术加工成一体成型的单元框架，或者通过铣削、铸造、冲压、激光 切割或3D打印技术制造出有孔约束体预制件和边框预制件;优选固定连接为胶粘、热焊接 或机械铆接。21. -种装配权利要求12或13所述声学超材料板的方法，将装配后的所述的声学超材 料结构单元边框进行刚性或柔性连接，或者采用楔形连接件组合成具有一定曲度的声学超 材料板;或者将有孔约束体和边框通过一体成型将其加工为整体声学超材料板框架，之后 将薄膜在自由伸展状态下覆盖在整体声学超材料板框架上，并进行固定连接，最后在薄膜 上进行打孔;优选通过铣削、铸造、冲压、激光切割或3D打印技术加工成一体成型的单元框 架或整体声学超材料板框架，或者通过铣削、铸造、冲压、激光切割或3D打印技术制造出有 孔约束体预制件和边框预制件;优选固定连接为胶粘、热焊接或机械铆接。22. -种装配权利要求14-18任一项所述声学超材料复合结构的方法，将多孔材料制造 成小块单元填充进所述的声学超材料结构单元的边框与有孔约束体之间的空隙，然后将一 整块普通声学材料板预先打孔或将其与所述的声学超材料板配合打孔后，将其彼此接触并 固定连接得到;优选通过筑模、剪裁、冲压方式制成多孔材料小块单元;优选所述普通声学 材料板与声学超材料板之间的接触方式采用直接接触或者通过弹性垫支承，以隔离不同声 学材料板之间的振动传递;优选固定连接为胶粘、热焊接或机械铆接。
【文档编号】G10K11/162GK105845121SQ201610242931
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】黄礼范, 王术光
【申请人】黄礼范