用3d打印制备的中低频隔声超材料结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于中低频隔声超材料技术领域，尤其涉及一种可用3D打印技术制备的中低频隔声超材料结构。
【背景技术】
[0002]声学超材料指的是一类自然界没有的具有特殊性质的用于声学的人造材料。通过特殊设计的声学超材料往往拥有一些传统材料无法实现的特别的性质，比如声学成像和声学隐形等特性。事实上，构成声学超材料的成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其特殊设计的几何结构以及尺寸大小，或者不同特性材料的周期性与特定位置的摆放。通常，声学超材料含有各种微结构，通过特殊设计，可以对声波施加奇特的影响。
[0003]在2000年的science期刊上，刘正猷等人首次提出了局域共振型声子晶体的概念。论文中提出用硅胶包覆铅球嵌入在环氧树脂基体中，弹性波以及声波传播到此类结构时，由于受到硅胶和铅球的振动影响，导致一部分频段的声波无法继续向前传播，形成了禁带。局域共振声子晶体比相同尺寸的bragg散射型声子晶体的第一带隙频率降低了两个数量级。这一发现实现了小尺寸控制大波长，广泛的应用于低频振动噪声隔绝中。
[0004]目前的局域共振型隔声材料均为多种材料组成，设计难度高，加工工艺十分复杂，不同材料间的固定方式不够理想往往影响到材料的使用寿命。另外，此类超材料中往往含有配重块，使得整体重量较大，不适用于实际场合。而且，此类超材料中的基体较硬，不易变形，从而不能较好得满足各种装夹环境。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种用3D打印技术制备的中低频隔声超材料结构，无需制作配重块和坚硬的基体，即可很好地运用于实际工程中。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0007]一种用3D打印制备的中低频隔声超材料结构，其特点在于，包括边框、连接体和中心体一体而成的单元体，该单元体由单一材料组成；
[0008]所述的中心体位于所述的边框的中央，所述的连接体连接所述的边框和中心体，所述的边框的厚度是所述的连接体的厚度的5倍或五倍以上。
[0009]所述的边框和中心体的厚度为2mm-50mm，所述的连接体的厚度为0.2mm-10mm。
[0010]所述的中心体的形状为三角形、矩形或六边形。
[0011]所述的边框和中心体具有通向内部的螺旋形孔。
[0012]所述的边框和中心体上表面具有凸起，该凸起为圆柱体、长方体、圆锥或者圆台。
[0013]多个所述的单元体相互交错的周期性分布排列。
[0014]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0015]I)由单一材料组成，可用3D打印机制备，与传统局域共振中低频隔声材料的制备方法相比，具有快捷便利、设备投资成本低、工艺简单、节能环保、耗时短等优点。
[0016]2)质量轻，由于没有配重块和较硬的基体，超材料整体密度可以不超过1300kg/
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[0017]3)结构简单，便于携带、运输和装配，进一步拓宽了这种结构在工程实际中的应用范围
[0018]4)与相同质量的传统材料相比，具有更好的中低频隔声效果。
【附图说明】
[0019]图1是本发明用3D打印技术制备的中低频隔声超材料结构的单元体第一实施例的结构示意图
[0020]图2是单元体结构周期性排列的结构示意图
[0021]图3是由多种单元体结构组合的示意图
[0022]图4是本发明用3D打印技术制备的中低频隔声超材料结构的单元体第二实施例的结构示意图
[0023]图5是样品隔声量曲线
[0024]图6是本发明用3D打印技术制备的中低频隔声超材料结构的单元体第三实施例的结构示意图
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0026]请参阅图1，图1是本发明用3D打印技术制备的中低频隔声超材料结构的单元体第一实施例的结构示意图，如图所示，一种用3D打印技术制备的中低频隔声超材料，包括边框1、连接体2和中心体3 —体而成的单元体，该单元体由单一材料组成。这三部分的形状可以是正方形，圆形，三角形等任意形状。其中边框I和中心体3的厚度较厚为2mm-50mm，连接体2的厚度较薄为0.2mm-10mm，且满足边框I和连接体2的厚薄比在5以上。
[0027]根据等效刚度与厚度的三次方成正比的关系，得到厚的部分刚度远远大于薄的部分，因此可以将这个单一结构等效为弹簧振子系统，即把边框I和中心体3等效成振子，把连接体2等效成弹簧。当声波入射时，尤其是低频声波入射能激起薄膜和中心体较大振幅的振动，当声波频率和结构自身特征频率一致时，会产生共振现象。在共振峰附近会产生一个反共振的隔声峰值，当这个峰值频率附近是的声波入射的时候，会导致结构的入射声场和透射声场升压的振幅相消，从而使大部分能量都反射了回去，达到了高隔声性能。
[0028]请参阅图2，图2是单元体结构周期性排列的示意图，如图所示，在实际应用中，也可以将此结构周期性排列，以满足普通环境的安装要求。
[0029]单一形状的单元体只能对某一频段实现较好的隔声特性，当需要宽频隔声的时候，可以设计多种不同单元体组合结构，每种结构都会对应某一隔声量峰值，各个结构组合在一起的时候会形成多个隔声量峰值，从而把峰值和峰值之间的隔声量也抬高，打到宽频隔声效果。本实施例中中心体3的形状为正方形、棱柱体形、圆形等，如图3所示。
[0030]当需要进一步提升隔声效果的时候，可以在厚基体上面设计凸起和凹槽，凸起和凹槽可以是各种形状，如圆柱形，锥形，鞭毛型等，如图4所示，其中以螺旋形的效果最佳。当声波入射的遇到凸起的时候，会引起凸起螺旋体的振动，将声能转化成动能从而变成螺旋体的内能，达到消耗能量的目的。当声波入射凹槽时，能量在内部来回反射碰撞并最终转化成内能。图5是样品隔声量曲线，图中，细实线为实施例1的中低频隔声量曲线，粗实线为实施例2的中低频隔声量曲线。由图可知，在单元体上设置了凹凸螺旋体后在中低频的隔声量大大提高。
[0031]本发明的具体制备过程如下:
[0032]1.利用Comsol等具有3D建模及声振分析功能的软件，根据实际应用需求，确定本发明结构的各个参数及选定材料，同时导出适用于3D打印的结构模型。
[0033]2将设计好的三维实体模型导入3D打印机中，之后3D打印机将模型分层成多个二维图形，喷射硅胶并逐层固化，完成结构。
[0034]3对打印完成的结构进行后续处理，主要包括静置、强制固化、去粉、包覆等。
[0035]本发明所涉及的单元体由单一材料组成，可以单独成为一个功能机构体，也可以与别的材料组成的结构粘连，成为复合结构体。图6是本发明用3D打印技术制备的中低频隔声超材料结构的单元体第三实施例的结构示意图，其中央部分为空腔的，可以和其他结构的粘合，如图6所示，先由3D打印技术制备出带有圆形空腔的结构，然后再把由其它材料组成的圆形结构置于空腔处，并用胶水粘连。本结果也可以设计成周期性，或者多个不同尺寸单元组合，或者增加凹凸结构体。
【主权项】
1.一种用3D打印制备的中低频隔声超材料结构，其特征在于，包括边框(1)、连接体(2)和中心体(3) —体而成的单元体，该单元体由单一材料组成； 所述的中心体(3)位于所述的边框(I)的中央，所述的连接体(2)连接所述的边框(I)和中心体(3)，所述的边框(I)的厚度是所述的连接体(2)的厚度的5倍或五倍以上。
2.根据权利要求1所述的用3D打印制备的中低频隔声超材料结构，其特征在于，所述的边框(I)和中心体(3)的厚度为2mm-50mm，所述的连接体(2)的厚度为0.2mm-10mmo
3.根据权利要求1或2所述的用3D打印制备的中低频隔声超材料结构，其特征在于，所述的中心体(3)的形状为三角形、矩形或六边形。
4.根据权利要求1或2所述的用3D打印制备的中低频隔声超材料结构，其特征在于，所述的边框(I)和中心体(3)具有通向内部的螺旋形孔。
5.根据权利要求1或2所述的用3D打印制备的中低频隔声超材料结构，其特征在于，所述的边框(I)和中心体(3)上表面具有凸起，该凸起为圆柱体、长方体、圆锥或者圆台。
6.根据权利要求1所述的用3D打印制备的中低频隔声超材料结构，其特征在于，多个所述的单元体相互交错的周期性分布排列。
【专利摘要】本发明公开了一种用3D打印制备的中低频隔声超材料结构，包括边框、连接体和中心体一体而成的单元体，该单元体由单一材料组成；所述的中心体位于所述的边框的中央，所述的连接体连接所述的边框和中心体，所述的边框的厚度是所述的连接体的厚度的5倍或五倍以上。本发明由于没有配重块和较硬的基体，超材料整体密度可以不超过1300kg/m3，具有快捷便利、设备投资成本低、工艺简单、节能环保、耗时短等优点，实现对中低频声音的隔离。
【IPC分类】H04R17-00, H04R31-00
【公开号】CN104837098
【申请号】CN201510196694
【发明人】钱炜, 王晓乐, 安冠南, 余征跃, 李龙光, 黄震宇, 叶杰明
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月23日