蜂窝振膜式轻质超材料结构的制作方法

本发明涉及声学材料技术领域，特别涉及一种蜂窝振膜式轻质超材料结构。

背景技术：

蜂窝夹层结构作为一种特殊的复合材料结构，由于具有高比刚度、高比强度、性能可设计等优点，在航天、航空、高速交通运输工具和现代结构工程等许多领域均得到了广泛应用。

飞机设计中机翼和机舱位置便使用一种蜂窝结构的轻型材料。这种材料组成了构成机舱大部分结构的地板和天花板。这个蜂窝夹层结构使得飞机更加牢固，而且这种轻质材料也能够令飞机更加省油。但是这种蜂窝结构在阻断低频噪音(来自飞机引擎的噪音)方面还有待加强。

现有技术中通过在蜂窝结构中填充隔音材料来阻断噪音，但这又会大大增加飞机重量，增加飞机的能耗。

由上可知，现有技术中采用的蜂窝材料的质量和隔声效果难以兼顾，特别是低频处的隔声效果差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在解决现有技术中，采用蜂窝结构的高强度材料的隔音效果差，特别是对低频隔音效果差的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

本发明提供一种蜂窝振膜式轻质超材料结构，其包括：蜂窝单元结构，包括开口六角型蜂窝芯；隔声膜，覆盖在所述蜂窝单元结构的端面上。

进一步的，所述蜂窝单元结构为一个均质的、横向各向同性材料结构。

进一步的，所述隔声膜为一个各向同性材料。

进一步的，所述开口六角型蜂窝芯是由金属、陶瓷、复合材料或芳纶纤维板制成。

进一步的，所述蜂窝振膜式轻质超材料结构的等效静态质量密度，根据所述隔声膜的密度、所述蜂窝单元结构的等效静态质量密度及所述蜂窝振膜式轻质超材料结构的厚度确定。

进一步的，所述蜂窝单元结构的等效静态质量密度，根据所述蜂窝单元结构的材料的质量密度确定。

进一步的，所述蜂窝振膜式轻质超材料结构的厚度为所述蜂窝单元结构与所述隔声膜的厚度之和。

进一步的，所述隔声膜的厚度为0.1-0.5mm，杨氏模量为5-9MPa，质量密度为500-1500kg/m³，泊松比为0.20-0.60；面密度为0.50-2.00kg/m²。

进一步的，所述隔声膜分别覆盖在所述蜂窝单元结构的所述开口六角型蜂窝芯两端面上。

进一步的，所述隔声膜加紧在所述蜂窝单元结构的边界。

进一步的，所述隔声膜包括：堆栈多个不同的共振频率振膜。

进一步的，所述的蜂窝振膜式轻质超材料结构包括：多层蜂窝单元结构，所述蜂窝单元结构层之间的连接端面设置有所述隔声膜。

进一步的，所述的蜂窝振膜式轻质超材料结构包括：碳纤维层，设置于所述多层蜂窝单元结构外端面。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供一种蜂窝振膜式轻质超材料结构不仅在结构方面质量较小、强度高，坚固耐用，而且在噪声控制方面具有良好的隔音效果，同时具备坚固、轻质及良好隔声的特性。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种消声器检测系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1A、1B、1C是本发明实施例提供的一种蜂窝振膜式轻质超材料结构的结构示意图；

图2是本发明实施例对一种蜂窝振膜式轻质超材料结构进行声学对比测试图；

图3是本发明实施例对另一种蜂窝振膜式轻质超材料结构进行声学对比测试图；

图4是本发明实施例提供的另一种蜂窝振膜式轻质超材料结构的结构示意图；

图5是本发明实施例对另一种蜂窝振膜式轻质超材料结构进行声学对比测试图。

附图标号说明：

蜂窝振膜式轻质超材料结构100；蜂窝单元结构110；隔声膜120；碳纤维层410

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为了解决现有技术中的蜂窝结构的隔音效果差的技术问题，本发明的设计思想在于研究一种振膜式的隔声材料，与蜂窝结构材料结合，从而是蜂窝结构材料同时具备坚固及良好隔声的特性。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

如图1A、1B、1C所示，根据本发明的一个实施例，蜂窝振膜式轻质超材料结构的结构示意图，

该蜂窝振膜式轻质超材料结构100，包括：蜂窝单元结构110，包括开口六角型蜂窝芯；隔声膜120，覆盖在所述蜂窝单元结构110的端面上。

在本发明实施例中，所述蜂窝单元结构110为一个均质的、横向各向同性材料结构。其中，所述横向各向同性是指该材料垂直轴线的任何方向上弹性相同。

在本发明实施例中，所述隔声膜120为一个各向同性材料。其中，所述各向同性指的是该材料在不同方向所测得的物理、化学性能数值完全相同，亦称均质性。

首先，利用该蜂窝振膜式轻质超材料结构，一方面，采用了蜂窝结构，使结构整体的强度大大增加，且由于是开口六角型蜂窝芯其结构整体质量也较小，隔声膜采用轻质材料制成的，而且只增加了蜂窝结构不到6％的重量，保证了整体材料的轻质特征；另一方面，在蜂窝结构层的端面上设置了隔声膜，使噪音在通过隔声膜时，一部分噪音被阻隔，同时引起隔声膜震动，产生声阻抗与一部分噪音声波抵消进一步降低了噪音的通过，达到良好的隔音效果，最终，使蜂窝振膜式轻质超材料结构同时具备坚固、轻质及良好隔声的特性。

其次，采用该蜂窝振膜式轻质超材料结构，隔声膜覆盖在蜂窝结构的端面一侧，就好像一个鼓的外皮，当声波击中薄膜的时候，声音会反弹出去而不是穿透过去。这对于低频噪音非常有效，相比于没有薄膜覆盖的蜂窝板，有薄膜覆盖的蜂窝板都能阻挡100到1000倍的低于500Hz赫兹的低频声音。

此外，该蜂窝振膜式轻质超材料结构的生产成本低廉，可以由任何材料生产，只要不影响蜂窝板结构的完整性即可，特别是应用在航空技术领域，它可以使飞行经历更愉悦，尤其是对乘坐直升飞机的乘客。

在本发明实施例中，所述开口六角型蜂窝芯是由金属、陶瓷、复合材料或芳纶纤维板制成。本发明并不局限于上述材料，只要不影响蜂窝振膜式轻质超材料结构的完整性即可，这样既保证了结构的强度，又保证了结构的轻质特性，且降低了制造成本，拓展了应用的范围。

在本发明实施例中，所述蜂窝振膜式轻质超材料结构的等效静态质量密度，根据所述隔声膜120的密度、所述蜂窝单元结构110的等效静态质量密度及所述蜂窝振膜式轻质超材料结构100的厚度确定。

其中，所述蜂窝单元结构110的等效静态质量密度，根据所述蜂窝单元结构110的材料的质量密度确定。

其中，所述蜂窝振膜式轻质超材料结构的厚度为所述蜂窝单元结构与所述隔声膜的厚度之和。

具体而言，对于该蜂窝振膜式轻质超材料结构的等效静态质量密度可表示为：

此处，ρ_m是隔声膜的密度；是蜂窝单元结构的等效静态质量密度，ρ₀是蜂窝单元结构材料的质量密度；h为蜂窝振膜式轻质超材料结构的厚度，h＝h_m+h_c，h_m是隔声膜的厚度，h_c是蜂窝单元结构的厚度。

举例说明，

蜂窝单元结构采用芳纶纤维板材料制成，质量密度ρ₀＝1400kg/m³，壁厚t＝0.06mm，l＝3.7mm，h_c＝20mm，θ＝30°；本发明实施例仅以此为例，并不局限于这些材料及尺寸。该蜂窝结构单元的等效静态质量为给定θ的正六边形蜂窝结构，可使蜂窝振膜式轻质超材料结构在单位面积上获得最大抗压强度；如后面实验中所示，这样的单元尺寸会引起高频(>1kHz)处有一个隔声量STL(Sound Transmission Loss)谷。

膜材料采用乳胶橡胶，厚度h_m＝0.25mm，杨氏模量E_m＝5MPa，质量密度ρ_m＝980kg/m³，泊松比ν_m＝0.499；本发明实施例仅以此为例，并不局限于这些材料及尺寸。

由式(1)可得，蜂窝振膜式轻质超材料结构整体的面密度为ρ＝46.71kg/㎡；隔声膜单位面积的质量仅为0.95kg/㎡。所以，该蜂窝振膜式轻质超材料结构延续了蜂窝结构的轻质性。

在本发明实施例中，所述隔声膜的厚度为0.1-0.5mm，杨氏模量为5-9MPa，质量密度为500-1500kg/m³，泊松比为0.20-0.60；整体的面密度为0.50-2.00kg/m²。该隔声膜为轻质，相对于蜂窝结构整体仅占非常小的比例，采用该隔声膜既保证了隔声效果，又保证了该蜂窝蜂窝振膜式轻质超材料结构的轻质性。

请参见图2，其所示为蜂窝振膜式轻质超材料结构与现有蜂窝结构材料进行声学对比测试图。横坐标为频率/赫兹(Hz)，纵坐标为隔声量/分贝(dB)。用于测试的蜂窝振膜式轻质超材料结构，被制成如图1(c)所示的直径10cm的样品。之后进行了声学测试。

根据图2的测试结果，可以看出，没有隔声膜蜂窝结构材料，即一普通蜂窝结构，声音几乎完全穿透了；而附加隔声膜后(测试样件)，隔声量有显著提高，特别是低频处有25dB以上。从而在试验上也证明了本发明实施例提供的蜂窝振膜式轻质超材料结构具有突出的技术效果。

在本发明实施例中，所述隔声膜加紧在蜂窝单元结构的边界。由此，可以在前两阶的共振频率之间会产生一种窄带负动态等效质量，从而产生全反射，起到隔声作用。

在本发明实施例中，所述隔声膜分别覆盖在所述蜂窝单元结构的所述开口六角型蜂窝芯的两端面上。由此，可以进一步提高隔声量，保证了在仅增加微小质量的前提下，达到了更加好的隔音效果。

为了进一步提高声学性能，在蜂窝单元结构的顶部和底部均放置隔声膜，即双层膜结构。请参见图3，其所示为图3双层膜结构与单层膜结构的声学对比测试图。

以上述的给出的实例为基础进行计算，其等效静态密度增加到ρ＝58.05kg/㎡。

由图3可以看出，本材料采用双层膜的隔声量(STL)比单层膜至少要高出20dB。在低频(＜500Hz)时，始终远远高45dB。50-1600Hz的平均隔声量为37dB。

由此可见，双层膜的组合会对比单层膜隔声效果有较好的提升，并且由于双层膜之间相互反射产生驻波，使得双层膜结构并不是像简单叠加隔声量那样。

在本发明实施例中，所述隔声膜包括：堆栈多个不同的共振频率振膜。通过叠加几层膜来实现宽带噪声的降低，达到更宽频的隔声效果。

在本发明实施例中，请参见图4，所述的蜂窝振膜式轻质超材料结构，包括：多层蜂窝单元结构110，所述蜂窝单元结构110层之间的连接端面设置有所述隔声膜120。该结构采用了多层蜂窝结构使其结构强度更大，更加牢固。

在本发明实施例中，所述的蜂窝振膜式轻质超材料结构，包括：碳纤维层410，设置于所述多层蜂窝单元结构110外端面。进一步提高了整体结构的强度。

在本发明实施例中，所述碳纤维层的厚度为1mm，或其他需要的厚度，在保证提高整体结构的强度的同时，使质量的增加较小。

如图4所示，材料两侧为厚度1mm的碳纤维材料。中间为两层蜂窝结构，两层蜂窝之间有一层隔声膜。整个结构除去隔声膜的话重量为29.2g，加上振膜后重量为31g。检测数据如5，隔声膜的使用在整体结构的隔声效果上起到了决定性的作用，有隔声膜时，低频的隔声量远超于无振膜时的隔声量。

综上所述，本发明实施例提供蜂窝振膜式轻质超材料结构不仅在结构方面质量小、强度高，坚固耐用，而且在噪声控制方面具有良好的隔音效果，同时具备坚固、轻质及良好隔声的特性。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。