专利名称：一种新型低频隔声材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合材料及声波超材料技术领域，特别涉及一种新型低频隔声材料。
背景技术：
利用材料(构件、结构或系统)来阻碍噪声的传播，使通过材料后噪声能量减小的 方法，称为隔声。上述材料(构件、结构或系统)称为隔声材料(隔声构件、隔声结构或隔 声系统)。通常用隔声量来描述材料本身固有的隔声能力，其定义为噪声通过材料前后的 声能量比，即入射声能与透射声能之比取对数得到的分贝数，又称为传递损失，通常以符号 R或TL(dB)表示。根据传统质量定律，对于传统隔声材料，通常要求材料尺寸与波长相当，由于高频 声波波长较短，并且衰减较快，所以传统隔声材料对于高频声波的隔波效果较好，对于波长 较长的低频声波的隔波效果很差，往往需要相当大厚度和质量密度的材料才能实现较好的 隔声效果，而在很多工程实际中大尺寸和大密度材料是不能被应用的，所以低频隔声成为 声学领域一大难题。考察平面声波从图1中的特征阻抗R1 = P lCl的I介质垂直入射厚度为D，特征阻 抗为R2 = P 2c2的II介质，通过列出各列波表达式，利用界面声压连续条件、法向质点速度
连续条件、平磁件，可以翻声强翻娜=Ysu^k2D经过简化，得到4
(2R、、2
Ruik2Df
ωp2D从公式可以看出透射系数与材料II的密度和厚度成反比，与材料I的特征阻抗成 正比，即在材料I的特征阻抗一定的情况下，材料II密度越大，厚度越大，频率越高，透射系 数越小，隔声效果越好。这便是传统的质量定律。基于传统质量定律，经过设计的隔声材料对于高频声波的隔波可以达到很好的效 果，但对于低频声波几乎束手无策，由于日常生活中的低频噪声比较普遍，对人们工作和生 活的影响很大，并且低频声波衰减比较慢，使得对于低频声波的隔声降噪成为重要工程问 题。通常情况下300Hz以下的噪声即被称为低频噪声，比如大部分机器噪声、割草机、 汽车发动机、交通噪声、中央空调冷却塔噪声都属于低频噪声的范畴，而频率低至20Hz以 下的声音属于次声波，人耳不能分辩，但却可以引起心肺共振而对人体造成巨大伤害，已经 被归为次声武器范畴，所以对低频声波阻隔的研究刻不容缓。因此，目前本领域科研技术人员迫切需要解决的一个技术问题就是如何能够创 新地提出一种有效衰减低频声波的方法，以解决现有技术存在的问题，有效降低低频噪声 给人们生产、生活带来的不良影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型低频隔声材料，使低频声波透过材料 时得到很大程度的衰减，用以有效降低低频噪声的干扰。为了解决上述问题，本发明公开了一种新型低频隔声材料，所述材料包括杨氏模量大于IOGPa的用作框架且固定于外接设备上的硬质材料；杨氏模量小于IOOMPa的用作填充框架的软质材料；所述硬质材料与软质材料的 接触部分为固定连接。优选的，所述硬质材料包括普通钢、合金钢和铝合金。优选的，所述软质材料包括丁苯橡胶和硅橡胶。优选的，所述框架为网格状。优选的，通过黏贴或铆接的方式实现固定连接。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明通过将一种杨氏模量大于IOGPa的硬质材料的框架固定于外接设备，并用 杨氏模量小于IOOMPa的软质材料对其进行填充，同时所述的硬质材料与软质材料的接触 部分为固定连接，当声波入射到材料表面时，固定的硬质材料相当于质量无穷大的刚体，在 某一频率点附近硬质材料和软质材料发生共振，而在该共振频率点以下材料的等效质量为 负值，导致在该频段内通过的声波能量随传播距离的增加呈指数衰减，从而实现了对低频 声波的阻隔。
图1是现有技术中所述的声波从一种介质垂直入射进入另一种介质的示意图；图2是本发明实施例所述的一种新型低频隔声材料的示意图；图3是本发明实施例所述的低频隔声材料对应的弹簧质量系统中一个负质量单 元的力学模型示意图；图4是本发明实施例所述的低频隔声材料对应的一维无限长弹簧质量离散系统 的示意图；图5是本发明实施例所述的低频隔声材料通过隔声测试实验得到的传递损失曲 线示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。实施例参照图2，本发明所述的一种新型低频隔声材料的示意图，可以看出该隔声材料为 两相材料，所述材料具体包括杨氏模量大于IOGPa的用作框架且固定于外接设备上的硬质材料；优选的，所述硬质材料包括普通钢、合金钢和铝合金。所谓杨氏模量(Young' s modulus)是表征物质材料在弹性限度内抗拉或抗压能力的物理量，它是材料的固有属性，是材料力学中的名词，本文中提到的杨氏模量是指纵向 (比如材料的纤维增强方向、长度方向等)的弹性模量。本实施例中通过选用杨氏模量大于 lOGPa的硬质材料作为框架，并且将所述的框架固定于需要降低低频噪声的外接设备上。具 体来说，如果将所述的低频隔声材料用于房屋的隔音，则将用所述的硬质材料制作的框架 固定于墙壁上，又或者如果将所述的低频隔声材料用于汽车等交通工具的隔声，则将用所 述的硬质材料制作的框架固定于所述交通工具的外壳上。实际应用中，所述的硬质材料可 以选用普通钢、合金钢和铝合金等。杨氏模量小于lOOMPa的用作填充框架的软质材料；所述硬质材料与软质材料的 接触部分为固定连接。优选的，所述软质材料包括丁苯橡胶和硅橡胶。硬质材料作为框架，所述的框架用杨氏模量小于lOOMPa的软质材料进行填充，并 且填充后所述的硬质材料和软质材料的接触部分为固定连接，所谓的固定连接具体来说是 指两种材料之间不会发生相对运动。优选的，通过黏贴或铆接的方式实现固定连接。实际应用中，在用软质材料对硬质材料框架进行填充时，通过将软质材料和硬质 材料接触的部分进行黏贴或铆接从而实现两者的固定连接。实际应用中，所述的软质材料 可以选用丁苯橡胶和硅橡胶等。优选的，所述框架为网格状。假设当前硬质材料为不锈钢，其框架为网格状，用丁苯橡胶对不锈钢的网格状框 架进行填充时，将网格的内边缘涂抹黏贴剂后将橡胶填充进去，通过黏贴实现丁苯橡胶和 不锈钢接触部分的固定连接。需要说明的是，实际中还有很多其他填充和固定的方式，如将 片状丁苯橡胶覆盖到不锈钢网格上，通过黏贴或铆接等方式进行固定也是可以的，只要能 够实现振动中两者相对固定，不发生滑动就可以。这里为了简要说明仅选取已做出样品的 图2的实例进行介绍。需要说明的是，本实施例中对应用中常用的硬质材料和软质材料进行了举例介 绍，实际中可以按照本实施例中所述的杨氏模量值的范围选取硬质材料和软质材料，当然 由于材料选择的不同隔声效果也会有一定的变化。同时，图2中给出了一些具体尺寸，所涉 及到数字仅是为了直观而进行的举例介绍，实际中可以经过设计选取其他的尺寸。并且，所 介绍硬质材料的框架为网格状，实际应用中还可以为其他多种形状，如孔洞状等等。通过固定硬质材料的框架以及保持软质材料和硬质材料之间的固定连接，实现 声波入射到材料表面时，硬质材料和软质材料在某一频率点附近发生共振，在该共振频率 点以下材料的等效质量为负，导致在该频段内通过的声波能量随传播距离的增加呈指数衰 减，从而实现了对低频声波的阻隔。这里进一步说明本实施例所述的低频隔声材料的隔声原理。图3是所述隔声材料 对应的弹簧质量系统中一个负质量单元的力学模型示意图；其中，F为声波传播过程中单 元所受的力，G为单元内部弹簧(对应软质材料)的弹性系数，u为外圈质量块(对应软质 材料)的位移，！^为软质材料的质量。根据牛顿第二定律，外圈所受的合力等于加速度力， 则有F-Gu = -% 、，又可以写成F= (G-m0co2)Uo如果我们把整个复合质量单元看成是 一个没有内部结构的实心质量块，定义其等效质量为mrff，那么运动方程即为F = -mrff 2u。等效原理要求两种结构服从同样的运动方程，就要求_mrff co2 = G-m0 2，最终得到等效质量 为 meff = m。-G/w2，或式中(0。为共振角频率，Co为激励角频率，可以发现当(0 < 。时，等效质量为负值。基于实际应用中所述的低频隔声材料是一个连续体，连续体模型可以认为是无穷 多个离散体的集合，因此在用离散体模型对其进行描述时，需要用弹簧将无穷多个负质量 单元进行连接，如图4所示。当平面声波在该具有负质量单元的离散体系统中传播时，其位 移通解可以写作(假设沿x方向传播)u = U(leXp(ikX-i t)，其中A =其中P是 质量密度，k是体积模量，传统介质的质量密度均为正值，所以k是一个实数，而如果介质 的质量为负(如上述负质量单元结构)，那么k就是一个纯虚数，如果将其写成这样的形式 k = ih，其中h是实数，代入位移解中得到u = i^exp&lvOexp&icot)，从中可以看出位 移幅值(即声能)随着声波传播距离的增大呈指数衰减，所以透过的声波能量就会很少，从 而达到了隔声的效果。基于以上原理，图2所示也即本文中的实施例，是经过设计的具有低频隔声效果 的连续体模型，与负质量单元模型的对应关系为外圈大质量及单元内部弹簧对应软质材 料部分，单元内部固定质量块对应硬质材料部分，从而实现了共振频率以下等效质量为负 值，达到了低频隔声的目的。实验测试中，白噪声进入内径100毫米的阻抗管内形成平面波，入射到实施例所 述的低频隔声材料表面后，一部分声波被反射，一部分声波被材料本身吸收，一小部分声波 穿过材料。图5给出了实施例所述的低频隔声材料的传递损失的实验测试曲线，其中横轴 代表频率值，纵轴代表的是噪声的传递损失(TL)，亦即隔声量，可以看到隔声量在低频段可 以达到70dB，在共振频率以下平均隔声量也可以达到40dB，并且在共振频率以下频率越低 隔声效果越好，正好与传统材料隔声效果相反，使得低频声能被大大削减，从而达到了降低 噪声的目的。需要说明的是，实施例材料的共振频率在1100Hz附近仅是一个举例，应用中 可以根据实际需求进行相应的设计，以满足具体的隔声要求。以上对本发明所提供的一种新型低频隔声材料进行了详细介绍，本文中应用了具 体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发 明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，可以在具 体实施方式及应用范围上进行调整以满足实际需求，综上所述，本说明书内容不应理解为 对本发明的限制。
权利要求
一种新型低频隔声材料，其特征在于，所述材料包括杨氏模量大于10GPa的用作框架且固定于外接设备上的硬质材料；杨氏模量小于100MPa的用作填充框架的软质材料；所述硬质材料与软质材料的接触部分为固定连接。
2.根据权利要求1所述的低频隔声材料，其特征在于 所述硬质材料包括普通钢、合金钢和铝合金。
3.根据权利要求2所述的低频隔声材料，其特征在于 所述软质材料包括丁苯橡胶和硅橡胶。
4.根据权利要求3所述的低频隔声材料，其特征在于 所述框架为网格状。
5.根据权利要求4所述的低频隔声材料，其特征在于 通过黏贴或铆接的方式实现固定连接。
全文摘要
本发明提供了一种新型低频隔声材料，通过将一种杨氏模量大于10GPa的硬质材料的框架固定于外接设备，并用杨氏模量小于100MPa的软质材料对其进行填充，同时所述的硬质材料与软质材料的接触部分为固定连接，当声波入射到材料表面时，固定的硬质材料相当于质量无穷大的刚体，在某一频率点附近硬质材料和软质材料发生共振，而在该共振频率点以下材料的等效质量为负值，导致在该频段内通过的声波能量随传播距离的增加呈指数衰减，从而实现了对低频声波的阻隔。
文档编号G10K11/168GK101908338SQ201010226308
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月6日 优先权日2010年7月6日
发明者周萧明, 姚姗姗, 胡更开 申请人:北京理工大学