专利名称：声能吸收超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及全新的能量吸收材料，特指吸收声能并提供屏蔽或声障碍。具体而言，本发明涉及一种用作声波吸收系统的暗声学超材料，尽管该系统是几何上开放的。
背景技术：
低频声波的衰减一直都是一个颇具挑战性的任务，因为耗散系统的动力学特性通常由线性响应函数所描述，摩擦力和摩擦流均正比于响应变量随时间变化的速率。所以能量的耗散或吸收功率正比于响应变量时间变化率的平方，这也是均匀材料对低频声波微弱吸收性的原因。为了提高低频下的耗散，通常需要增大有关材料中的能量密度，比如通过共振的方式。
发明内容
本发明包括以下方面:I) 一种声能吸收超材料，包括:封闭的平面框架；固定于所述框架上的弹性薄膜；附着于所述弹性薄膜上的至少一个硬片，该硬片具有非对称形状，且该硬片的一条直边附着于所述弹性薄膜上，该硬片构成了一个结构单元并具有事先确定的质量，该结构单元的振动包含有若干个频率可调的振动模式。2)上述第I)项所述的声能吸收超材料，其中所述硬片的振动模式提供了可调的频率，所述频率近似按照所述硬片的质量平方根的倒数变化。3)上述第1)-2)项中任一项所述的声能吸收超材料，其中所述硬片的振动模式提供了可调的频率，所述频率可随着所述不对称硬片之间距离的改变而变化。4)以上第I) -3)项中任一项所述的声能吸收超材料，还包含至少I个铝反射板，该铝反射板放置于所述薄膜之后，且该铝反射板与所述薄膜之间的距离为事先约定的近场距离。5)以上第I)-4)项中任一项所述的声能吸收超材料，可包含2个硬片。6)以上第I)-5)项中任一项所述的声能吸收超材料，其中由所述结构单元所确定的本征频率至少有2个，并且所述框架安排所确定的共振频率介于所述2个本征频率之间。7)以上第I)-6)项中任一项所述的声能吸收超材料，其中所述结构单元所带有的所述硬片由于振动的原因具有可调的共振频率，可通过增大或减小相邻的所述硬片之间的距离来调节所述共振频率，因此允许挑选该共振频率作为所述结构单元之间的有损耗的内核。8) —种包含以上第1)-7)项中任一项所述的声能吸收超材料的声能吸收面板，其中相邻的所述框架间的距离与所述框架的大小具有事先确定的关系。
图1A是一个单元吸收性能的图形描述。图1B是图1A中的样品在172赫兹处振幅-位置的图形描述。图1C是图1A中的样品在340赫兹处振幅-位置的图形描述。图1D是图1A中的样品在710赫兹处振幅-位置的图形描述。图1E是图1A-1D中样品单元的相片。图2显示了杨氏模量的数值。图3是一个样品的吸收-薄膜振幅的图形描述。图4包含一系列的图，显示了计算得到的弹性势能能量密度的分布(左栏)、应变张量的迹(中栏)、以及xy平面内的位移w (右栏)。图5A显示了测量得到的2层样品的吸收系数。图5B是结构的相片。图6A和6B显示了 172赫兹(图6A)和813赫兹(图6B)下的吸收峰与质量平方根倒数和铁片距离倒数的关系。图7显示了 I层薄膜(图7A)和5层薄膜(图7B)的吸收。图8是45°斜入射实验装置的相片。图9显示了不同入射角时测得的吸收系数，其入射角为:0° (图9A)、15° (图9B)、30。(图 9C)、45° (图 9D)和 60。(图 9E)。
具体实施例方式概沭“超材料”一词是指通过共振方式与入射波耦合的材料。在开放系统中，共振的辐射耦合是另一种有效减小吸收的方式。尽管声学超材料的出现极大地拓宽了材料参数的可能空间，但迄今为止，还没有一种亚波长共振结构能够有效地吸收低频声波。与此对应的是，为了能够有效地吸收电磁波，多种电磁波超材料已被设计出来，“光学黑洞”也已经实现。通过在弹性薄膜上镶嵌特定款式的硬质金属片而制成的声学超材料在170赫兹的低频处可吸收86%的入射声波，双层超材料在最低和稍高些的若干共振频率处可以吸收高达99%的入射声波。因此，这些超材料在这些频段对声波是“暗”的。共振模式的空间分布函数及共振频率的有限元数值模拟的结果和实验数据符合得非常好。尤其是，在共振模式中，测量得到的位移场剖面分布函数的斜率在金属片的边界附近是不连续的，意味着在这些细小的空间内蕴藏着显著增强的弹性曲率能量，而这些能量又与声波的辐射模式几乎没有耦合，这就导致了入射声波的强烈吸收。这类似于一个共振腔系统，只不过这里的共振腔是几何上开放的。需要注意的是，本发明的薄膜型超材料与之前的反共振频率工作机制是不同的。反共振频率处于两个本征共振频率之间，此时结构与声波没有耦合(伴随着动态质量密度在此频率附近的发散行为)，因而产生了强烈的反射。没有耦合，自然也就没有吸收。但即使在共振频率附近，测量得到的吸收系数仍然较低，这是由于与声波的辐射模式之间有较强的耦合作用，从而产生了较高的透射。与此相反，在暗声学超材料中高能量密度区域仅仅与辐射模式有微弱的耦合，从而导致了在开放式共振腔中的几乎完全吸收。在这样的安排下，反共振模式并没有多大作用。反共振本质上是阻挡声波的，而不是吸收声波。例子图1A给出了图1E所示的一个结构单元的吸收性能的图形描述。在图1A中，111曲线表示测量得到的样品A 的吸收系数。有3个吸收峰，分别位于172、340和813赫兹，用实线箭头标记于曲线111附近。172、340和710赫兹的虚线箭头标记出了有限元模拟预测的吸收峰位置。813赫兹的峰是实验观测到的曲线111上“D”点的频率位置。710赫兹的箭头显示了数值计算给出的频率位置。理想情况下，710赫兹和813赫兹这两个数值应该是相等的，此处的差异显示由于物理性质的原因，对样品A的理论计算并不能完全准确。图1A的结构单元含有一块长度为31毫米、宽度为15毫米、厚度为0.2毫米的矩形弹性薄膜，其四周用硬质边框固定住。每块薄膜的表面都镶嵌有2片半圆形的金属铁片，其半径为6毫米，厚度为I毫米。为了有利于“拍动”模式的产生，铁片有意设计为非对称的半圆形，原理见后文。这就产生了一个相对较硬网格，可看作是一个封闭的平面框架，覆盖几十厘米到几十米的范围。此外，铁片可用非对称形状的其它的硬或半硬的材料(包括但不局限于各种常见金属，如铝、铅、钢等；以及各种塑料，如聚苯乙烯、聚氯乙烯、亚克力等)代替。这种构型的样品称之为样品A，在图1A中薄膜位于xy平面内，2块金属片布置于y轴的两侧，声波沿z方向入射。这种相对简单的结构单元有利于我们理解有关的物理机制，也方便了实验测量与理论模型的比较和分析。样品A的3个剖面分布函数分别画在图1B、1C和ID中。该函数给出了图1A中
B、C和D点处薄膜的法向位移w沿着结构单元中线(X轴)的剖面分布。其中的直线部分(7.5mm ^ x彡13.5mm)即为铁片的位置，可认为是刚性的。图1B、IC和ID中的圆圈链131、132、133代表激光测振仪得到的实验数据。实线141、142、143表示有限元数值模拟的结果。样品A的相片显示在图1E中。实验测量得到的样品A的吸收系数频谱如图1A所示，一共有3个共振吸收峰，分别位于172赫兹、340赫兹和813赫兹附近，也许最让人吃惊的莫过于172赫兹附近的第I个吸收峰，超过70%的入射声波的能量被样品吸收了。这是一个令人惊异的结果，因为薄膜的厚度只有200微米，而该频率处声波在空气中的波长约为2米。图1A显示这一现象直接起源于弹性薄膜共振时的振动模式。图1A中位于172、340和710赫兹处的箭头指示了计算得到的吸收峰频率位置。橡胶薄膜的杨氏模量和柏松比分别是1.9X IO6Pa和0.48。实验中用到的薄膜是用型号为Silastic 3133的娃橡胶(得自DowCorning或旭日成化工)制成的，其杨氏模量和泊松比是测量得到的。图2显示了杨氏模量的数值。圆圈211、222、223表示杨氏模量在几个频率处的实验数据。虚线表示1.9X IO6Pa,其为相关频率范围取值区间内的平均值。
测量时采用了 ASTM E-756夹层梁配置法:薄膜的弹性参数是根据无膜(只有两块钢板)和有膜(两块钢板中间夹着一层薄膜)时系统动力学性质的变化而得到的。通过这种方法，可得到薄膜的剪切模量在若干个频率处的数值。同时，测量发现薄膜的泊松比约为
0.48。因此，根据弹性常数之间的关系式，Ε=2μ (1+V), (0.1)我们 可以得到在这几个频率处杨氏模量的数值，如图2中圆圈211、222、223所示。对于我们所采用的硅橡胶材料，其杨氏模量在相关频率范围内的取值区间是从
1.2 X IO6Pa到2.6 X IO6Pa0为了简化模型，我们采用了一个与频率无关的杨氏模量，其值为E=L 9 X IO6Pa,如图2中虚线所示。杨氏模量的虚部为Im(E) ^ ω xQ，其中x。=7.96 X IO2Pa.s是通过拟合实验吸收谱而得到。模拟计算时，发现了多个本征态，我们从中挑选出了具有左右对称性(即关于y轴对称)的本征态，因为非对称的本征态不能被正入射的平面声波所激发。这样挑选出来的吸收峰分别位于172赫兹、340赫兹和710赫兹附近，在图1A中用虚线箭头标出，它们与实验观测到的3个吸收峰的位置符合得很好。图1B、IC和ID中，画出了在3个共振吸收峰附近，样品A的一个结构单元中z方向位移分量w沿着X轴的剖面分布函数。圆圈链131、132和133表示用激光测振仪得到的实验数据，实线141、142和143表示有限元数值模拟的结果，它们符合得非常好。其中最显著的特征是:尽管z方向位移w在铁片的边界上是连续的(金属铁片位于w的直线部分，其相应的曲率为零)，但w沿着垂直于铁片边界方向上的一阶空间导数却有一个急剧的不连续性。对于最低频的吸收峰的共振模式，这一不连续性是由于2块半圆形铁片相对y轴作对称性的“拍动”所引起的，此时2块铁片就像鸟的“两翼”一样来回拍动。而对于712赫兹吸收峰的共振模式，这一不连续性则是由中央薄膜(位于结构单元中央的那部分薄膜)的大幅振动所引起的，此时2块铁片起着“锚”的作用。拍动使得铁片的运动并不是沿着z方向(薄膜法线方向)的纯平动。参与拍动的铁片，其不同部分有不同的法向位移(相对于平衡位置而言)。从物理上说，铁片的拍动可看作是沿着Z方向的纯平动和绕着平行于X轴的转动的叠加。这些本征模式的特征提示了其共振频率如何去调节:对于“拍动”模式,其本征频率正比于铁片质量平方根的倒数；而对于中央薄膜振动模式，其本征频率会随着2块铁片之间距离的改变而变化，如图2所示。介于两者之间的第2个吸收峰的振动模式，仍然是一种“拍动”，只不过作为两翼的铁片，其两端的运动是反相的。铁片非对称的形状增强了拍动模式。另一组样品B，其结构单元中每块弹性薄膜的长度增加到159毫米，宽度和厚度则保持不变。每块薄膜的表面镶嵌有8片相同的半圆形的金属铁片。这些铁片分为左右两组，每组4片。两组铁片对称地布置于y轴的两侧，相距32毫米。在每组内部，相邻铁片之间的周期为15毫米。样品B用来实现在多个频率几乎百分之百地吸收低频声波。图3给出了样品B的吸收系数-薄膜位移之间的关系，显示了通过在薄膜后方的近场距离内放置一个或多个铝反射板来调节阻抗的影响。圆圈321-325表示当薄膜与铝板之间的距离从7毫米逐渐增加到42毫米(步长为7毫米)时，实验测量得到的172赫兹处的吸收系数。水平虚线341表示将铝板去掉，即铝板移到无限远处时的吸收系数。
图3给出了当入射声波的压强振幅为0.3Pa时，172赫兹的吸收系数随着薄膜最大法向位移振幅的测量值之间的函数关系。圆圈321-325中的每一个对应于薄膜-铝板距离从7毫米变化到42毫米的一种情况，步长为7毫米。可以看出，在薄膜后增加一层空气垫可以增强声波的吸收，对于42毫米的膜-板距离(此长度约为空气中波长的2%)吸收系数可达到86%。然而，若将铝板移到无限远的地方，最终反而会减小吸收系数，如图中虚线341所示。通过考察在弹性固体薄板中传播的弯曲波所满足的双调和方程，可以找到强烈吸收的一个解释:
权利要求
1.一种声能吸收超材料，包括: 封闭的平面框架； 固定于所述框架上的弹性薄膜； 附着于所述弹性薄膜上的至少一个硬片，该硬片具有非对称形状，且该硬片的一条直边附着于所述弹性薄膜上，该硬片构成了一个结构单元并具有事先确定的质量， 该结构单元的振动包含有若干个频率可调的振动模式。
2.权利要求1中所述的声能吸收超材料，其中所述硬片的振动模式提供了可调的频率，所述频率近似按照所述硬片的质量平方根的倒数变化。
3.权利要求1中所述的声能吸收超材料，其中所述硬片的振动模式提供了可调的频率，所述频率可随着所述不对称硬片之间距离的改变而变化。
4.以上权利要求中任意一项所述的声能吸收超材料，还包含至少I个铝反射板，该铝反射板放置于所述薄膜之后，且该铝反射板与所述薄膜之间的距离为事先约定的近场距离。
5.以上权利要求中任意一项所述的声能吸收超材料，可包含2个硬片。
6.以上权利要求中任意一项所述的声能吸收超材料，其中由所述结构单元所确定的本征频率至少有2个，并且所述框架安排所确定的共振频率介于所述2个本征频率之间。
7.以上权利要求中任意一项所述的声能吸收超材料，其中所述结构单元所带有的所述硬片由于振动的原因具有可调的共振频率，可通过增大或减小相邻的所述硬片之间的距离来调节所述共振频率，因此允许挑选该共振频率作为所述结构单元之间的有损耗的内核。
8.一种包含有权利要求1中所述的声能吸收超材料的声能吸收面板，其中相邻的所述框架间的距离与所述框架的大小具有事先确定的关系。
全文摘要
本发明提供了一种声能吸收超材料，包括至少一个带有弹性薄膜的封闭平面框架，该薄膜上附着有一个或多个硬片。所述硬片具有非对称的形状，且有一条直边附着于所述薄膜上，因此所述硬片构成了具有事先确定的质量的结构单元。此结构的振动包含有若干个频率可调的共振模式。该声能吸收超材料尽管是几何上开放的，但能够有效地吸收低频声波。
文档编号G10K11/162GK103137118SQ201210490610
公开日2013年6月5日 申请日期2012年11月27日 优先权日2011年11月30日
发明者沈平, 杨志宇, 温维佳, 梅军, 马冠聪 申请人:香港科技大学