一种基于共振腔的中低频吸声超材料结构的制作方法

本发明涉及一种基于共振腔的中低频吸声超材料结构，属于声学领域。

背景技术：

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。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，广泛的应用于中低频振动噪声隔绝中。

共振腔是一种基础吸声结构，N.Sugimoto等人就利用Bloch定理计算周期排列在管道旁的共振腔可以产生“stop band”，也就是禁带。2008年HU等人通过实验证实周期排列的共振腔声学超材料可以产生禁带，自此以来国内外许多研究学者设计了一些基于共振腔的局域共振型声学超材料。

目前的局域共振型吸声材料均为多种材料组成，设计难度高，加工工艺十分复杂。基于共振腔的吸声超材料，均多为一维超材料，尺寸较大，对空间要求较高，不能满足常规使用环境。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于共振腔的中低频吸声超材料结构，容易加工，整体密度较小，即可很好地运用于实际工程中。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于共振腔的中低频吸声超材料结构，包括若干个单胞，所述单胞通过第一连接体组成一个m行、n列的板状结构，其中n为3的倍数，即三列单胞为一个周期，所述单胞包含依次连接的第一共振腔、第二共振腔和第三共振腔，第一共振腔、第二共振腔和第三共振腔依次通过第二连接体连接；一个单胞的第一共振腔、第二共振腔和第三共振腔均设有方向不同的通孔，每列第一共振腔、第二共振腔和第三共振腔的通孔方向均一致，每列第一共振腔、第二共振腔或第三共振腔形成了一组一维周期共振腔结构，总体组成三维周期共振腔结构，一个周期中的三列第一共振腔的通孔方向交替设置。

作为优选，所述通孔为圆形、三角形或矩形。

作为优选，所述单胞、第一连接体、第二连接体为同一材料制成，通过3D打印制备。

有益效果：本发明的基于共振腔的中低频吸声超材料结构，具有以下优点：

1)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吸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。

2)质量轻，共振腔是空心结构，超材料整体密度可以不超过1300kg/m³。

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。

4)与相同质量的传统材料相比，具有更好的中低频吸声效果。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图。

图2为本发明的剖视结构示意图。

图3为图1的仰视结构示意图。

图4为传递损失曲线图。

图5为声学超材料放置在阻抗管中的实验结果图。

图6为吸声曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图3所示，本发明的一种基于共振腔的中低频吸声超材料结构，包括若干个单胞，所述单胞通过第一连接体组成一个m行、n列的板状结构，其中m、n为正整数，n为3的倍数，即三列单胞为一个周期，即为一个结构体1，每列单胞至少包含一个单胞，即一列单胞为一个单元体2，所述单胞3包含依次连接的第一共振腔5、第二共振腔6和第三共振腔7，第一共振腔5、第二共振腔6和第三共振腔7依次通过第二连接体8连接，所述结构体1、第一连接体、第二连接体8为同一材料制成，通过3D打印制备；一个单胞3的第一共振腔5、第二共振腔6和第三共振腔7均设有方向不同的通孔4，通孔4为圆形、三角形或矩形，每一列单元体2的第一共振腔5、第二共振腔6和第三共振腔7的通孔4方向均一致，一个结构体1中三列第一共振腔5的通孔4方向交替设置。如图1和图2所示，第一列第一共振腔5的开孔方向为X轴方向，第二列第一共振腔5的开孔方向为Z轴方向，第三列第一共振腔5的开孔方向为Y轴方向；第一列第一共振腔5的开孔方向为X轴方向，第一列第二共振腔6的开孔方向为Y轴方向，第一列第三共振腔7的开孔方向为Z轴方向。

在本发明中，同一个单胞3上三个共振腔的通孔4方向不同，包括x、y、z三个方向。单元体2之间和共振腔之间必须有间隙，声波需要通过单元体2之间的间隙进入到有开孔的共振腔中，间隙相当于一段声波导。第一连接体、第二连接体、第二连接体8可以为任意结构，保证共振腔之间有间隙即可。单元体2的高度小，结构体1大厚度要薄。共振腔横截面积与单胞3的横截面积之比要大，共振腔部分越大，整体板件越轻。

在本发明中，第一共振腔5、第二共振腔6、第三共振腔7分别只能对某一频段实现较好的吸声特性，当需要宽频吸声的时候，三个共振腔组合成单元体2，由于三个共振腔的腔体相同而开孔方向不同，形成三个宽高比不同的共振腔，三个共振腔的吸声频率不同，组成单元体2后会形成三个吸声量峰值，从而把峰值和峰值之间的吸声量也抬高，达到宽频吸声效果。

由单元体2阵列形成声学超材料后，传递损失曲线如图4所示，曲线中有三个传递损失峰值，三个峰值频率分别对应于三个共振腔的共振频率。

在本发明中，所述共振腔体积为：V＝10mm³-1×10¹⁰mm³，腔壁厚度为：0.05mm-10mm，开孔的孔径：0.05mm-100mm，连接体的宽度为0.05mm-10mm单胞3中三个共振腔a、b、c的尺寸和宽高比分别为：

小孔的半径为1mm，高为1mm；连接体高8mm，长和宽均为1mm。单胞3在由连接体连接排列成吸声超材料。

本发明的具体制备过程如下：

1.利用ANSYS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。

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，喷射树脂并逐层固化，完成结构。

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。

本发明所涉及的单元体2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1。可以单独制作单个共振腔，再用胶水粘贴，也可以直接一体打印出来。由单元体阵列形成声学超材料后，传递损失曲线如图4所示，曲线中有三个传递损失峰值，三个峰值频率分别对应于第一共振腔5、第二共振腔6、第三共振腔7的共振频率。取一定尺寸的声学超材料放置在阻抗管中进行实验，实验结果如图5所示，在中低频有良好的吸声效果，从1000Hz-1600Hz，吸声系数均在0.75以上。对传统吸声结构微穿孔板做吸声实验，微穿孔板的厚度为1mm，小孔半径为1mm，穿孔率为6.14％。吸声曲线对比如图6所示，本发明声学超材料吸声效果明显优于微穿孔板。