隔声板件及其多级联Helmholtz声学超材料共振结构、设计方法与流程

本发明涉及声学超材料，特别是指一种隔声板件及其多级联helmholtz声学超材料共振结构、设计方法。

背景技术：

1、现代社会中，低频噪声广泛地存在于工业、航空和交通铁路等诸多领域中，对相关领域的仪器、设备等造成重大影响，存在着较为严重的安全隐患；同时，低频噪声还会影响人们的工作和生活。传统的低频噪声控制方法一般是采用较为厚实的混凝土墙体，或者是结构较为复杂的复合材料结构，尤其是后者，存在着制备困难、成本较高等缺点。由于低频噪声具有波长长、传播距离远、衰落弱等特点，对其进行有效控制一直是噪声控制领域中非常具有挑战性的课题。

2、声学超材料是一种具有负等效特性的周期性亚波长结构组成的复合材料，可以通过小尺寸控制大波长。近年来，研究者们提出了大量的helmholtz腔型的声学超材料，为低频噪声的控制提供了有利的结构模型。在相关的helmholtz声学超材料中，对于单个共振频率吸隔声结构而言，其只有一个较好的吸隔声峰值，而较窄的隔声频带使得产品的实际应用受到限制，应用场景单一。而对于具有较宽的隔声频带的产品，其加工工艺、流程都十分复杂，导致较高的成本、较长的制备周期。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种隔声板件及其多级联helmholtz声学超材料共振结构、设计方法，可以解决现有技术中存在的问题，实现宽频隔声的效果，使得产品的应用场景更加丰富，并且结构设计得到优化，实现易加工、降低成本等。

2、为了达成上述目的，本发明的解决方案之一是：

3、一种多级联helmholtz声学超材料共振结构，包括沿着声波入射方向依次固定连接的至少两级薄膜-helmholtz共振结构，以及用于固定最后一级薄膜-helmholtz共振结构的均质板；每级薄膜-helmholtz共振结构均包括沿着声波入射方向依次设置的薄膜和板材，所述薄膜与所述板材的相对面密封连接；所述板材上开设有沿着声波入射方向依次同轴设置的第一通孔和第二通孔；所述第二通孔与所述第一通孔连通以构成所述薄膜-helmholtz共振结构的共振腔，且所述第二通孔的尺寸大于所述第一通孔的尺寸，各级薄膜-helmholtz共振结构的第一通孔、第二通孔在声波入射方向上呈开口尺寸渐大的阶梯状。

4、所述薄膜与所述板材之间、所述板材与所述均质板之间均通过粘接剂实现粘接。

5、优选地，所述粘接剂为ab胶水、uv胶、环氧树脂胶或abs专用胶。

6、所述板材由第一框架和第二框架组成，所述第一框架、第二框架均为镂空有孔洞的板件，并分别成型有所述第一通孔、第二通孔。

7、所述薄膜的材质包括pet、pvc、pv、硅胶、tpu、pu、pi、pei中的至少一种。

8、所述薄膜的杨氏模量为0.2~2000mpa，泊松比为0.3~0.4，密度为900~1200kg/m3，厚度为0.01~0.5mm。

9、所述板材的材质为abs、亚克力、聚氨酯、玻璃钢、铝、铁、硅酸钙、石膏或水泥纤维。

10、本发明的解决方案之二是：

11、一种隔声板件，由所述的多级联helmholtz声学超材料共振结构构成一个共振单元，由若干个共振单元按矩形阵列排布形成所述隔声板件。

12、所述隔声板件为沿着声波入射方向依次设置的整片薄膜与整片的板材的循环层叠，以及贴合在最后一级板材侧面的整片均质板构成的多级复合结构，所述板材上按照共振单元的中心间距加工有若干呈矩形阵列的第一通孔和第二通孔。

13、本发明的解决方案之三是：

14、一种隔声板件的设计方法，对所述隔声板件的薄膜、板材的共振频率进行设计；所述薄膜的共振频率计算公式为

15、

16、其中，n为固有频率阶数，取1、2、3等大于0的正整数；r为圆形薄膜的半径或者多边形薄膜的当量直径，单位m；t为薄膜表面的张力，单位n/m；ρ为薄膜的密度，单位m3/kg；σ为薄膜的厚度，单位m；un为固有频率因子，为一阶u1=2.4048，u2=u3=3.8317，u4=u5=5.1356，u6=5.5201；

17、所述板材的共振频率计算公式为：

18、

19、其中，c为空气中的声速，取340m/s；s为所述第一通孔的截面积，单位m2；l为所述第一通孔的长度，单位m；r为圆形第一通孔的半径或者多边形第一通孔的当量直径，单位m；vr为所述第二通孔的体积，单位m3。

20、采用上述技术方案后，本发明具有以下技术效果：

21、①通过在板材的第一通孔处耦合了一层薄膜，使得板材的等效质量由第一通孔处的空气质量变为第一通孔处的空气质量与薄膜的质量之和，通过调节薄膜的物理参数和第一通孔的尺寸可以调节目标频率可调，产品的可设计性得到增强；

22、②由于薄膜的本征模态，当入射声波与薄膜产生共振时，可以利用薄膜的弹性应变能使得板材内部声共振的声能量消耗增大，而且薄膜本身由于局域共振原理会产生一定的声学带隙，在带隙内声波将难以传播，进而实现阻隔噪音通过本发明的结构，实现耦合共振结构的隔声效果；

23、③通过在声波的传播方向上设计多级、相互串联的薄膜-helmholtz共振结构，每级薄膜-helmholtz共振结构之间的耦合作用可以提升上一级薄膜-helmholtz共振结构的隔声性能，同时利用不同薄膜-helmholtz共振结构的共振频率不同而产生的多个隔声频带进行互补组合达到宽频隔声的效果；

24、④相比于传统复合材料的复杂结构和加工工艺，本发明只需对板材的第一通孔和第二通孔进行加工，再对板材进行加工后与薄膜、均质板贴合即可得到成型的隔声板件，可以实现工艺的优化与简化，使得生产效率提高、生产成本降低。

技术特征：

1.一种多级联helmholtz声学超材料共振结构，其特征在于：

2.如权利要求1所述的多级联helmholtz声学超材料共振结构，其特征在于：

3.如权利要求2所述的多级联helmholtz声学超材料共振结构，其特征在于：

4.如权利要求1所述的多级联helmholtz声学超材料共振结构，其特征在于：

5.如权利要求1所述的多级联helmholtz声学超材料共振结构，其特征在于：

6.如权利要求1所述的多级联helmholtz声学超材料共振结构，其特征在于：

7.如权利要求1所述的多级联helmholtz声学超材料共振结构，其特征在于：

8.一种隔声板件，由权利要求1至7任一所述的多级联helmholtz声学超材料共振结构构成一个共振单元，由若干个共振单元按矩形阵列排布形成所述隔声板件。

9.如权利要求8所述的隔声板件，其特征在于：

10. 一种隔声板件的设计方法，对权利要求8或9所述的隔声板件的薄膜、板材的共振频率进行设计，其特征在于：

技术总结
本发明公开一种隔声板件及其多级联Helmholtz声学超材料共振结构、设计方法，实现宽频隔声的效果，产品的应用场景更加丰富，且结构设计得到优化，实现易加工、降低成本等。其中，多级联Helmholtz声学超材料共振结构包括沿着声波入射方向依次设置的至少两级薄膜‑Helmholtz共振结构、用于固定最后一级薄膜‑Helmholtz共振结构的均质板；每级薄膜‑Helmholtz共振结构均包括沿着声波入射方向依次设置的薄膜和板材，薄膜与板材的相对面密封连接；板材上开设有沿着声波入射方向依次同轴设置的第一通孔和第二通孔；第二通孔与第一通孔连通以构成薄膜‑Helmholtz共振结构的共振腔，且第二通孔的尺寸大于第一通孔的尺寸，各级薄膜‑Helmholtz共振结构的第一通孔、第二通孔在声波入射方向上呈开口尺寸渐大的阶梯状。

技术研发人员：陈翔宇,冯振超,肖望强,周金品,方泽峰
受保护的技术使用者：厦门环寂高科有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16