承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构及复合超结构

技术领域

本发明涉及噪声和振动治理新材料、新技术技术领域，具体是一种承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构及复合超结构，可以应用于现代交通运载工具(轨道车辆、航空器、航天器、船舶、汽车、工程运料车)、新型功能场馆/室(候车厅馆、录音/演播厅、会议场馆、多功能教室、消声室)、智能家具(空调、冰箱、洗衣机、新风系统)以及输变电站、道路声屏障、管道系统等噪声和振动控制。

背景技术

具有轻质、高刚度等优点的多功能复合承载结构广泛应用于飞机、船舶、高铁等领域。当前，新型装备正朝着大功率、高速、轻量化、智能化等方向发展，人们对装备的隔音减振以及结构刚度有了更高的要求。对于高频噪声的控制，由于其波长短、传递能力弱的特点，通过使用普通的轻薄吸隔声材料能实现较好的降噪效果。而对于低频噪声(100-1000Hz)的控制，受到质量定律的限制，使得传统结构只能通过增大结构质量来实现低频高隔声量，而质量的增加又与现代装备的发展理念背道而驰，不能很好地满足实际工程应用需要。如何在保证轻量化的同时实现低频宽带高隔声量且能兼顾较大的刚度是工程界面临的一大挑战。

近年来，声物理学和凝聚态物理学领域提出和发展的超材料技术能够打破质量定律限制，为隔声降噪控制提供了新思路、新方法。超材料/结构是指由特殊设计的人工振子单元(如局域共振单元，简称振子)按一定方式附加于基体结构而构成的新型复合结构(如附加于基体板壳结构上构成超材料板壳结构)。声学超材料/结构所具有的超常物理特性(如负等效质量密度、负等效模量等)，可以实现对低频弹性波和声波的超常操控，使得其在低频减振降噪领域具有广阔应用价值。声学超材料大致可分为以下三种类型，膜型、板型和亥姆霍兹共振型，三者的共性在于其对声波的调控是基于人工设计的结构而非材料本身的特性，因此可以设计不同的构型结构以满足不同的声波调控需要。现今，已出现一些结构简单的声学超材料，并已被证实具有高于质量定律的低频隔声性能，但其大部分隔声频带较窄、刚度较低，且不兼具减振功能，由此限制了其实际工程应用。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明供一种承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构及复合超结构，具有良好的低频宽带、高效的隔声减振性能，又具有高刚度的承载能力。是一种多功能复合型超结构，具有广阔的工程应用前景。

为实现上述目的，本发明提供一种承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构，包括至少一个超材料结构单元；

所述超材料结构单元包括板壳隔声件、柔性隔声件与两个支撑结构件，两个所述支撑结构件间隔连接在所述板壳隔声件、柔性隔声件之间，并与所述板壳隔声件、所述柔性隔声件围成两端开口的空腔；

当所述超材料结构单元的数量为两个以上时，各所述超材料结构单元依次相连，其中：

各所述超材料结构单元的所述板壳隔声件依次相连，形成一层板壳隔声部；

各所述超材料结构单元的所述柔性隔声件依次相连，形成一层柔性隔声部；

相邻两所述超材料结构单元共用一所述支撑结构件，各所述支撑结构件在所述板壳隔声部、所述柔性隔声部依次间隔分布，形成一层单向阵列化支撑结构部。

在其中一个实施例，所述超材料结构单元还包括至少一个阻振质量部；

所述阻振质量部设在所述空腔内，且与所述柔性隔声件相连；

当所述阻振质量部的数量为两个以上时，各所述阻振质量部在所述空腔内间隔分布。

在其中一个实施例，所述超材料结构单元还包括两个封闭挡板，两所述封闭挡板分别覆盖在所述空腔的两端。

在其中一个实施例，所述空腔内填充有多孔吸声介质。

在其中一个实施例，所述空腔内设有至少一个柔性薄膜结构，所述柔性薄膜结构的两端分别与所述支撑结构件相连；或

所述空腔内设有至少一个板壳结构，所述板壳结构的两端分别与所述支撑结构件相连；或

所述空腔内设有至少一个亥母赫兹共鸣器结构，所述亥母赫兹共鸣器结构与所述板壳隔声件和/或所述柔性隔声件和/或支撑结构件相连。

在其中一个实施例，所述支撑结构件为平板结构或穿孔板结构。

在其中一个实施例，承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构还包括孔隙率大于或等于30％的高透声板壳结构；

所述高透声板壳结构覆盖在所述柔性隔声部的外表面，且所述高透声板壳结构与所述柔性隔声部之间通过阵列分布的支撑单元相连。

为实现上述目的，本发明还提供一种承载与低频宽带隔声减振多功能复合超结构，包括两个以上的上述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构；

各所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构依次层叠，相邻的两所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构之间直接相连；和/或

相邻的两所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构之间共用一层所述柔性隔声部；和/或

相邻的两所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构之间共用一层所述板壳隔声部；和/或

相邻的两所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构之间通过一层单向阵列化支撑结构部相连。

为实现上述目的，本发明还提供一种承载与低频宽带隔声减振多功能复合超结构，包括声学解耦部、板壳结构部与上述的承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构，其中，所述声学解耦部为孔隙率大于70％的高孔隙率介质；

所述声学解耦部位于所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构与所述板壳结构部之间；或

所述声学解耦部位于所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构的一侧；或

所述声学解耦部位于所述板壳结构部的一侧。

在其中一个实施例，所述板壳结构部为超材料结构板、均质材料板壳、复合材料板壳、蜂窝夹芯板壳、波纹夹芯板壳、轻质泡沫夹芯板壳、点阵结构夹芯板壳、权利要求1至7任一项所述的承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构中的一种或者多种组合。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

1.本发明中的承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构，在板壳隔声部的基础上，引入柔性隔声部、单向阵列化支撑结构部以及阻振质量部，能够有效地提高板壳隔声部的刚度和承载能力；

2.本发明中的承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构的低频宽带隔声性能显著优于单一板壳隔声结构，且在一定频率范围内具有减振的效果，具体地：

板壳隔声部、单向阵列化支撑结构部、薄层柔性隔声部和阵列化的阻振质量部间形成若干的空腔，使得承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构具有类似无限大双层板结构的隔声特性，在某些频率范围内，双层板的隔声效果要显著大于单层板的隔声效果，且由于薄层柔性隔声部、板壳结构部以及空腔之间的声-振耦合作用，使得薄层柔性隔声部能够在特定范围内产生显著大于单层板质量定律的低频宽带的隔声效果，阵列化的阻振质量部则能够在力激励条件下在一定频率范围内形成弹性波带隙，由此可使承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构在一定频率范围内具有减振性能。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中超材料结构单元的轴测图；

图2为本发明实施例1中超材料结构的轴测图；

图3为本发明实施例1中超材料结构的剖视图；

图4为本发明实施例1中超材料结构在未设置阻振质量部时的剖视图；

图5为本发明实施例1中超材料结构在空腔内布置多个阻振质量部时的轴测图；

图6为本发明实施例1中超材料结构在空腔内布置多个阻振质量部时的剖视图；

图7为本发明实施例1中超材料结构在柔性隔声部两面均设置阻振质量部时的剖视图；

图8为本发明实施例1中矩形截面阻振质量部的实施方式示意图；

图9为本发明实施例1中梯形截面阻振质量部的实施方式示意图；

图10为本发明实施例1中圆形截面阻振质量部的实施方式示意图；

图11为本发明实施例1中椭圆形截面阻振质量部的实施方式示意图；

图12为本发明实施例1中八边形截面阻振质量部的实施方式示意图；

图13为本发明实施例1中六边形截面阻振质量部的实施方式示意图；

图14为本发明实施例1中超材料结构带有封闭挡板时的轴测图；

图15为本发明实施例1中支撑结构件为穿孔板时超材料结构单元的轴测图；

图16为本发明实施例1中支撑单元为条状结构件时超材料结构的轴测图；

图17为本发明实施例1中支撑单元为柱状结构件时超材料结构的轴测图；

图18为本发明实施例1中超材料结构在空腔内布置板壳结构时的轴测图；

图19为本发明实施例1中超材料结构在空腔内布置亥母赫兹共鸣器结构时的轴测图；

图20为本发明实施例1中典型亥母赫兹共鸣器结构示意图；

图21为本发明实施例3中复合超结构的一种实施方式示意图；

图22为本发明实施例3中复合超结构的另一种实施方式示意图；

图23为本发明实施例3中复合超结构的另一种实施方式示意图。

附图标号：板壳隔声件1、柔性隔声件2、支撑结构件3、空腔4、板壳隔声部5、柔性隔声部6、单向阵列化支撑结构部7、阻振质量部8、多孔吸声介质9、封闭挡板10、板壳结构11、亥母赫兹共鸣器结构12、支撑单元13、高透声板壳结构14、亥母赫兹共鸣器颈部15、亥母赫兹共鸣器腔体16、声学解耦部A1、板壳结构部A2、超材料结构A3。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

本实施例公开了一种承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构(以下简称“超材料结构”)，其包括至少一个超材料结构单元。

参考图1，超材料结构单元包括长条状的板壳隔声件1、柔性隔声件2与两个支撑结构件3，板壳隔声件1与柔性隔声件2间隔设置且相互平行，两个支撑结构件3间隔连接在板壳隔声件1、柔性隔声件2之间，且两个支撑结构件3之间与板壳隔声件1、柔性隔声件2围成两端开口的空腔4。

参考图2、图3，当超材料结构单元的数量为两个以上时，超材料结构中各超材料结构单元沿同一方向依次相连，其中：

各超材料结构单元的板壳隔声件1依次相连，形成一层刚性的板壳隔声部5；

各超材料结构单元的柔性隔声件2依次相连，形成一层薄层的柔性隔声部6；

相邻两超材料结构单元共用一支撑结构件3，各支撑结构件3在板壳隔声部5、柔性隔声部6依次间隔分布，形成一层单向阵列化支撑结构部7；

同时，超材料结构单元还包括至少一个阻振质量部8，阻振质量部8设在空腔4内，阻振质量部8固定连接在柔性隔声件2上，当超材料结构单元的数量为两个以上时，各个阻振质量部8在空腔4内沿单向阵列化支撑结构部7的间隔方向间隔分布，形成阵列化阻振质量部8。

在具体实施过程中，超材料结构由多个相同的超材料结构单元沿x方向周期排列而成。如图1给出的示例，材料结构单元结构沿x方向的长度为44mm，沿y方向的长度为528mm、沿z方向为20mm。阵列化阻振质量部8的质量体横截面为两个不同尺寸的矩形，其中与薄层柔性隔声部6相连接的矩形宽度较小，以此来降低承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构的隔声峰频率。由超材料结构单元周期阵列组成的超材料结构如图2所示，超材料结构沿x方向长度为528mm，沿y方向长度为528mm。

一方面，本实施例中的超材料结构在板壳隔声部5的基础上，引入柔性隔声部6、单向阵列化支撑结构部7以及阵列化的阻振质量部8，进而提高板壳隔声部5的刚度和承载能力，使得超材料结构整体具有较高的刚度与良好的承载能力。另一方面，板壳隔声部5、单向阵列化支撑结构部7、薄层柔性隔声部6和阵列化的阻振质量部8间形成若干的空腔4，使得超材料结构具有类似无限大双层板结构的隔声特性，在某些频率范围内，双层板的隔声效果要显著大于单层板的隔声效果，且由于薄层柔性隔声部6、板壳隔声部5以及空腔4之间的声-振耦合作用，使得薄层柔性隔声部6能够在特定范围内产生显著大于单层板质量定律的低频宽带的隔声效果，阵列化的阻振质量部8则能够在力激励条件下在一定频率范围内形成弹性波带隙，由此可使承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构在一定频率范围内具有减振性能。

本实施例中，柔性隔声部6的材质可为金属材料、塑料材料、橡胶材料、树脂材料与复合材料中的一种多种组合。板壳隔声部5材质可为均质材料板壳、复合材料板壳、蜂窝夹芯板壳、波纹夹芯板壳、轻质泡沫夹芯板壳或点阵结构夹芯板壳中的一种或者多种的组合。阻振质量部8、单向阵列化支撑结构部7的材质可为可以是金属材料、塑料材料、橡胶材料、树脂材料、复合材料中的一种或者多种的组合。

在具体实施过程中，部分或全部超材料结构单元的空腔4内也可不设置阻振质量部8，即图4所示。或者，超材料结构单元的空腔4内也可以设置两个以上均匀分布的阻振质量部8，即图5、图6所示。值得注意的是，虽然本实施中图示的阻振质量部8为两端与空腔4平齐的条状结构，但在具体应用时，也可采用离散分布的块状阻振质量部8。另外，在超材料结构单元中，柔性隔声部6位于空腔4外的一面上同一可以设置阻振质量部8，即图7所示。进一步具体地，阻振质量部8的截面形状可为矩形、梯形、六边形或封闭几何形状的一种或两种以上组合，即图7至图13所示。

作为优选地实施方式，空腔4内填充有多孔吸声介质9，例如多孔泡沫材料、多孔纤维材料或不同的高孔隙声学介质的组合等。

在具体实施过程中，参考图14，超材料结构单元还包括两个封闭挡板10，两封闭挡板10分别覆盖在空腔4的两端。优选地，当超材料结构单元的数量为两个以上时，位于同一端的各封闭挡板10连为一体，从而进一步提高超材料结构的刚度与承载能力。

在具体实施过程中，支撑结构件3既可以是平板结构，也可以是穿孔板结构，即图15所示。薄层柔性隔声部6、阵列化阻振质量部8、单向阵列化支撑结构部7以及板壳隔声部5可采用胶结、卡扣连接、螺栓连接等方式固定。或者薄层柔性隔声部6、阵列化阻振质量部8和单向阵列化支撑结构部7采用铸造、3D打印或者增材加工等方式一体化成型，在于板壳隔声部5通过胶结、卡扣连接、螺栓连接等方式固定。一体化成型能够保证超材料结构的整体性，也能够使超结构具有更好的承载能力。

作为优选地实施方式，为避免薄层柔性隔声部6受损，可在薄层柔性隔声部6位于空腔4外的表面上设置一层孔隙率大于或等于30％的高透声板壳结构14，高透声板壳结构14覆盖在柔性隔声部6的外表面，且高透声板壳结构14与柔性隔声部6之间通过阵列分布的支撑单元13相连。其中，支撑单元13既可以是沿一个方向阵列分布在高透声板壳结构14与柔性隔声部6之间的条状结构件，即图16所示；也可以是沿两个方向阵列分布在高透声板壳结构14与柔性隔声部6之间的柱状结构件，即图17所示。

作为优选地实施方式，空腔4内设有至少一个柔性薄膜结构，柔性薄膜结构的两端分别与支撑结构件3相连，用以分隔空腔4。其中，柔性薄膜结构可采用聚碳酸酯薄膜(PC)，用以增加隔声峰数量，从而拓宽隔声带宽。

作为优选地实施方式，空腔4内设有至少一个板壳结构11，板壳结构11的两端分别与支撑结构件3相连，用以分隔空腔4，即图18所示。其中，板壳结构11为均质材料板壳、复合材料板壳、蜂窝夹芯板壳、波纹夹芯板壳、轻质泡沫夹芯板壳或点阵结构夹芯板壳中的一种或者几种的组合，板壳结构11可采用与板壳隔声件1相同的结构，用以增加隔声峰数量，从而拓宽隔声带宽。

作为优选地实施方式，空腔4内设有至少一个能使介质体积模量发生变化的亥母赫兹共鸣器结构12，亥母赫兹共鸣器结构12与板壳隔声件1和/或柔性隔声件2和/或支撑结构件3相连，即图19所示。通过在空腔4内设置亥母赫兹共鸣器结构12，亥母赫兹共鸣器结构12能够使其所在介质的体积模量发生变化，从而能够拓宽隔声带宽。典型亥母赫兹共鸣器由亥母赫兹共鸣器颈部15和亥母赫兹共鸣器腔体16组成，如图20所示。

值得注意的是，在具体应用过程中，空腔4内即可布置柔性薄膜结构、板壳结构11、亥母赫兹共鸣器结构12中的一种，也可以布置两种以上的组合。

实施例2

本实施例公开了一种承载与低频宽带隔声减振多功能复合超结构，其主要包括两个以上实施例1中的超材料结构。各承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构依次层叠，具体地：

相邻的两承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构之间直接通过胶粘或一体成型等方式相连；和/或

相邻的两承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构之间共用一层柔性隔声部；和/或

相邻的两承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构之间共用一层板壳隔声部；和/或

相邻的两承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构之间通过一层单向阵列化支撑结构部相连。

实施例3

本实施例公开了一种承载与低频宽带隔声减振多功能复合超结构(以下简称“复合超结构”)，其主要包括声学解耦部A1、板壳结构部A2与实施例1中的超材料结构A3，其中，声学解耦部A1为孔隙率大于70％的高孔隙率介质，声学解耦部A1位于承载与超材料结构A3与板壳结构部A2之间，超材料结构A3既可以是柔性隔声部与声学解耦部A1相连，也可以是板壳隔声部与声学解耦部A1相连即图21、图22所示。在具体应用过程中，还可以将超材料结构A3设置在声学解耦部A1和板壳结构部A2之间，或者将板壳结构部A2设置在声学解耦部A1和超材料结构A3之间。

本实施例中，声学解耦部A1为高孔隙率的声学介质，例如多孔泡沫介质、纤维类多孔声学介质或不同的高孔隙声学介质的组合等。板壳结构部A2为超材料结构A3、均质材料板壳、复合材料板壳、蜂窝夹芯板壳、波纹夹芯板壳、轻质泡沫夹芯板壳或点阵结构夹芯板壳中的一种或者两种以上的组合，例如图23所示。板壳结构部A2的材料可以是金属材料、塑料材料、橡胶材料、树脂材料、复合材料或其组合。

本实施例中的复合超结构可以在低频宽带范围内提供高于同面密度质量定律的高隔声量，且在一定频率范围内具有减振性能和高刚度承载性能，有效解决传统超材料结构隔声带宽较窄，刚度较低的问题；此外本实施例中的复合超结构加工制造成本低、安装便捷、可靠性高，克服了传统超材料结构设计方案功能孤立单一化、开发时间漫长、占用额外空间、加工及安装复杂、成本高昂、可靠性差等不足。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。