一种轻质薄膜低频降噪结构

技术领域

本发明属于降噪结构领域，具体涉及一种轻质薄膜低频降噪结构。

背景技术

随着现代工业的发展，噪声污染已成为主要的环境污染之一。目前，高频降噪技术已相对成熟，但由于低频声波波长较长，对其有效控制仍是一个颇具挑战性的难题。针对低频噪声，常规的降噪方法大多采用增大降噪结构的尺寸或增加质量来提高声波的阻隔效果。然而，这类传统的低频隔音屏障已很难满足发展的需要。因此，追求质轻体薄的降噪结构，实现低频噪声的有效控制，是隔声降噪领域亟需解决的关键问题之一。

基于局部共振型的声学超材料，可通过小尺寸结构实现低频域声波的禁带效应，从而有效阻止低频声波的传播，为低频降噪领域开辟了新的道路。作为局部共振型超材料的一种，薄膜声学超材料具有尤为优异的声反射与吸收性能，同时具备薄而轻的特质，这与低频降噪所追求的材料性质不谋而合。

2000年有科学家在《Science》上首次提出局域共振声子晶体的概念，这被视为最早的声学超材料。之后二十年里，先后有研究者通过在薄膜中心添加质量块、薄膜多层叠加等方式来提高结构的降噪性能。2019年Zhou G等人设计了四个具有不同共振分布的声学超材料模型(Zhou G,Wu G H,Tian X,et al.Broadband low-frequency membrane-typeacoustic metamaterials with multi-state anti-resonances[J].Applied Acoustics,2020,159:107078.)，有效地拓宽了低频区域的声衰减带，并通过仿真和实验验证了基于该模型的大型周期排列的声学超材料平板试件的低频声透射损失性能。这在一定程度上促进了低频带宽声学超材料的工程应用研究。

然而，针对薄膜声学超材料的研究仍存在以下一些局限：现有的声学超材料或多或少都有制约其应用研究的薄弱环节，如大、重结构、刚性框架、膜材料(橡胶)快速老化、膜张力不稳定、附加重质共振器以及复杂的结构等。

因此，设计一种具有多个振子共振的轻质声学超材料单元，在产生连续的多级反共振模态情况下尽可能减轻结构重量，已成为满足实际应用的迫切需求。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种轻质薄膜低频降噪结构，参考文献《Broadband low-frequency membrane-type acoustic metamaterials with multi-state anti-resonances》中的模型，从自然界的蛛网结构获得灵感，提供了一种轻质的薄膜低频降噪结构设计方案。蛛网结构是一种兼有放射状与多层圆周状的结构，其在周向与径向均有丝线分布，周向与径向也有相交的节点。在自然界中蜘蛛也往往是通过蛛网的振动来感知猎物的存在的，不同的振动频率可能代表着不同的昆虫体系。本发明结构可以在保持参考文献原有薄膜低频降噪结构良好降噪效能的基础上，大幅降低结构重量，实现轻质化、小型化要求。。

本发明的技术方案是：一种轻质薄膜低频降噪结构，其特征在于：包括纯聚酰亚胺PI膜以及附着在纯聚酰亚胺PI膜上的十字型铝合金振子和中心十字振子，所述纯聚酰亚胺PI膜为圆形结构，其外圆周均匀设置有乙烯乙酸乙烯酯共聚物EVA圆环；

所述中心十字振子位于纯聚酰亚胺PI膜中心位置，四个所述十字型铝合金振子以中心十字振子为中心、沿周向均布于纯聚酰亚胺PI膜上。

本发明的进一步技术方案是：所述纯聚酰亚胺PI膜的厚度为0.2mm。

本发明的进一步技术方案是：所述乙烯乙酸乙烯酯共聚物EVA圆环的厚度为2mm、外径为100mm、外径与内径之间的宽度为5mm。

本发明的进一步技术方案是：所述中心十字振子由Elast-blk-10制成。

本发明的进一步技术方案是：所述十字型铝合金振子的数量为2组，每组包含两个，分别设置在中心十字振子横边与竖边之间的外部，且以中心十字振子为中心实现对称。

本发明的进一步技术方案是：所述十字型铝合金振子、中心十字振子和乙烯乙酸乙烯酯共聚物EVA圆环均通过胶水与纯聚酰亚胺PI膜粘结。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明的降噪结构不仅具有良好的降噪效能，而且可以大幅降低结构重量，进而实现结构的轻质化、小型化要求。

本发明结构模型与参考文献验证模型的结果对比如下：

表1本发明模型与参考文献模型结果对比

本发明模型与参考模型相比，在1600Hz内大于10dB的STL带宽是相同的，在3000Hz内STL值大于10dB总带宽也是相近的。但是，本发明的振子质量仅为参考模型振子质量的52.9％，这说明本发明的轻质实例在保持参考模型降噪效果基本不变的情况下大幅度减轻了结构重量。

附图说明

图1为本发明实施例一种轻质的薄膜低频降噪结构的结构示意图。

图2为本发明实施例中十字型铝合金振子的结构示意图。

图3为本发明实施例中中心十字振子的结构示意图。

图4为本发明实施例与对比验证模型的STL曲线对比示意图。图中：(a)频率为5-1600Hz；(b)频率为5-3000Hz。

附图标记说明：1.纯聚酰亚胺PI膜，2.十字型铝合金振子，3.中心十字振子，4.乙烯乙酸乙烯酯共聚物EVA圆环。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-图3所示，本发明实施例提供了一种轻质的薄膜低频降噪结构，包括厚度为0.2mm的纯聚酰亚胺(PI)膜1以及通过胶水粘结在纯聚酰亚胺(PI)膜上的十字型铝合金振子2和中心十字振子3；所述纯聚酰亚胺(PI)膜1外圆周通过胶水均匀粘结设置一乙烯乙酸乙烯酯共聚物(EVA)圆环4；所述中心十字振子3由Elast-blk-10制成，纵横长度为36mm，宽度为4mm,厚度为2mm，位于纯聚酰亚胺(PI)膜1中心位置；所述十字型铝合金振子2的纵横长度为6mm，宽度为2mm,厚度为1.8mm,数量为2组，分别设置在中心十字振子3横边与竖边之间的外部，且以中心十字振子为中心实现对称；所述乙烯乙酸乙烯酯共聚物(EVA)圆环4的厚度为2mm、外径为100mm、宽度为5mm。

本发明的材料参数如表2所示。

表2薄膜模型中结构以及材料参数

实验例

本实施例采用3D打印的方法制造了框和EVA材料的振子，通过机械加工的方法制造了金属振子，PI膜选择了成品，并最终按照参考文献结构模型和本发明结构模型粘合组装，并放入声阻抗管中进行测试。

测试方法

本实施例依据GB/T 27764—2011标准《声学阻抗管中传声损失的测量传递矩阵法》，使用声学阻抗管对设计的声学超材料模型进行了实验，给出了其声透射损失的测量值。实验采用固定位置的四传声器法对声学超材料试件进行测量，实验采样频率为0.78125Hz。测量频率范围与传声器之间的距离和阻抗管的直径有关。本文采用的声学阻抗管的直径为100mm，测量频率范围为80-1600Hz。

本实施例采用结构重量与STL声投射损失来(STL,sound transmission loss)来衡量结构的隔声性能与效率。其中，STL可以指声能透过结构时的能量损失，如公

式1所示：

其中，P

具体试验测试结果如图4所示：

如图4(a)所示，根据STL曲线数据，本发明模型的第一个低频STL带宽在60Hz至740Hz之间(STL带宽为680Hz)，在465Hz处的STL峰值为43.37dB。

如图4(b)所示，在3000Hz内STL值大于10dB的频段有5-20Hz，155-670Hz，805hz-1065Hz，1230hz-1765Hz，1885Hz-1980Hz，2055Hz-2265Hz，2410hz-3000Hz，共计STL值大于10dB总带宽为2220Hz。其中在1600Hz内大于10dB的总带宽为1160Hz。

作为参考，参考文献模型在3000Hz内STL值大于10dB的频段有5-20Hz，135-675Hz，815Hz-1060Hz，1240hz-1670Hz，1890hz-3000Hz，共计STL值大于10dB总带宽为2340Hz，其中在1600Hz内大于10dB的总带宽为1160Hz。

本发明模型与参考模型相比，前两个低频峰的STL曲线的走向几乎相同，在第一个低频STL带宽、3000Hz内STL值大于10dB总带宽也是相近的。但是，本发明的振子质量仅为参考模型金属圆片振子的52.78％，这说明本发明的轻质实例在得到与参考模型基本相同的降噪效果的同时具有更轻的振子。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。