一种薄膜型声学超材料结构

技术领域

本发明属于噪声控制技术领域，尤其是涉及一种薄膜型声学超材料结构。

背景技术

薄膜型声学超材料是在固定的弹性薄膜上附加振子形成的，由于振子和薄膜的面密度具有较大的差异，在特定频率的声波激励下，振子与薄膜发生相对振动，出现隔声带隙。轻质、薄层、小尺寸是薄膜型声学超材料的独特优点，提高薄膜型声学超材料对低频声波的控制性能，发展基于超材料理论的声振控制技术，成为了实现声学超材料工程应用的基础。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种薄膜型声学超材料结构，以解决薄膜型声学超材料隔音量较低，而且隔音频段较为狭窄，薄膜型声学超材料在低频范围消除噪声能力不佳的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种薄膜型声学超材料结构，包括圆筒形薄膜和若干质量块，所述的圆筒形薄膜的两端采用同材质薄膜封闭，若干个质量块粘贴在圆筒形薄膜的外表面，若干质量块分成上下两组沿圆筒形薄膜的轴线方向布置，同一位置处的位于上部的质量块与位于下部的质量块正对布置，同一位置处的上部的质量块的上端面与下部的质量块的下端面之间的竖直距离为圆筒形薄膜的直径长度，且位于上部的若干质量块和位于下部的若干质量块均等间距布置。

更进一步的，所述圆筒形薄膜的厚度为0.25mm、高度l为30mm、半径r为15mm。

更进一步的，所述质量块设置六个，所述质量块为长方体结构。

更进一步的，位于上部的若干质量块之间的距离和位于下部的若干质量块之间的距离均为5mm。

更进一步的，六个质量块的尺寸均相同，且长宽高分别为5mm、2mm和2mm。

更进一步的，沿圆筒形薄膜的轴线方向位于上部的若干质量块的高度逐渐减小，位于下部若干质量块的高度逐渐增大。

更进一步的，六个质量块的长宽均相同，分别为5mm和2mm，位于上部的三个质量块的高度分别为3mm、2mm、1mm，位于下部的三个质量块的高度分别为1mm、2mm和3mm。

更进一步的，所述质量块的材料为金属铝，密度为2700kg/m

更进一步的，所述圆筒形薄膜的材料为PET，密度为1200kg/m

更进一步的，使用厚度为0.25mm、直径为30mm的薄膜将圆柱形薄膜两端封闭。

与现有技术相比，本发明所述的一种薄膜型声学超材料结构的有益效果是：

(1)本发明采用通过赋予质量块不同的高度(厚度)实现质量非对称结构，相比于改变密度的方法，使用改变高度(厚度)的方法制作的薄膜声学超材料拥有更加优良的吸声性能，且吸收系数更加稳定。

(2)本发明通过设置附加质量快的结构参数，当声波传播至管道并进入超材料内部，会引起质量快的振动产生共振，此时能有效的将声波的能量消耗在共振频率附近。

(3)本申请设计的薄膜型声学超材料，可以很好的用于消除管道中的噪声。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是薄膜表面附加质量块示意图；

图2是对称薄膜型声学超材料结构图；

图3是图2所述的对称薄膜型声学超材料能带结构图；

图4是非对称薄膜型声学超材料结构图；

图5是图4所述的非对称薄膜型声学超材料能带结构图；

图6是非对称薄膜型声学超材料隔声曲线。

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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，给出了在薄膜上粘贴具有一定大小和重量的质量块。l

假设附加质量块对粘贴质量块处的薄膜形变不产生影响，即忽略质量块发生形变时弯曲刚度对薄膜横向振动的影响。h(x,y,x

其中，W

在声波激励下有：

将式(1)对方程两边均乘以膜结构各阶模态函数W

式中，r＝1,2,...,N

将式(4)写成矩阵形式，有：

式中，

式(6)是薄膜附加质量块的结构特征方程，使用雅可比方法即可得到结构固有频率

通过以上分析可知，通过设置附加质量块的结构参数，当声波传播至管道并进入超材料内部，会引起质量快的振动产生共振，此时能有效的将声波的能量消耗在共振频率附近，因此，在薄膜上粘贴具有一定大小和重量的质量块可以实现隔音的效果。

一种薄膜型声学超材料结构，包括圆筒形薄膜和若干质量块，所述的圆筒形薄膜的两端采用同材质薄膜封闭，若干个质量块粘贴在圆筒形薄膜的外表面，若干质量块分成上下两组沿圆筒形薄膜的轴线方向布置，同一位置处的位于上部的质量块与位于下部的质量块正对布置，同一位置处的上部的质量块的上端面与下部的质量块的下端面之间的竖直距离为圆筒形薄膜的直径长度，且位于上部的若干质量块和位于下部的若干质量块均等间距布置。

所述圆筒形薄膜的厚度为0.25mm、高度l为30mm、半径r为15mm，所述质量块设置六个，所述质量块为长方体结构，位于上部的若干质量块之间的距离和位于下部的若干质量块之间的距离均为5mm；所述质量块的材料为金属铝，密度为2700kg/m

如图2所示，在圆筒形薄膜上放置六个相同的质量块，即六个质量块的尺寸均相同，且长宽高分别为5mm、2mm和2mm；当声波传递至超材料时，声波会引起质量快的振动产生共振，会在共振频率处产生带隙，从而阻碍声波的传递。对图3进行分析可以看出，图3的横坐标为布里渊区，纵坐标为频率，能带结构图中出现了一条禁带，禁带起始频率为228.36Hz，终止频率为443.35Hz，禁带宽度256Hz。当范围内的声波传入到超材料结构中，能够引起结构的振动，但是在这个频率范围内结构中没有相应的特征频率与之对应，从而影响声波不能在这个频率范围中传播，所以在这个频率范围内有很好的隔声效果。

另外一种布置方式为，排列布置方式不变，只对质量块高度进行了调整，相邻质量块之间形成了质量非对称形式，沿圆筒形薄膜的轴线方向位于上部的若干质量块的高度逐渐减小，位于下部若干质量块的高度逐渐增大；即六个质量块的长宽均相同，分别为5mm和2mm，位于上部的三个质量块的高度分别为3mm、2mm、1mm，位于下部的三个质量块的高度分别为1mm、2mm和3mm，对此结构的能带结构进行了计算。根据计算结果，图5所示，图5的横坐标为布里渊区，纵坐标为频率，发现非对称结构其能带结构图出现了两条较宽的禁带，第一禁带起始频率由228.36Hz降低到了191.37Hz，并且第一禁带的总宽度由215Hz增加到了367.5Hz，禁带宽度的增加，会拓宽超材料的隔声频段。图6为非对称薄膜型声学超材料的传递损失曲线，横坐标为频率，纵坐标为传递损失(单位：分贝)，可以发现超材料在400Hz与900Hz附近出现了两个隔声峰，在400Hz附近出现的隔声峰峰值达到了36dB；在900Hz附加处的隔声峰峰值为29dB，在0-1000Hz范围内最大隔声量达到36dB。图中阴影部分为非对称薄膜型声学超材料的能带结构，证明禁带的存在的确可以对结构的隔声性能产生影响。此方式采用圆筒形薄膜和不同高度质量块，将一维平面薄膜设计成二维环形薄膜，在仿真计算时可以将4个边界约束条件减少为2个，可以减少计算难度，并在相同截面下二维环形薄膜可有效增加薄膜的整体面面积，可进一步提高超材料整体隔声性能。

综上所述，本发明非对称薄膜型声学超材料由薄膜、质量块组成，根据隔声特性的解析计算方法，确定薄膜以及质量块的相关参数。利用有限元法，仿真计算了非对称薄膜型声学超材料的能带结构和传递损失，通过调整质量块的高度确定消除噪声能力最优的结构。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。