轻质、高承载通风隔声与宽频减振一体化超材料结构及系统

技术领域

本发明涉及振动与噪声治理新材料、新技术领域，具体是一种轻质、高承载通风隔声宽频减振一体化超材料结构及系统，可以应用于先进交通运载工具(船舶、轨道车辆、航空器、航天器、新能源汽车等)、现代工业工程(输变电站、天然气站、隧道、地铁站、排气管道等)、智能家居(中央空调、冰箱、洗衣机、新风系统等)的减振降噪控制。

背景技术

大型运输机、豪华游轮、高速列车、精密机床等大国重器高速发展，中央空调、输变电站、天然气场站、隧道/地铁站等现代工业工程加速变革；面临着轻质承载、声力耦合、智能集约等复杂恶劣环境的冲击，由此带来的振动与噪声问题日益突出，针对相关产品发展特点开展减振降噪控制研究的需求迫切。

传统减振降噪技术应用范围较广，也解决了工程上许多振动和噪声问题，但其仍存在一些不足，例如：阻尼减振技术虽然能实现中高频的宽频振动抑制，但其实现高阻尼时需要付出较大的质量代价，此外，其对低频振动问题难以奏效，还存在材料老化等问题；传统吸振技术的作用频率可以很低，但是其作用频带很窄；传统隔振技术具有良好的带隙特性和中高频隔振效果，但是普遍存在尺寸较大的弊端、难以兼顾宽频隔振控制；传统的隔声技术，对中高频能取得较好的控制效果，但受质量定律限制，难以在轻质条件下实现低频噪声的有效隔离。

因此，急需发展高性能减振降噪新技术，解决低频、宽带、高效减隔振难题。近年来，前沿材料领域提出和发展的超材料技术为声、力、电磁、热等的超常控制提供了新思想、新方法。超材料是指具有人工设计的结构，并呈现出天然材料所不具有的超常物理性质的人工构造材料。力学/声学超材料作为超材料最主流的分支之一，其通过人工序构设计，可以呈现出天然材料所不具有负质量、负模量及负折射、双负等超常静、动力学特性，能够对弹性波和声波实现超常调控，为低频、宽带、高效减振降噪控制提供了新途径。超材料一经问世便引起了广大研究学者和工程技术人员的高度关注，并在该研究方向上屡屡取得进展。

然而，现有超材料技术研究大多仅关注单一性能，无法满足日益复杂的减振降噪环境要求，对于轻质、耐压、减振、隔声、通风多功能一体化的材料/结构还尚未开展相关研究，急需发展高性能静/动力学一体化设计新技术，以解决高承载、小尺寸条件下的低频宽带减隔振与通风、隔声多功能一体化设计的难题。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明将声学/力学超材料超常物理效应引入到结构的减振降噪设计中，提供一种轻质、高承载通风隔声宽频减振一体化超材料结构及系统，从而有效解决如何在高承载、小尺寸条件下实现装备的低频宽带减隔振与通风、隔声多功能一体化设计的问题，为梁、板、壳等基础工程构件的多功能一体化设计提供经济、有效地技术支撑。

为实现上述目的，本发明提供一种轻质、高承载通风隔声宽频减振一体化超材料结构，包括拉胀晶胞组件与卷曲空间组件；

所述拉胀晶胞组件为中空结构，且所述拉胀晶胞组件上具有至少一个内凹型面；

所述卷曲空间组件设在所述拉胀晶胞组件内，并在所述拉胀晶胞组件内围成至少一个卷曲通道，且所述拉胀晶胞组件上设有与所述卷曲通道连通的引波入口；

所述拉胀晶胞组件的外壁上设有连接韧带，以连接其它超材料结构或拉胀晶胞组件。

在其中一个实施例，所述拉胀晶胞组件包括环状结构的拉胀围壁，以及覆盖在所述拉胀围壁两开口端上的端板；

所述内凹型面设在所述拉胀围壁上。

在其中一个实施例，所述内凹型面由两个直板交错构成；或

所述内凹型面为曲板的内曲面区。

在其中一个实施例，所述卷曲空间组件包括至少一个设在所述拉胀晶胞组件内的隔板；

当所述隔板的数量为一个时，所述卷曲通道由所述隔板与所述拉胀晶胞组件的内壁围成；

当所述隔板的数量为两个以上时，部分所述隔板与所述拉胀晶胞组件的内壁围成一所述卷曲通道，部分相邻两所述隔板之间围成一所述卷曲通道。

在其中一个实施例，部分或全部所述隔板上设有连通槽，以连通相邻所述卷曲通道，和/或连通所述卷曲通道与所述拉胀晶胞组件内的空腔。

在其中一个实施例，一体化超材料结构，还包括谐振薄膜；

所述谐振薄膜设在所述拉胀晶胞组件内并与所述拉胀晶胞组件的内壁预紧连接；或

所述谐振薄膜设在所述拉胀晶胞组件内并与所述拉胀晶胞组件的内壁、所述卷曲空间组件预紧连接。

在其中一个实施例，所述谐振薄膜的第一表面和/或第二表面上设有谐振质量体。

在其中一个实施例，所述引波入口为设在所述拉胀晶胞组件上的直条槽孔、离散圆孔、离散方孔、离散菱形孔和/或离散蜂窝孔。

在其中一个实施例，所述连接韧带为条状结构或穿孔板结构。

为实现上述目的，本发明还提供一种轻质、高承载通风隔声宽频减振一体化超材料系统，包括至少两个上述的轻质、高承载通风隔声宽频减振一体化超材料结构；

其中，各所述轻质、高承载通风隔声宽频减振一体化超材料结构串联和/或并联。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

1.本发明中的轻质、高承载通风隔声宽频减振一体化超材料结构及系统能够有效地兼顾高承载、小尺寸、通风、隔声以及宽频减隔振，能够为梁、板、壳等基础工程构件的多功能一体化设计提供经济、有效地技术支撑；

2.本发明中的轻质、高承载通风隔声宽频减振一体化超材料结构及系统，整体结构简单，易于加工，便于工程化应用。同时结构设计域度广，可调参数多，可根据工程环境需要与目标频段需求进行快速设计与调整，并可结合遗传算法、神经网络等人工智能技术，进行多目标优化设计与智能控制。

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中一体化超材料结构的一种实施方式示意图；

图2为本发明实施例1中一体化超材料结构的另一种实施方式示意图；

图3为本发明实施例1中拉胀围壁的第一种实施方法示意图；

图4为本发明实施例1中拉胀围壁的第二种实施方法示意图；

图5为本发明实施例1中拉胀围壁的第三种实施方法示意图；

图6为本发明实施例1中端板的第一种实施方法示意图；

图7为本发明实施例1中端板的第二种实施方法示意图；

图8为本发明实施例1中端板的第三种实施方法示意图；

图9为本发明实施例1中卷曲空间组件的一种实施方式示意图；

图10为本发明实施例1中卷曲空间组件的另一种实施方式示意图；

图11为本发明实施例1中卷曲空间组件的另一种实施方式示意图；

图12为本发明实施例1中卷曲空间组件的另一种实施方式示意图；

图13为本发明实施例1中卷曲空间组件的另一种实施方式示意图；

图14为本发明实施例1中谐振薄膜的一种实施方式示意图；

图15为本发明实施例1中谐振薄膜的另一种实施方式示意图；

图16为本发明实施例1中谐振质量体的一种实施方式示意图；

图17为本发明实施例1中引波入口的一种实施方式示意图；

图18为本发明实施例1中引波入口的另一种实施方式示意图；

图19为本发明实施例1中引波入口的另一种实施方式示意图；

图20为本发明实施例2中一体化超材料系统的一种实施方式示意图；

图21为本发明实施例2中一体化超材料系统的另一种实施方式示意图；

图22为本发明实施例2中一体化超材料系统的另一种实施方式示意图；

图23为本发明实施例2中一体化超材料系统的隔声效果曲线示意图。

附图标号：拉胀晶胞组件1、引波入口101、拉胀围壁102、端板103、卷曲空间组件2、卷曲通道201、隔板202、连通槽203、连接韧带3、谐振薄膜4、谐振质量体5、一体化超材料结构6。

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

如图1、图2所示为本实施例公开的一种轻质、高承载通风隔声宽频减振一体化超材料结构(以下简称“一体化超材料结构”)，其主要包括拉胀晶胞组件1与卷曲空间组件2。拉胀晶胞组件1为中空结构，且拉胀晶胞组件1上具有至少一个内凹型面，具有拉胀特性，即拉胀晶胞组件1在外部载荷的作用下具有一定的形变能力。卷曲空间组件2设在拉胀晶胞组件1内，并在拉胀晶胞组件1内围成至少一个卷曲通道201，且拉胀晶胞组件1上设有与卷曲通道201连通的引波入口101，引导空气及声波在空腔中流动。拉胀晶胞组件1的外壁上设有连接韧带3，以连接其它超材料结构或拉胀晶胞组件1，连接韧带3附近形成通孔结构，保证一体化结构通风功能实现。通过在设置具有一定形变能力的拉胀晶胞组件1，并在拉胀晶胞组件1内布置与外部连通的卷曲通道201，从而在入射声波的激励下，通道内空气与腔内空气发生局域共振，入射声波被局域在空腔中，其传播受到抑制。

本实施例中，拉胀晶胞组件1包括环状结构的拉胀围壁102，以及覆盖在拉胀围壁102两开口端上的端板103。

拉胀围壁102为直板组合形式或弧板组合形式或直板、弧板结合的组合形式，内凹型面设在拉胀围壁102上，即拉胀晶胞组件1上的内凹型面由两个直板交错构成，或内凹型面为曲板的内曲面区。在具体实施过程中，拉胀围壁102的材质可采用铝合金、不锈钢、PVC、塑料、玻璃、石材或复合材料，其组合的方式为胶接、铆接、卡扣连接或螺栓固定连接。拉胀围壁102的结构形式存在多种实施方式，例如双箭头形、星型结构、三角形结构、S型结构等内凹拉胀结构、旋转单元拉胀结构、手性拉胀结构及开孔拉胀结构等。例如：图3即为中心对称星型结构的拉胀围壁102，图4即为S型圆弧结构的拉胀围壁102，图5即为箭型结构的拉胀围壁102。当然，还可以将拉胀围壁102设计为其它结构形式，本实施例中不再一一赘述。

端板103主要用于承载，其通过胶接、铆接、卡扣连接或螺栓固定等方式与拉胀围壁102固定相连，端板103102的材质可采用钢、铁、铝合金、塑料、复合材料、钢筋混凝土或木材。在具体实施过程中，可直接将一平面薄板作为端板103。另外，端板103也可以采用带孔板，例如可将端板103设置为四周及中心位置具有通孔的薄板，其中，中心孔径可设置为壁板厚度的1-8倍，四周通孔孔径可设置为壁板厚度的1-4倍，即图6所示；或者将端板103设计为十字型通孔形式薄板，其中十字通孔宽度，可设置为壁板厚度的1-5倍，即图7所示；或者将端板103设计为工字型通孔形式薄板，其中工字型通孔宽度，可设置为壁板厚度的1-5倍，即图8所示。同样地，端板103也可以设计为其它结构形式，本实施例中不再一一赘述。

本实施例中，卷曲空间组件2包括至少一个设在拉胀晶胞组件1内的隔板202。

当隔板202的数量为一个时，卷曲通道201由隔板202与拉胀晶胞组件1的内壁围成，该卷曲通道201直接通过拉胀晶胞组件1上的引波入口101与外界连通。例如图2所示，隔板202为与拉胀围壁102形状类似的环形结构，隔板202与拉胀晶胞组件1的内壁之间围成一环状结构的卷曲通道201。

当隔板202的数量为两个以上时，部分隔板202与拉胀晶胞组件1的内壁围成卷曲通道201，部分相邻两隔板202之间围成一卷曲通道201，其具有多种实施方式，例如：

参考图1，卷曲空间组件2包括若干弧形结构的隔板202，每个隔板202在拉胀晶胞组件1内逐层套设，其中一个隔板202与拉胀晶胞组件1的内壁之间围成一个卷曲通道201，且每相邻的两个隔板202之间围成一个卷曲通道201，隔板202上设有连通相邻卷曲通道201的连通槽203，此时在拉胀晶胞组件1上设置一个引波入口101即可；

参考图9、图10、图11，卷曲空间组件2包括若干平板结构的隔板202，各个隔板202在拉胀晶胞组件1内间隔形的层叠，其中一个隔板202与拉胀晶胞组件1的内壁之间围成一个卷曲通道201，且每相邻的两个隔板202之间围成一个卷曲通道201，隔板202上设有连通相邻卷曲通道201的连通槽203，此时在拉胀晶胞组件1上设置一个引波入口101即可；

参考图12，卷曲空间组件2包括若干折板结构的隔板202，每个隔板202分别与拉胀晶胞组件1的部分内壁围成一个卷曲通道201，且各个卷曲通道201之间互不连通，此时则需在拉胀晶胞组件1上设置多个引波入口101，分别将各个卷曲通道201与外界连通；

参考图13，卷曲空间组件2包括若干弧形板结构的隔板202，每个隔板202分别与拉胀晶胞组件1的部分内壁围成一个卷曲通道201，且各个卷曲通道201之间相互连通，此时在拉胀晶胞组件1上设置一个或多个引波入口101均可。

在具体实施过程中，隔板202上设有的连通槽203，还可用于连通卷曲通道201与拉胀晶胞组件1内的空腔，进而将空气导入卷曲通道201与拉胀晶胞组件1空腔，在特定频率激励下，发生空气谐振，进而实现隔声效果。

本实施例中，还可在拉胀晶胞组件1内设置谐振薄膜4。谐振薄膜4设在拉胀晶胞组件1内并与拉胀晶胞组件1的内壁预紧连接，即图14所示；或谐振薄膜4设在拉胀晶胞组件1内并与拉胀晶胞组件1的内壁、卷曲空间组件2预紧连接，即图15所示。通过谐振薄膜4将拉胀晶胞组件1内的空腔分隔为两部分，从而改变空腔体积，在不同频段产生隔声效果。

参考图16，作为优选地实施方式，谐振薄膜4的第一表面和/或第二表面上设有谐振质量体5，用于增强实施例的隔声效果。

在具体实施过程中，引波入口101为设在拉胀晶胞组件1上的直条槽孔、离散圆孔、离散方孔、离散菱形孔和/或离散蜂窝孔。例如图17即为多个直条槽孔构成的引波入口101，例如图18即为离散圆孔构成的引波入口101，图19即为直条槽孔与离散圆孔组合构成的引波入口101。

本实施例中，连接韧带3主要用于连接其它的超材料结构或拉胀晶胞组件1。具体地，连接韧带3为条状结构或穿孔板结构，可通过胶接、铆接、卡扣连接或螺栓固定等方式固定设在拉胀晶胞组件1的外壁上。

实施例2

本实施例中公开了一种轻质、高承载通风隔声宽频减振一体化超材料系统(以下简称“一体化超材料系统”)，其由两个以上实施例1中的一体化超材料结构组成。

其中，各一体化超材料结构串联和/或并联。其中，一体化超材料结构6的串联指的是两个一体化超材料结构6之间通过连接韧带3相连，一体化超材料结构6的并联指的是两个一体化超材料结构6之间通过拉胀晶胞组件1层叠相连。例如图20所示的即为多个一体化超材料结构6串联的实施方式；图21、图22所示的即为多个一体化超材料结构6串联后再并联的实施方式。

本实施例中的一体化超材料系统可应用于大型风洞、变电站变压器、大型发电机组等需兼顾通风散热及减振降噪的复杂工程应用场景。参考图23为本实施例中一体化超材料系统的隔声效果曲线示意图，由此可知，本实施例中的一体化超材料系统可在兼顾通风散热的工程背景下，对超低频的声波进行有效阻隔。

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。