聲波與振動(dòng)能量吸收超材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及能量吸收材料，特指吸收聲波能量并提供屏蔽或聲波障礙，而且還涉 及可利用的聲波吸收系統(tǒng)，盡管該系統(tǒng)在幾何形狀上保持開放。
【背景技術(shù)】
[0002] -直以來，低頻聲波和振動(dòng)的衰減都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的工作，主要原因在于耗散系 統(tǒng)的耗散機(jī)理受到線性響應(yīng)原理的支配，該原理清晰地表明了摩擦力和能量流都與速率呈 線性比例關(guān)系。耗散能量和速率存在二次方的函數(shù)關(guān)系，因此，對(duì)均勻材料而言，其對(duì)低頻 聲波的吸收率差。為了能夠提高低頻下的耗散，通常需要增大相關(guān)材料內(nèi)的能量密度，比如 說，通過共振的方式來達(dá)到此目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 吸聲板由大致上對(duì)聲波透明的平面剛性框架構(gòu)成，該框架被分割成多個(gè)獨(dú)立的大 致上二維的單元。彈性材料薄膜被固定在剛性框架上，并且多個(gè)薄片固定在此彈性材料薄 膜上。從而得到這樣的配置，其中每個(gè)單元具有各自的薄片，由此建立了共振頻率。此共振 頻率由各獨(dú)立單元的平面結(jié)構(gòu)、彈性材料的彈性、以及位于彈性材料上的各薄片共同決定， 它們將會(huì)共同帶來吸聲板吸聲系數(shù)的增加。彈性材料可擁有褶皺或皺紋結(jié)構(gòu)而扭曲變形， 從而可以減低材料的彈性。褶皺或皺紋結(jié)構(gòu)可以允許此類彈性材料承受比同類型平面材料 更大的扭曲變形，但仍然可以保持力學(xué)強(qiáng)度以支撐多個(gè)薄片。
[0004] 在另外一種配置中，一種聲波/振動(dòng)能量吸收超材料具有附加至封閉的平面框架 的彈性薄膜，所述彈性薄膜上附加有一個(gè)或多個(gè)剛性薄片。剛性薄片均具有非對(duì)稱的形狀， 其與彈性薄膜相連的一些地方具有基本上呈直線的邊界，由此剛性薄片構(gòu)成了具有預(yù)設(shè)質(zhì) 量的單元。所安裝的剛性薄片的位移引起彈性薄膜施加彈性回復(fù)力。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式包含 了多個(gè)共振頻率可調(diào)的共振模態(tài)。
【附圖說明】
[0005] 圖IA示出了單元的吸聲系數(shù)。
[0006] 圖IB表示圖IA的樣品在172Hz頻率處，位置與振幅的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0007]圖IC表示圖IA的樣品在340Hz頻率處，位置與振幅的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0008]圖ID表示圖IA的樣品在710Hz頻率處，位置與振幅的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0009]圖IE為圖1A-1D中樣品單元的照片。
[0010] 圖2給出了楊氏模量的值
[0011] 圖3給出了樣品薄膜位移與吸聲系數(shù)的關(guān)系。
[0012] 圖4給出了計(jì)算得到的彈性勢(shì)能分布密度(左列），應(yīng)變張量的跡（中列），xy平面內(nèi) 的位移w(右列）。
[0013] 圖5A給出了兩層薄膜的樣品的測(cè)量吸聲系數(shù)。
[0014]圖5B為兩層薄膜的樣品的照片。
[0015] 圖6A和6B表示了 172Hz頻率附近吸聲峰與質(zhì)量平方根倒數(shù)（圖6A)以及813Hz頻率 附近與片間距倒數(shù)(圖6B)的關(guān)系。
[0016] 圖7A和圖7B分別給出了單層反射類型的薄膜反共振吸聲系數(shù)（圖7A)以及5層反射 類型的薄膜反共振吸聲系數(shù)(圖7B)。
[0017] 圖8為45°聲波斜入射時(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。
[0018]圖9給出了聲波在不同入射角度時(shí)測(cè)得的吸聲系數(shù):0° (圖9A)，15° (圖9B)，30° (圖 9C)，45°(圖9D)，60°(圖9E)。
[0019] 圖10A-10C給出了第一種?面安裝超結(jié)構(gòu)的示意圖。圖IOA是俯視圖，圖IOB是前視 圖，圖IOC是側(cè)視圖。
[0020] 圖IIA-IIC給出了第二種底部安裝超結(jié)構(gòu)的示意圖。圖IIA是俯視圖，圖IIB是前視 圖，圖IlC是側(cè)視圖。
[0021 ]圖12A-12C給出了第三種側(cè)面安裝超結(jié)構(gòu)的示意圖。圖12A是俯視圖，圖12B是前視 圖，圖12C是側(cè)視圖。
[0022]圖13A-13C給出了第四種底部安裝超結(jié)構(gòu)的示意圖。圖13A是俯視圖，圖13B是前視 圖，圖13C是側(cè)視圖。
[0023]圖14給出了某個(gè)測(cè)量樣本的示意圖。
[0024] 圖15給出了分別利用包裝塑料膜和橡膠薄膜作為彈性薄膜材料的兩種樣品的吸 聲系數(shù)的頻譜圖。
[0025] 圖16給出了包含兩個(gè)單元的結(jié)構(gòu)的前三個(gè)最低特征頻率的有限元仿真結(jié)果。
[0026] 圖17A和17B給出了包含褶皺薄膜的聲衰減結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)可用于聲屏蔽，該 結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元內(nèi)包含一個(gè)薄片。圖17A為側(cè)視圖，17B為俯視圖。
[0027] 圖18A和18B給出了包含褶皺薄膜的聲衰減結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)可用于聲屏蔽，其 中褶皺或皺紋薄膜上包含了多個(gè)薄片。圖18A為側(cè)視圖，18B為俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 遞
[0029] 超材料"從性質(zhì)上來講，是一種與入射波耦合并具有共振特征的結(jié)構(gòu)。在一 個(gè)開放系統(tǒng)里，輻射和共振的耦合可以作為另一種有效降低耗散的方式。盡管聲學(xué)超材料 的出現(xiàn)拓寬了材料特性的可能領(lǐng)域，但迄今為止，還沒有發(fā)現(xiàn)可以有效吸收低頻聲波的亞 波長尺度共振結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，各種各樣的用于吸收的電磁超材料不斷涌現(xiàn)，借助超材料引 導(dǎo)入射波進(jìn)入耗散性空洞的"光學(xué)黑洞"也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。
[0030]現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)，利用彈性薄膜材料和預(yù)先設(shè)計(jì)的剛性薄片結(jié)構(gòu)而構(gòu)造的聲學(xué)超材 料可以在170Hz頻率處吸收86%的聲波能量，而對(duì)于的兩層此類結(jié)構(gòu)，無論在最低頻的共振 模態(tài)，或者在較高頻率的共振模態(tài)上則可吸收高達(dá)99%的聲波能量。因此，在這些頻率處， 樣品在聲學(xué)意義上的"暗"材料。有限元仿真得到的共振頻率和共振模態(tài)與實(shí)驗(yàn)高度吻合。 值得一提的是，激光多普勒測(cè)振儀測(cè)量的共振模態(tài)位移場(chǎng)顯示在薄片周圍其斜率是不連續(xù) 的，這就表明，曲率能量在此類小區(qū)域得到了極大的增強(qiáng)，但卻很小與輻射模態(tài)耦合；因而， 盡管系統(tǒng)本身是幾何開放結(jié)構(gòu)，但此類結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的強(qiáng)吸收效果卻和封閉空腔系統(tǒng)類似。
[0031] 需要指出的是，本專利提出的薄膜型超材料，其工作原理和先前的研究工作是不 同的，先前的工作原理主要利用在兩個(gè)本征共振頻率之間的反共振頻率處，結(jié)構(gòu)本身和聲 波脫耦(還伴隨著動(dòng)態(tài)質(zhì)量密度發(fā)散），進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)反射。沒有耦合，在反共振頻率處自然也 就幾乎沒有吸收。但即使在共振模態(tài)的情形下，耦合雖然較強(qiáng)，測(cè)量得到的吸聲系數(shù)仍然比 較小，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)共振模態(tài)和輻射模態(tài)的強(qiáng)耦合導(dǎo)致了較高的透射。而與此形成鮮 明對(duì)比的是，暗聲超材料的高能量密度區(qū)域與輻射模態(tài)的耦合很小，因而雖然是個(gè)開放的 空腔系統(tǒng)，也可以實(shí)現(xiàn)全吸收。
[0032] 在這種配置方式下，反共振并沒有顯著的吸聲作用。只有在用作聲屏障時(shí)，反共振 才會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，但對(duì)于聲吸收來講，反共振則顯得不重要了。
[0033] 在包括附加了剛性薄板或薄片的彈性薄膜的裝置中，其振動(dòng)能量可以高度集中于 某個(gè)特定區(qū)域，例如薄片的邊緣，從而可以通過薄膜的內(nèi)部摩擦將振動(dòng)能量不斷地轉(zhuǎn)化為 熱能而耗散掉。因此該裝置能夠有效吸收傳遞至其上的振動(dòng)能量;即，可以用作吸收固體中 彈性波的振動(dòng)阻尼器。無論是空氣中的聲波或者是固體中的彈性波，振動(dòng)波都將激勵(lì)薄膜 振動(dòng)，進(jìn)而被該裝置極大地耗散掉。而此類裝置的工作頻帶可以通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)而予以調(diào) 整，從而可以吸收不同環(huán)境下不同振動(dòng)源所產(chǎn)生的振動(dòng)波能量。當(dāng)此類裝置附加于某需要 減振的主固體結(jié)構(gòu)上時(shí)，比如長梁，板塊(例如，汽車底板或車身），主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)波會(huì)通過 結(jié)構(gòu)框架引起附加的薄膜裝置的共振，從而引發(fā)機(jī)械能量的耗散。例如，當(dāng)此類裝置安裝在 空腔結(jié)構(gòu)里埋置于地下，則可以吸收來自于過往火車所產(chǎn)生的地表彈性振動(dòng)波，甚至于地 震波?，F(xiàn)有技術(shù)處理建筑物隔振時(shí)，需要將整棟建筑建造在振動(dòng)吸收器之上，而此類吸收器 一般均包含了大量的鋼加強(qiáng)橡膠墊和/或阻尼彈簧。并且，隔離器和建筑要同步設(shè)計(jì)施工。 而本發(fā)明所公開的裝置可以無需改變已有建筑的基礎(chǔ)，只需圍繞建筑四周埋置此類裝置即 可。例如，圍繞火車站周圍同樣可以做一個(gè)隔離帶，從而可以將過往火車的振動(dòng)予以吸收。 [0034]本振動(dòng)吸收裝置包含了一系列固定在剛性框架上的二維單元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。此外，本 結(jié)構(gòu)和先前裝有剛性薄片的彈性薄膜結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于，剛性薄片之間裝有摩擦鉸鏈結(jié) 構(gòu)，用來吸收振動(dòng)能量。在一種配置中，所述裝置基本上與裝有剛性薄片的彈性薄膜的配置 相同，不同之處在于不再需要硬質(zhì)薄片?；蛘?，可通過摩擦鉸鏈連接薄片。在這兩種配置中， 彈性薄膜可裝在薄片的邊緣或底部。
[0035]
[0036]圖1A-1D給出了在圖IE所示出的單元陣列中所使用的某一單元的吸聲系數(shù)特性。 圖IA給出了圖IE中示出的單元的吸聲系數(shù)。在圖IA中，曲線111代表了樣本A的測(cè)量吸聲系 數(shù)。其中，在172Hz、340Hz和813Hz處的吸聲峰值分別用箭頭在底部橫軸上標(biāo)識(shí)出來。而在 172Hz、340Hz和710Hz處的其他箭頭表示有限元仿真所預(yù)測(cè)的吸收峰頻率的位置。實(shí)測(cè)得到 的吸聲系數(shù)曲線111處的D點(diǎn)表示在813Hz有一吸聲峰值。而710Hz處的箭頭代表了理論計(jì)算 得到的理論峰位置。理想情況下，710Hz和813Hz這兩個(gè)值應(yīng)完全吻合，兩者的不一致也說 明，理