[發明專利]聲能吸收超材料

有效

• 申請號: 201210490610.5
• 申請日: 2012-11-27
• 公開（公告）號: CN103137118A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 沈平;楊志宇;溫維佳;梅軍;馬冠聰
• 申請（專利權）人: 香港科技大學
• 主分類號: G10K11/162
• 分類號: G10K11/162;G10K11/172
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 丁業平;金小芳

相關申請

本專利申請要求美國臨時專利申請號61/629,869的優先權，該臨時申請已由發明人轉讓給本申請人，并于2011年11月30日提交，其內容以引用方式并入本文。

技術領域

本發明涉及全新的能量吸收材料，特指吸收聲能并提供屏蔽或聲障礙。具體而言，本發明涉及一種用作聲波吸收系統的暗聲學超材料，盡管該系統是幾何上開放的。

背景技術

低頻聲波的衰減一直都是一個頗具挑戰性的任務，因為耗散系統的動力學特性通常由線性響應函數所描述，摩擦力和摩擦流均正比于響應變量隨時間變化的速率。所以能量的耗散或吸收功率正比于響應變量時間變化率的平方，這也是均勻材料對低頻聲波微弱吸收性的原因。為了提高低頻下的耗散，通常需要增大有關材料中的能量密度，比如通過共振的方式。

發明內容

本發明包括以下方面：

1）一種聲能吸收超材料，包括：

封閉的平面框架；

固定于所述框架上的彈性薄膜；

附著于所述彈性薄膜上的至少一個硬片，該硬片具有非對稱形狀，且該硬片的一條直邊附著于所述彈性薄膜上，該硬片構成了一個結構單元并具有事先確定的質量，

該結構單元的振動包含有若干個頻率可調的振動模式。

2）上述第1）項所述的聲能吸收超材料，其中所述硬片的振動模式提供了可調的頻率，所述頻率近似按照所述硬片的質量平方根的倒數變化。

3）上述第1）-2）項中任一項所述的聲能吸收超材料，其中所述硬片的振動模式提供了可調的頻率，所述頻率可隨著所述不對稱硬片之間距離的改變而變化。

4）以上第1）-3）項中任一項所述的聲能吸收超材料，還包含至少1個鋁反射板，該鋁反射板放置于所述薄膜之后，且該鋁反射板與所述薄膜之間的距離為事先約定的近場距離。

5）以上第1）-4）項中任一項所述的聲能吸收超材料，可包含2個硬片。

6）以上第1）-5）項中任一項所述的聲能吸收超材料，其中由所述結構單元所確定的本征頻率至少有2個，并且所述框架安排所確定的共振頻率介于所述2個本征頻率之間。

7）以上第1）-6）項中任一項所述的聲能吸收超材料，其中所述結構單元所帶有的所述硬片由于振動的原因具有可調的共振頻率，可通過增大或減小相鄰的所述硬片之間的距離來調節所述共振頻率，因此允許挑選該共振頻率作為所述結構單元之間的有損耗的內核。

8）一種包含以上第1）-7）項中任一項所述的聲能吸收超材料的聲能吸收面板，其中相鄰的所述框架間的距離與所述框架的大小具有事先確定的關系。

附圖說明

圖1A是一個單元吸收性能的圖形描述。

圖1B是圖1A中的樣品在172赫茲處振幅-位置的圖形描述。

圖1C是圖1A中的樣品在340赫茲處振幅-位置的圖形描述。

圖1D是圖1A中的樣品在710赫茲處振幅-位置的圖形描述。

圖1E是圖1A-1D中樣品單元的相片。

圖2顯示了楊氏模量的數值。

圖3是一個樣品的吸收-薄膜振幅的圖形描述。

圖4包含一系列的圖，顯示了計算得到的彈性勢能能量密度的分布（左欄）、應變張量的跡（中欄）、以及xy平面內的位移w（右欄）。

圖5A顯示了測量得到的2層樣品的吸收系數。

圖5B是結構的相片。

圖6A和6B顯示了172赫茲（圖6A）和813赫茲（圖6B）下的吸收峰與質量平方根倒數和鐵片距離倒數的關系。

圖7顯示了1層薄膜（圖7A）和5層薄膜（圖7B）的吸收。

圖8是45°斜入射實驗裝置的相片。

圖9顯示了不同入射角時測得的吸收系數，其入射角為：0°(圖9A)、15°(圖9B)、30°(圖9C)、45°(圖9D)和60°(圖9E)。

具體實施方式

概述

“超材料”一詞是指通過共振方式與入射波耦合的材料。在開放系統中，共振的輻射耦合是另一種有效減小吸收的方式。盡管聲學超材料的出現極大地拓寬了材料參數的可能空間，但迄今為止，還沒有一種亞波長共振結構能夠有效地吸收低頻聲波。與此對應的是，為了能夠有效地吸收電磁波，多種電磁波超材料已被設計出來，“光學黑洞”也已經實現。