[發明專利]一種帶薄膜結構的Helmholtz腔聲學超材料

在審

• 申請號: 201611165543.4
• 申請日: 2016-12-16
• 公開（公告）號: CN106782477A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 吳衛國;周榕
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G10K11/162
• 分類號: G10K11/162
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及低頻噪聲控制的聲學超材料技術領域，具體為一種帶薄膜結構的Helmholtz腔聲學超材料。

背景技術

在現代社會中，低頻范圍的噪聲不僅在工業、航空和交通鐵路等各個領域中，給其領域的儀器、設備等帶來了嚴重的安全隱患，而且嚴重影響了人們的日常工作生活。在現有的低頻噪聲控制方法中，或是用較為厚實的傳統混凝土墻或是結構較為復雜的復合材料結構，其方法制備困難、價格較高。低頻噪聲由于波長長、傳播距離遠、衰落弱等特點，對其有效控制一直是噪聲控制領域有挑戰性的難題。

聲學超材料是一種具有負等效特性的周期性亞波長結構組成的復合材料，可以通過小尺寸控制大波長。近年來，研究者們提出了大量的Helmholtz腔型的聲學超材料，為低頻噪聲控制提供了有利的結構模型。2006年，Fang等人設計了一維陣列的Helmholtz聲學超材料，并且通過實驗實現了負等效彈性模量；丁昌林等人申請專利(申請號為201010221191.6)設計了一種開口空心球的聲學超材料，使得材料在1000～5000Hz的聲波范圍內實現了負等效彈性模量；2011年，高東寶等人將Helmholtz腔單元組合成新型單元，研究了各單元的聲透射特性。

上述Helmholtz型聲學超材料結構在一定頻率范圍內研究了其透射系數曲線，這些超材料結構控制的頻率在kHz范圍，且其透射系數曲線有單一尖銳的峰值且頻率帶較窄。

發明內容

本發明的目的是提供一種帶薄膜型結構的Helmholtz腔聲學超材料，通過圓柱型空腔增加薄膜結構，實現低頻寬帶噪聲控制。

本發明的技術方案是：一種帶薄膜型結構的Helmholtz腔聲學超材料，結構單元由開孔圓柱型空腔和彈性圓形薄膜組成；

將開孔圓柱型空腔從中間劃分成兩部分，其頂端表面開孔的上半部分為所述結構單元的第一部分，下半部分為所述結構單元的第三部分；所述單元結構的第二部分為圓形薄膜結構；圓形薄膜結構位于第一部分和第三部分之間。

上述方案中，所述開孔圓柱型空腔結構是由鋁材料制成。

進一步的，所述圓柱型空腔的外半徑為15mm，內半徑為14mm，總高度為20～40mm，壁厚為1mm，第三部分底板的厚度為2mm，小孔的深度為2～10mm，小孔的半徑為0.4～0.8mm。

上述方案中，所述圓形薄膜結構是粘貼在空腔中間，由硅橡膠制成。

進一步的，所述圓形薄膜半徑為15mm，厚度為0.1～1.2mm。

上述方案中，所述結構小孔的開孔方向正對著聲學超材料的入射面。

上述方案中，所述聲學超材料的制備工藝：為了簡化樣品材料的制備過程，將所述聲學超材料結構分成四種不同形式的結構部分組成，分別是圓柱型底板、薄壁型空腔板、薄膜以及開小孔的圓柱型板。對不同形式的圓柱鋁板結構，采用線切割工藝對其進行加工，并且將這些結構按照開小孔圓柱型板、薄壁空腔板、薄膜、薄壁空腔板、圓柱型底板的順序用長螺絲固定。

上述方案中，實驗制備時，樣品材料單元結構的組合方式為孔中心距為32mm，圍繞中心旋轉為60°，即共七個結構單元組成，如圖12中的第2張小圖。

本發明的優點是：

1、本發明所述聲學超材料結構通過增加薄膜結構的設計，以及所述單元結構幾何參數相互匹配：r＝14mm，H＝30mm，r₀＝0.8mm，l＝2mm，d＝1mm下，達到最佳效果，在286Hz和352Hz左右，透射系數達到最低值且其頻率帶寬在30Hz左右，降低了噪聲控制的頻率值，并擴大了頻率范圍。

2、本發明所述聲學超材料結構通過改變結構的幾何參數，來得到想要控制的噪聲頻率范圍。

3、本發明所述聲學超材料單個單元結構就可以達到低頻控制目的，無須繁雜的堆疊或組合，提高了結構布置效率和結構的整體穩定性。

4、本發明所述聲學超材料結構所制備的材料簡單，價格低廉；機械加工工藝簡便，可批量化生產。

5、本發明所述聲學超材料結構制備時，將結構通過長螺絲固定，易拆易裝，可重復多次使用，大大降低了實驗裝配的難度。

附圖說明

圖1為本發明一實施例的聲學超材料單元結構示意圖。

圖2為本發明一實施例的聲學超材料單元結構剖面圖。

圖3為本發明一實施例的聲學超材料單元結構尺寸圖。

圖4為本發明一實施例的聲學超材料單元結構仿真模型圖。

圖5為本發明一實施例的聲學超材料透射系數曲線圖。