一种内置薄膜型声学超材料的双层板隔声装置的制作方法

本发明涉及噪声控制技术领域，具体为一种内置薄膜型声学超材料的双层板隔声装置。

技术背景

近30年来，随着国家高速列车、航空航天、汽车等的快速发展，噪声问题一方面制约着各领域自身的发展，另一方面还干扰者人们的正常工作和生活。为了减小低频噪声对人们正常生活的影响以及增强结构面对不同声学环境的普适性，一些隔声结构特别是轻型的薄板结构，广泛应用于建筑、汽车、船舶、航空和宇航等领域。现有的结构多为双层板结构，有着其固有的隔声谷值。为改善双层板的隔声缺陷，现有的方法多采用填充阻尼材料和吸音材料对声波进行衰减，但是并不能从结构上对双层板进行设计的突破，仅限于将双层板的隔声谷值进行一定量的提高，已经不能满足设计要求，特别是在当前我国“全面提高重大装备技术水平”的国家战略发展需求下，更有必要大力发展结构减振降噪的新理论、新方法和新技术。

声学超材料是一种具有负等效特性的周期性亚波长结构组成的复合材料,可以通过小尺寸控制大波长。21世纪以来，科研工作者们研究了许多声学超材料的模型，针对于低频噪声控制提出了新的解决办法。2000年，刘正猷教授首次提出了局域共振型声学超材料，实现了“小尺寸控制大波长”，利用毫米级材料实现对低频噪声的有效控制，打破了质量定律；2018年，闻轶凡等人发明了一种磁流变薄膜中心附加质量块结构形式的声学超材料，可以调节外附加径向磁场加载装置输入电流，来变化径向磁场对磁流变薄膜的作用力，以实现对隔声峰值所对应频率的有效控制。(专利申请号为201811083083.x)

薄膜型声学超材料因其轻质以及较好的低频隔声性能，得到了广泛的关注。薄膜型声学超材料弥补了传统的线性隔声材料应对低频噪声问题上的缺陷，表现出了良好的低频降噪性能。基于结构局域共振原理的薄膜型声学超材料，已经成为超材料在低频噪声领域应用的主要发展趋势。

现有的改善双层板结构隔声性能的方法比较单一，多为在双层板的空腔内添加阻尼材料和吸音材料,主要有以下三点不足：

(1)只是单纯地提高结构的隔声量，并没有改善双层板的隔声特性；

(2)空腔内所添加的材料种类相对单一，大多为多孔性吸声材料；

(3)难以完全弥补双层板隔声曲线的谷值。

技术实现要素：

本发明提供了一种内置薄膜型声学超材料的双层板隔声装置，将薄膜型声学超材料固定于双层板之间，通过双层板与薄膜型声学超材料的声学耦合作用，既将双层板的隔声性能提高，同时在双层板隔声谷值范围内出现一个隔声峰值，从而显著提高双层板的隔声效果。

本发明的技术方案是：所述的隔声装置由薄膜型声学超材料和双层板组成，其特征在于：薄膜型声学超材料固定于双层板的空腔内。

本发明的技术方案是：所述的双层板由上层板、下层板和套筒组成，其特征在于：上层板固定于套筒的顶端，下层板固定于套筒的底端。

本发明的技术方案是：所述的上层板和下层板之间的轴向距离以及上层板和下层板的厚度能够改变双层板隔声谷值的频率。

本发明的技术方案是：所述的上层板和下层板由包括铁，铝在内的金属材料制成，或由包括木材，塑料在内的非金属材料制成。

本发明的技术方案是：所述的上层板和下层板为金属材料时，其厚度在1mm-3mm之间；上层板和下层板为非金属材料时，其厚度在3mm-10mm之间。

本发明的技术方案是：所述的上层板和下层板为金属材料时，上层板和下层板之间的距离可在10mm-30mm之间变化；上层板和下层板为非金属材料时，上层板和下层板之间的距离可在40mm-100mm之间变化。

本发明的技术方案是：所述的套筒由包括铁，铝在内的金属材料制成,或由包括木材，塑料在内的非金属材料制成。套筒的材料应与上层板和下层板的材料一致。

本发明的技术方案是：所述的套筒的厚度为1mm-2mm之间。

本发明的技术方案是：所述的套筒的截面形状与上层板、下层板、薄膜和框架相同。

本发明的技术方案是：所述的套筒的高度等于上层板和下层板之间的距离。

薄膜型声学超材料的技术方案是：薄膜型声学超材料由薄膜、质量块和框架组成；其中，框架又分为上框架和下框架。质量块用胶水固定于薄膜的中心，再用上框架和下框架夹紧薄膜，并用胶水固定好薄膜，制成薄膜型声学超材料。

薄膜型声学超材料的技术方案是：薄膜由硅橡胶制成，其厚度在0.2mm-1mm之间。

薄膜型声学超材料的技术方案是：质量块由铅制成，其质量在150g-2280g之间。

薄膜型声学超材料的技术方案是：框架的材料为铝或其它轻质材料；框架的厚度为2mm，高度为3mm-6mm。

一种内置薄膜型声学超材料的双层板隔声装置，其技术方案是：上层板固定于套筒的顶端，再将制成的薄膜型声学超材料放入套筒，使框架的外壁固定在套筒的内壁上，最后将下层板固定于套筒的底端，制成整个一种内置薄膜型声学超材料的双层板隔声装置。保证薄膜型声学超材料与上层板和下层板同心。

本发明的技术方案是：所述的薄膜型声学超材料在双层板空腔内的位置能够轴向平行移动。

本发明的技术方案是：所述的上层板和下层板是用胶水粘在套筒的两端。

上述方案中，所述的双层板在低频段存在隔声谷值，且谷值频率随着上层板和下层板的板厚以及两板之间的距离变化而变化，具体如图6所示，隔声谷值频率随着板厚的增加而降低；如图7所示，隔声谷值频率随着板间距的增加而降低。

上述方案中，所述的上层板、下层板、套筒、框架、薄膜的截面形状相同，为圆形或为其它多边形形状。

上述方案中，所述的薄膜型声学超材料在低频段存在隔声峰值，且峰值频率随着薄膜厚度和质量块质量变化而变化，具体如图4所示，隔声峰值频率随着薄膜厚度的增加而提高；如图5所示，隔声峰值频率随着质量块质量的增加而降低。图5中通过改变质量块的高度h来体现质量块质量的变化。

一种内置薄膜型声学超材料的双层板隔声装置技术方案是：变化薄膜厚度和质量块的质量能够调节薄膜型声学超材料的隔声峰值，变化上层板和下层板的板厚以及两板之间的距离能够调节双层板的隔声谷值；通过调节参数，使双层板的隔声谷值频率与薄膜型声学超材料的隔声峰值频率相同，通过双层板与薄膜型声学超材料的声学耦合作用，将双层板的隔声性能提高，并且在谷值范围内出现一个隔声峰值，从而显著改善双层板的隔声效果。

上述方案中，所述的双层板的隔声谷值频率可以单独调节，薄膜型声学超材料的隔声峰值频率也可以单独调节，只要调节双层板和薄膜型声学超材料的相应参数，使双层板的隔声谷值与薄膜型声学超材料的隔声峰值相对应，就可以实现改善双层板的隔声谷值的目的。

本发明具有以下优点：

1.从结构上改变双层板的声学特性，在双层板的隔声谷值范围内出现一个隔声峰值。

2.双层板的整体隔声量提高。

3.双层板和薄膜型声学超材料的声学参数可以单独调节。

附图说明

图1为一种内置薄膜型声学超材料的双层板隔声装置的整体结构示意图；

图2为薄膜型声学超材料结构示意图；

图3为双层板结构示意图；

图4为不同薄膜厚度的薄膜型声学超材料的隔声曲线；

图5为不同大小质量块的薄膜型声学超材料的隔声曲线；

图6为不同板厚的双层板隔声性能曲线；

图7为不同板间距的双层板隔声性能曲线；

图8为一种内置薄膜型声学超材料的双层板隔声装置的隔声曲线；

图9为一种内置薄膜型声学超材料的三层板隔声装置的隔声曲线；

图10为一种内置薄膜型声学超材料的三层板隔声装置的整体结构示意图；

图11为一种内置薄膜型声学超材料的四边形双层板隔声装置的整体结构示意图；

附图标记说明；1-上层板；2-下层板；3-框架；4-薄膜；5-质量块；6-套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明所述的一种内置薄膜型声学超材料的双层板隔声装置的框架为圆环形，其外半径为15mm-20mm，内半径为10mm-15mm，高度为4mm；所述的薄膜半径为13mm-17mm，厚度为0.2mm-1mm；所述的质量块为圆柱体形状，其半径为3mm-5mm，高度为1.5mm-4.5mm，质量在150g-2280g之间；所述的上层板和下层板尺寸、形状都相同，都为圆形，且材料都为铁，半径为15mm-20mm，厚度为1mm-3mm，两板之间的间距为10mm-30mm。套筒为圆柱薄壁形状，薄壁厚度为1mm-2mm，内半径等于框架的外半径，高度等于上层板和下层板之间的间距。其中，在尺寸选择时保证薄膜半径大于框架的内半径而小于框架的外半径；上层板和下层板的半径等于套筒的外半径；套筒的内半径等于框架的外半径。

本实施例中的薄膜由硅橡胶制成；质量块的材料为铅；框架的材料为铝；上层板、下层板和套筒的材料为铁。具体的材料参数为：铝[密度ρ＝2700kg/m³；弹性模量e＝7e10pa；泊松比ν＝0.33]；铁[密度ρ＝7900kg/m³；弹性模量e＝2.12e10pa；泊松比ν＝0.31]；硅橡胶[密度ρ＝970kg/m³；弹性模量e＝6e6pa；泊松比ν＝0.47]；铅[密度ρ＝11680kg/m³；弹性模量e＝2e10pa；泊松比ν＝0.42]；

结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

具体实施1：

第一步：质量块用胶水固定于薄膜的中心；

第二步：用框架固定好薄膜，制成薄膜型声学超材料，如图2所示；

第三步：上层板固定于套筒的顶端；

第四步：将制成的薄膜型声学超材料放入套筒，使框架的外壁固定在套筒的内壁上；

第五步：将下层板固定于套筒的底端，保证薄膜型声学超材料与上层板和下层板同心，制成一种内置薄膜型声学超材料的双层板隔声装置结构模型，如图1所示。

具体实施2：

第一步：质量块用胶水固定于四边形薄膜的中心；

第二步：用四边形框架固定好薄膜，制成薄膜型声学超材料；

第三步：将四边形的上层板固定于套筒的顶端；

第四步：将制成的薄膜型声学超材料放入套筒，使四边形框架的外壁固定在套筒的内壁上；

第五步：将四边形的下层板固定于套筒的底端，保证薄膜型声学超材料与上层板和下层板同心，制成一种内置薄膜型声学超材料的四边形双层板隔声装置结构模型，如图11所示。

具体实施例2中的上层板、下层板、套筒、薄膜和框架的截面都为正方型，几何边长为14mm；上层板和下层板的厚度为2mm，板间距为10mm；质量块为圆柱体，半径为3mm-5mm，高度为1.5mm-4.5mm；框架高度为3mm-6mm，厚度为2mm。

具体实施例1中的一种内置薄膜型声学超材料的双层板隔声装置的声学特性使用comsolmultiphysics5.4模拟计算，结果如图8所示，从图中的实线可以看出，在双层板的隔声谷值范围内出现一个隔声峰值，改善了双层板的隔声性能。

可将具体实施例1的结构进一步拓展到三层板，用comsolmultiphysics5.4模拟了内置薄膜型声学超材料的三层板的声学特性，整体结构如图10所示，模拟结果如图9所示，从图中的实线可以看出，在三层板的隔声谷值范围内出现一个隔声峰值，改善了三层板的隔声性能。

实施例中，针对双层板而言，保持上层板和下层板的间距不变，改变上层板和下层板的厚度，其隔声量随频率变化的关系曲线如图6所示，其隔声谷值频率随板厚度的增加而降低。

实施例中，针对双层板而言，保持上层板和下层板的厚度不变，变化上层板和下层板之间的间距，其隔声量随频率变化的关系曲线如图7所示，其隔声谷值频率随板间距的增加而降低。

实施例中，针对薄膜型声学超材料而言，保持薄膜厚度和大小不变，变化质量块的质量(数值计算时保持质量块半径不变，变化质量块的高度)，其隔声量随频率变化的关系曲线如图5所示，其隔声峰值频率随质量块质量增加而降低。

实施例中，针对薄膜型声学超材料而言，保持质量块的质量不变，变化薄膜的厚度，其隔声量随频率变化的关系曲线如图4所示，其隔声峰值频率随薄膜厚度的增加而提高。

实施例中，根据上述说明可知，变化双层板和薄膜型声学超材料的相关参数，可以单独调整薄膜型声学超材料的隔声峰值和双层板隔声谷值相一致，这样可以达到如图8所示的隔声特性，提高了隔声谷值，同时在双层板的隔声谷值范围内出现一个隔声峰值。

实施例中，上层板和下层板不仅限于圆板，也可以为其他几何形状的板结构。

根据本发明的上述特点，其可以应用于交通工具的隔声装置设计以及建筑领域隔声设计等方面，改善人们的生活环境，尤其是在低频方面，具有良好的工程应用前景。

上述所述为优选的实施例，不能作为本发明的全部范围，在以本发明所述的一种内置薄膜型声学超材料的双层板隔声装置为基准做任何明显的改进、替换或变型均属于本发明的专利覆盖范围内。