一种利用双层薄膜声学超材料结构实现低频吸声的方法

：本发明属于薄膜声学超材料(mam)的吸声降噪领域，是一种利用双层薄膜结构实现低频吸声的方法。

背景技术

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背景技术：

1、传统声学材料的性能在处理低频声波时通常会遇到局限性，这一直是科学界面临的一个挑战，这些材料在设计和功能上受到自然定律的限制。在过去数十年中，众多研究人员一直在探索新型材料，以克服质量定律。声学超材料这类在21世纪初期引起广泛关注的复合材料，目前，声学超材料在吸声方面的研究进展显著，不仅拓宽了吸声频带、提高了低频吸声效率，还实现了吸声性能的可调控和迷你化设计，为解决传统吸声材料面临的挑战提供了新的思路和方法。在声学超材料的吸声研究中，几种关键结构已被广泛研究并应用，这些包括局部共振结构，如带有质量块的薄膜或板，能在特定频率产生共振以增强吸声效果；亥姆霍兹共振器，通过设计特定的空腔和开口，针对性地吸收特定频段的声波；声子晶体结构，通过周期性排列创造带隙，阻止声波在某些频率内传播；以及多孔材料和微结构设计，通过内部摩擦和黏滞损耗以及声波路径的延长来增加吸声效率。这些结构各有其独特的工作原理和应用领域，提供了丰富的选择以适应不同的吸声需求。而薄膜型声学超材料在吸声方面的优势在于其轻质、柔性、可定制性高，能有效吸收低频声波，且占用空间小，适合应用在空间受限的环境中。

2、然而，现有的薄膜声学超材料仍存在一些弊端，尽管薄膜声学超材料在特定频率范围内表现出优异的吸声性能，但其吸声效果往往受限于设计的结构参数，可能难以覆盖更广泛的频率范围。其次，薄膜声学超材料的制造通常涉及精密的微纳米加工技术，这使得生产工艺复杂且成本较高。特别是对于大规模应用，生产的高成本和复杂性可能成为阻碍其广泛应用的主要因素。因此，有必要优化膜型声学超材料在低频段实现高效吸声。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明提出一种双层mam单元结构来实现低频吸声的方法。首先，根据局域共振理论和力学特性，结合以往的mam单胞，进行创新设计，引入由双层薄膜，质量环和空腔组合而成的mam结构，实现在低频范围内吸声系数的提高；其次，通过对其共振模态、等效参数及声阻抗的分析，阐述其吸声机理；之后，借助于有限元分析法，计算其在100～600hz频带内的吸声系数，讨论并比较质量环、薄膜和空腔的几何参数对吸声系数的影响；最后，对几何参数进行分析后，通过并联多个mam单元以及改变质量环位置分别对其吸声性能进行优化，实现了在低频范围内吸声带宽的拓宽。具体而言，该方法包括下列步骤：

2、(1)双层mam单元设计。双层mam单元由两张圆形薄膜、上下腔框架和两个环形质量环组成。薄膜采用pet膜，刚性框架材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物(eva)，用于固定薄膜，质量环为密度较大的金属，用于提供集中质量，整个mam振动系统可等效为“弹簧-质量”系统。下层薄膜设计带有圆孔，在入射波的激励下，开孔处的空气会发生强烈振动与质量环内壁发生摩擦，将入射波被局域化的能量耗散掉，提高结构的吸声性能。

3、(2)吸声系数分析。吸声系数α表示结构的吸声性能，通常用1减去反射系数(r)的平方表示，反射系数r用反射声压(pra)和入射声压(pia)之比表示，吸声系数的计算公式如下：

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5、通过comsol multiphysics有限元软件进行建模仿真得到吸声系数曲线和振型。

6、(3)共振模态、等效参数及声阻抗分析。当声波的频率接近结构的共振频率时，材料或结构会产生共振，这会导致较大的振动。在共振频率处，结构的振动能量增加，这使得结构能够更有效地将声能转化为热能或其他形式的能量，从而提高吸声系数。因此，共振模态对于吸声材料在特定频率范围内的性能优化非常重要。将共振模态与等效参数结合分析，能够进一步说明吸声机理。吸声结构的声阻抗特性会直接影响其吸声系数。当结构的声阻抗与空气的声阻抗匹配时，吸声效果最佳。反之，如果阻抗不匹配，会导致声波反射，吸声系数降低。

7、(4)关键参数对吸声性能影响分析。声学超材料是一类通过精确设计结构单元来控制声波传播和吸收的新型材料。吸声性能可以通过调节关键参数来优化。基于所建立的mam单元的仿真模型，通过吸声带宽、吸声峰值研究薄膜半径、薄膜厚度、薄膜阻尼、质量环厚度、质量环半径、空腔高度和框架厚度对其隔声性能的影响。

8、(5)多个mam单元并联分析。为了克服单个单元吸声带宽窄的限制，实现低频范围内的宽频带隔声，设计由多个不同吸声性能的mam单元并联组合的结构，并布置在同一平面，将不同mam单元之间的吸声峰值进行组合，以实现在频率上的均匀分布，从而在有限尺寸内实现宽频带的吸声。

技术特征：

1.一种利用双层薄膜声学超材料结构实现低频吸声的方法，其特征在于，包括下列步骤：

2.根据权利要求1所述的利用双层薄膜声学超材料结构实现低频吸声的方法，其特征在于：在step1中，分别从薄膜半径和厚度，空腔厚度和高度以及质量环内外径和厚度等因素考虑，设计单元结构。根据局域共振材料理论，当声波传播到单胞时，振动使弹性薄膜发生形变，在恢复形变的过程中产生一个固有频率，当声波频率与共振单元的固有频率接近时，出现带隙，消耗声能。

3.根据权利要求1所述的利用双层薄膜声学超材料结构实现低频吸声的方法，其特征在于：在step2中，吸声系数α表示结构的吸声性能，通常用1减去反射系数的平方表示。通过comsol multiphysics有限元软件进行建模仿真得到吸声系数曲线和振型。

4.根据权利要求1所述的利用双层薄膜声学超材料结构实现低频吸声的方法，其特征在于：在step3中，当声波的频率接近结构的共振频率时，材料或结构会产生共振，结构的振动能量增加，这使得结构能够更有效地将声能转化为热能或其他形式的能量，从而提高吸声系数。通过将共振模态与等效参数和声阻抗结合分析，进一步分析结构的吸声机理。

5.根据权利要求1所述的利用双层薄膜声学超材料结构实现低频吸声的方法，其特征在于：在step4中，基于所建立的mam单元的仿真模型，通过吸声带宽、吸声峰值研究薄膜半径、厚度和阻尼，质量环厚度和半径，空腔高度和框架厚度对其吸声性能的影响。

6.根据权利要求1所述的利用双层薄膜声学超材料结构实现低频吸声的方法，其特征在于：在step5中，为了克服单个单元吸声带宽窄的限制，实现低频范围内的宽频带隔声，设计由多个不同吸声性能的mam单元并联组合的结构，并布置在同一平面，将不同mam单元之间的吸声峰值进行组合，以实现在频率上的均匀分布，从而在有限尺寸内实现宽频带的吸声。

技术总结
本发明提出一种利用双层MAM单元结构来实现低频吸声的方法。首先，根据局域共振理论和力学特性，结合以往的MAM单胞，进行创新设计，引入由双层薄膜，质量环和空腔组合而成的MAM结构，实现在低频范围内吸声系数的提高；其次，通过对其共振模态、等效参数及声阻抗的分析，阐述其吸声机理；之后，借助于有限元分析法，计算其吸声系数，讨论并比较质量环、薄膜和空腔的不同几何参数对吸声系数的影响；最后，对几何参数进行分析后，通过并联多个MAM单元以及改变质量环位置分别对其吸声性能进行优化，实现了在低频范围内吸声带宽的拓宽。

技术研发人员：蓝君,胡碗铷,李义丰
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/10