高承载与宽频隔声降噪多功能一体化超材料结构

本技术主要涉及到噪声控制新材料、新，尤其是一种高承载与宽频隔声降噪多功能一体化超材料结构。

背景技术：

1、夹芯板由上下表面面板与轻质芯层组合而成，因其具有质量轻、刚度大、强度高等显著优点，而作为承载结构广泛应用于国防装备、交通运输等领域。随着新型装备功率、运行速度、有效载荷的大幅提升，装备结构面临日趋严峻的多载荷环境，其中机械力载荷与噪声载荷在实际应用中十分常见。然而，受限于隔声质量定律，轻质夹芯结构的低频隔声性能较差。提升夹芯结构的低频隔声性能、发展兼具承载与优良隔声性能的新型结构，有益于促进高性能新型装备性能的发展。然而，低频噪声的波长大，穿透力强，采用传统手段提升结构的低频隔声性能需要大幅提升结构的面密度，这显然不利于装备结构在航空航天、高速列车等高技术领域的实际应用。如何在不大幅提升结构面密度及复杂度的前提下，在低频宽带范围内显著提升轻质夹芯结构的隔声性能，是学术界与工程界面临的一大难题。

2、近年来，声物理学和凝聚态物理学领域提出和发展的超材料结构为提升轻质夹芯结构的低频隔声性能提供了新思路。传统的膜类与板类超材料结构被证实能够突破隔声定律，实现显著的隔声性能提升。然而，膜类超材料结构强度低、易老化、不耐高温，且将其与夹芯结构相复合的制备工艺复杂，因此不适合应用于夹芯结构发展承载与降噪兼顾的结构；通过在高承载的基体结构周期性附加局域振子构成的板类超材料结构能够提升高承载结构的隔声性能，但是这种利用机械共振的超材料结构轻量化条件下低频有效作用频带较窄。除上述利用机械共振的膜类和板类超材料结构之外，还有一种利用声学共振腔的共振效应提升隔声性能的超材料结构。例如，meng等发表的一篇论文中(h.meng,m.a.galland,m.ichchou,o.bareille,f.x.xin,t.j.lu,smallperforationsin corrugatedsandwichpanelsignificantlyenhancelowfrequencysoundabsorption andtransmissionloss,compositestructures,182(2017)1-11.)，通过在夹芯板穿孔构造了一种超材料结构，该夹芯板的芯层可以发挥声学共振腔的作用，无需增加结构质量，可以提升结构的低频隔声性能。然而，这类超材料结构是利用穿孔板复合背腔结构的吸声作用来提升隔声性能的，其在低频的有效作用频带较窄、实际隔声提升效果有限。该论文中的实验结果显示，该超材料结构的隔声性能相比于无穿孔原始结构的隔声性能的提升并不明显。目前本领域还未见兼具轻量化、高承载、成本低、可靠性高、低频宽带范围内高效隔声的超材料结构。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提出一种高承载与宽频隔声降噪多功能一体化超材料结构。

2、为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

3、一方面，本实用新型提供一种高承载与宽频隔声降噪多功能一体化超材料结构，包括至少两块层叠设置的板结构，至少一组相邻板结构之间相隔一定距离而形成空气夹层，设有空气夹层的相邻板结构中至少一块板结构为穿孔夹芯板，所述穿孔夹芯板包括穿孔表板、夹芯层和背板，所述夹芯层包括实体域与空气域，所述穿孔表板上布设有多个穿孔，所述穿孔表板和所述背板经所述夹芯层的实体域相连接，所述穿孔表板的穿孔贯通所述空气夹层与所述夹芯层空气域。本实用新型利用穿孔表板与夹芯层的空气域构成声学共振结构，实现声学共振效应，进而能够使设有空气夹层的相邻板结构所包围的空气域(包括相邻板结构之间空气夹层以及夹芯层的空气域)在低频宽带范围具有超常等效体积模量，使得声波激励下两个板之间的相互作用迥异于传统双层板结构两板之间的相互作用，可以在低频宽带范围实现远超等质量传统双层板结构及等质量传统单层板结构的优异隔声性能。

4、进一步地，本实用新型中层叠设置的板结构相互平行。

5、进一步地，本实用新型中所述穿孔夹芯板中，夹芯层的所述空气域占所述夹芯层的体积比不小于30％。空气域占比太低即小于30％时，隔声效果会不够理想，效果较差。

6、进一步地，本实用新型中设有空气夹层的相邻板结构作为一个整体结构，其两块板结构分别为第一板结构、第二板结构，为充分发挥声学共振效应对隔声性能的提升效果，所述第一板结构与所述第二板结构的距离不宜过大，所述第一板结构与所述第二板结构之间的所述空气夹层的厚度不大于所述设有空气夹层的相邻板结构整体总厚度的80％。

7、进一步地，本实用新型中所述穿孔表板的厚度、穿孔表板的穿孔率、穿孔表板的穿孔直径、空气夹层的厚度、第一板结构的厚度、第二板结构的厚度影响所述高承载与宽频隔声降噪多功能一体化超材料结构的低频隔声性能，通过改变所述穿孔表板的厚度、穿孔表板的穿孔率、穿孔表板的穿孔直径、空气夹层的厚度、第一板结构的厚度、第二板结构的厚度能够调节所述高承载与宽频隔声降噪多功能一体化超材料结构的低频隔声性能。

8、进一步地，本实用新型中所述夹芯层中的实体域为呈点阵分布的点阵结构、蜂窝状分布的蜂窝结构或者波纹状分布的波纹板结构。

9、进一步地，本实用新型中所述夹芯层中的实体域为波纹状分布的波纹板结构时，所述波纹板结构上布设有多个贯通波纹板结构上下表面的穿孔。进一步地，所述波纹板结构上的各穿孔的形状、尺寸可以相同，也可以部分相同而部分不同，也可以互不相同。

10、进一步地，本实用新型中所述夹芯层的空气域局部填充有吸声介质。吸声介质所选用的材料为大孔隙率的多孔吸声材料，可以为泡沫型多孔材料、纤维型多孔材料、点阵型多孔材料、纤维型多孔材料。

11、进一步地，本实用新型中所述空气夹层中局部填充有吸声介质。吸声介质所选用的材料为大孔隙率的多孔吸声材料，可以为泡沫型多孔材料、纤维型多孔材料、点阵型多孔材料、纤维型多孔材料。

12、相比现有技术，本实用新型的有益技术效果：

13、本实用新型利用穿孔表板与夹芯层的空气域可以构成声学共振结构，在无需额外引入赫姆霍兹共鸣器的情况下，可以实现声学共振效应，进而可以使设有空气夹层的相邻板结构所包围的空气域(包括相邻板结构之间空气夹层以及夹芯层的空气域)在低频宽带范围具有超常等效体积模量，使得声波激励下两个板之间的相互作用迥异于传统双层板结构两板之间的相互作用，可以在低频宽带范围实现远超等质量传统双层板结构及等质量传统单层板结构的优异隔声性能。

14、特别地，设有空气夹层的相邻板结构作为一个整体结构，其两块板结构分别为第一板结构、第二板结构，当第一板结构与第二板结构包围的空气域的等效体积模量接近于0时，第一板结构与第二板结构包围的空气域近似等效为真空状态，声波对一个板结构的激励几乎不会经两板结构之间的空气夹层对另一个板结构产生作用，从而该频率处会出现显著的隔声峰。

15、此外，本实用新型中的穿孔夹芯板结构具有轻量化、高承载的优良力学特性，且其夹芯层空气域发挥了声学共振腔体的作用，本实用新型具有力学-声学多功能一体化的鲜明特点。

16、本实用新型无需额外引入赫姆霍兹共鸣器、机械式局域共振子等声学器件，制造工艺简单、成本低，能够在轻量化、高承载的同时，具有优良的低频宽带隔声性能，克服了背景技术中存在的不足。