[发明专利]一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料

说明书

技术领域

本发明涉及低频噪声控制的声学超材料技术领域，具体为一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料。

背景技术

在现代社会中，低频范围的噪声不仅在工业、航空和交通铁路等各个领域中，给其领域的仪器、设备等带来了严重的安全隐患，而且严重影响了人们的日常工作生活。在现有的低频噪声控制方法中，或是用较为厚实的传统混凝土墙或是结构较为复杂的复合材料结构，其方法制备困难、价格较高。低频噪声由于波长长、传播距离远、衰落弱等特点，对其有效控制一直是噪声控制领域有挑战性的难题。

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。近年来，研究者们提出了大量的Helmholtz腔型的声学超材料，为低频噪声控制提供了有利的结构模型。2006年，Fang等人设计了一维阵列的Helmholtz声学超材料，并且通过实验实现了负等效弹性模量；丁昌林等人申请专利(申请号为201010221191.6)设计了一种开口空心球的声学超材料，使得材料在1000～5000Hz的声波范围内实现了负等效弹性模量；2011年，高东宝等人将Helmholtz腔单元组合成新型单元，研究了各单元的声透射特性。

上述Helmholtz型声学超材料结构在一定频率范围内研究了其透射系数曲线，这些超材料结构控制的频率在kHz范围，且其透射系数曲线有单一尖锐的峰值且频率带较窄。

发明内容

本发明的目的是提供一种带薄膜型结构的Helmholtz腔声学超材料，通过圆柱型空腔增加薄膜结构，实现低频宽带噪声控制。

本发明的技术方案是：一种带薄膜型结构的Helmholtz腔声学超材料，结构单元由开孔圆柱型空腔和弹性圆形薄膜组成；

将开孔圆柱型空腔从中间划分成两部分，其顶端表面开孔的上半部分为所述结构单元的第一部分，下半部分为所述结构单元的第三部分；所述单元结构的第二部分为圆形薄膜结构；圆形薄膜结构位于第一部分和第三部分之间。

上述方案中，所述开孔圆柱型空腔结构是由铝材料制成。

进一步的，所述圆柱型空腔的外半径为15mm，内半径为14mm，总高度为20～40mm，壁厚为1mm，第三部分底板的厚度为2mm，小孔的深度为2～10mm，小孔的半径为0.4～0.8mm。

上述方案中，所述圆形薄膜结构是粘贴在空腔中间，由硅橡胶制成。

进一步的，所述圆形薄膜半径为15mm，厚度为0.1～1.2mm。

上述方案中，所述结构小孔的开孔方向正对着声学超材料的入射面。

上述方案中，所述声学超材料的制备工艺：为了简化样品材料的制备过程，将所述声学超材料结构分成四种不同形式的结构部分组成，分别是圆柱型底板、薄壁型空腔板、薄膜以及开小孔的圆柱型板。对不同形式的圆柱铝板结构，采用线切割工艺对其进行加工，并且将这些结构按照开小孔圆柱型板、薄壁空腔板、薄膜、薄壁空腔板、圆柱型底板的顺序用长螺丝固定。

上述方案中，实验制备时，样品材料单元结构的组合方式为孔中心距为32mm，围绕中心旋转为60°，即共七个结构单元组成，如图12中的第2张小图。

本发明的优点是：

1、本发明所述声学超材料结构通过增加薄膜结构的设计，以及所述单元结构几何参数相互匹配：r＝14mm，H＝30mm，r₀＝0.8mm，l＝2mm，d＝1mm下，达到最佳效果，在286Hz和352Hz左右，透射系数达到最低值且其频率带宽在30Hz左右，降低了噪声控制的频率值，并扩大了频率范围。

2、本发明所述声学超材料结构通过改变结构的几何参数，来得到想要控制的噪声频率范围。

3、本发明所述声学超材料单个单元结构就可以达到低频控制目的，无须繁杂的堆叠或组合，提高了结构布置效率和结构的整体稳定性。

4、本发明所述声学超材料结构所制备的材料简单，价格低廉；机械加工工艺简便，可批量化生产。

5、本发明所述声学超材料结构制备时，将结构通过长螺丝固定，易拆易装，可重复多次使用，大大降低了实验装配的难度。

附图说明

图1为本发明一实施例的声学超材料单元结构示意图。

图2为本发明一实施例的声学超材料单元结构剖面图。

图3为本发明一实施例的声学超材料单元结构尺寸图。

图4为本发明一实施例的声学超材料单元结构仿真模型图。

图5为本发明一实施例的声学超材料透射系数曲线图。