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消声组织的创制伎俩

  [0001] 本发明涉及一种新颖的消声结构,特别涉及一种局域共振声学材料(LRSM)。局域 共振声学材料能提供针对特定频率范围的屏蔽或声学屏障,并且可以层叠起来作为宽频消 声屏障。

  [0002] 近年来,发现了一类新型声学材料,其基于构造局域共振的原理。这种材料可以打 破声音衰减的质量密度定律,即:为了衰减声音传递至相同程度,固体面板的厚度、或单位 面积质量必须与声音频率成反比变化。因此,采用常规消声材料,低频消声可能需要非常厚 的固体面板,或者用具有高密度的材料如铅制成的面板。

  [0003] 这类新型材料即局域共振声学材料(LRSMs)的基本原理发表于Science, vol,289, p. 1641-1828(2000);以及,在关于实现这类LRSM的不同设计方面,美国专利 No. 6, 576, 333、以及美国专利No. 7, 249, 653中也描述了这种材料。目前的设计仍然困窘于 下述事实,即质量密度定律的打破仅仅局限于较窄频段。因此,在宽频段范围内都要求消声 的应用中,LRSM仍然非常厚重。

  [0004] 阻塞空气传播声音的常规措施通常要求用固体材料阻断空气介质。对于还要求通 风的噪声阻断应用而言,这是不利的。

  [0005] 属于Yang等人的美国专利No. 7, 395, 898描述了一种消声面板,其包括:分成多 个单独单元的刚性框架、挠性和弹性材料薄片(薄膜)、以及多个配重(薄块)。各配重固 定于挠性材料薄片,使得各单元设置有各自的配重,以及,通过适当选择配重的质量,可以 控制消声的频率。在这种消声结构中,分布于平坦面板上的薄膜配重单元都是大致相同的。 在如美国专利No. 7, 395, 898中所描述的一类系统中,薄膜通常为橡胶或其它弹性体,而配 重块所具有质量在〇. 1~10克之间。

  [0006] 属于Sheng等人的美国专利No. 8, 579, 073描述了一种声音能量吸收超材料,其包 括:附着有弹性薄膜的至少一个围起来的平直框架,并且具有一个或多个刚性板附着于薄 膜。刚性板具有非对称形状,在附着至上述弹性薄膜处具有大致直线边缘,因而,刚性板建 立具有预定质量的单元。该结构的振动拥有多个共振模态,其共振频率可调节。

  [0007] 在构造的共振超材料中,分布于平坦面板上的薄膜-配重单位单元所在的结构均 是相同的。对于给定的薄膜材料,例如橡胶,配重具有限定的质量。这导致工作频率在特定 范围内,该范围由质量、被移置质量的力矩以及Hooke定律确定。

  [0008] 消声面板具有一个实质透声的平直刚性框架,其分成多个单独的大体二维单元。 挠性材料薄片固定于刚性框架,并且将多个薄块固定至挠性材料薄片,使得多个单元的每 个单独单元设置有各自的薄块。挠性材料加薄块的布置方式产生一种共振频率,该共振频 率由各自单独单元的平面几何特性、挠性材料的挠性、以及其上的各自薄块限定。多个单元 分成至少两种不同类型的单独单元,分布在消声面板上。不同类型的单独单元构造成,使得 由不同类型单独单元的第一类单元所发出的声波,与由不同类型单独单元的第二类单元、 或者与不同类型单独单元的聚集体所发出的声波,建立消声模式。

  [0010] 图2图示刚性框架,包括若干局域共振声学材料(LRSM)单元,其中用粗线图示单个单元的俯视图和分解图。

  [0012] 图4图示局域共振声学材料(LRSM)面板的俯视图的示意图。

  [0013] 图5图示三个单独LRSM面板的透射谱、以及由三个LRSM面板叠加起来所构成面 板的透射谱。

  [0014] 图6图示两个单独LRSM面板的透射谱、以及由两个LRSM面板叠加起来所构成面 板的透射谱。

  [0019] 图IlA至图IlE图示样品单位单元的性质图表以及样品单位单元的照片;图IlA 图示单元的吸收性能;图IlB图示图IlA中所示样品在172Hz下得到的振幅随位置的变化; 图IlC图示图IlA中所示样品在340Hz下得到的振幅随位置的变化;图IlD图示图IlA中 所示样品在710Hz下得到的振幅随位置的变化;图IlE是图IlA至图IlD中所示样品单位 单元的照片。

  [0022] 图14为图示弹性势能密度(左列)、应变张量示踪(中列)、以及xy平面内位移 w(右列)的计算分布的一系列图。

  [0023] 图15A和图15B示出双层样品的吸收系数以及双层样品的照片。图15A图示关于 双层样品所测得的吸收系数;图15B是该结构的照片。

  [0024] 图16A和图16B图示出吸收峰随质量平方根倒数的变化趋势,16A图示172Hz下吸 收峰随质量平方根倒数的变化趋势,图16B图示813Hz下吸收峰随质量方根倒数的变化趋 势。

  [0025] 图17A和图17B图示吸收图,示出单层薄膜(图17A)的透射以及五层薄膜(图 17A)的透射;

  [0028] 图20A和图20B图示使用保鲜膜和铝箱作为薄膜的两种实验的透射谱;

  [0029] 图21A和图21B图示关于采用丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)膜的结构的数字仿线A图示采用丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)膜的结构的数字仿真结果,其中ABS膜 半径为50毫米、厚度为0. 1毫米、铅薄块半径为8毫米、厚度为I. 1毫米;图21B图示采用 丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)膜的结构的数字仿真结果,其中ABS膜半径为100毫米、厚度为 0. 5毫米、ABS薄块半径为40毫米、厚度为2. 25毫米;

  [0030] 图22图示关于铝膜的数字仿真透射谱,采用的铝膜半径为50毫米、厚度为0. 1毫 米、薄块半径为20毫米、厚度为0. 1毫米;

  [0031] 图23A和图23B图示工作频率在超声频段中的结构的数字仿线E是设置多种类型单元的布置方式的示意图,图24A图示两种单元 的交替布置,图24B图示交替布置使得相同类型的最邻近单元比相反类型的最邻近单元间 隔更远的结构,图24C图示每一行中相邻布置相同类型单元的结构,图24D图示一种类型的 单元被不同类型单元围住的布置,图24E图示交替布置在一种类型的单元之间提供相邻关 系,在另一类型的单元之间不提供相邻关系,并且由行提供隔离的布置方式;

  [0034] 图26图示使用五个单元的模式的消声面板中透射系数随频率的变化、以及反射 系数随频率的变化;

  [0035] 图27图示使用了一个A类单元和四个B类单元模式的消声面板中透射系数随频 率的变化;

  [0036] 图28A和图28B示意性图示带隔音用褶皱薄膜的消声结构,每个单元使用了一个 薄块,图28A是侧视图,而图28B是俯视图或平面图;以及

  [0037] 图29A和图29B示意性图示带隔音用褶皱薄膜的消声结构图,其中将多个薄块附 着于褶皱或波纹薄膜,图29A是侧视图,而图29B是俯视图或平面图。

  [0039] 术语超材料(metamaterials)是指能与入射波親合的人造共振结构。在开放系 统中,与辐射波耦合的共振是一种另外的选择,其能有效减小耗散。尽管声学超材料的出现 已经扩展了材料可能特性的范围,但还没有特定共振结构针对低频声音的有效吸收以及亚 波长吸收。相比之下,已经提出了设计用于吸收的多种电磁超材料,以及,通过使用超材料 来引导入射波进入耗散核心(lossy core),实现了光学黑洞。

  [0040] 已经发现,通过使用装有或附加有设计形状刚性薄块的挠性和弹性薄膜或薄片, 所得到的声学超材料在170Hz附近可以吸收86%的声波,在低频共振模式和高频共振模式 下,用两层该结构可以吸收99%的声波。薄块各具有预定的重量或质量。在本文中使用时, 薄块、配重和重块交替使用。因此,在这些频率处,取样是暗声的。共振模式和频 率的有限元仿真与实验很好地相符。特别地,共振模式的位移激光多普勒测量结果显示,薄 块边界附近的斜率是不连续的,说明了显著增强的曲率能量集中在这些较小区域中,这些 较小区域最低限度地与辐射模式耦合,从而,类似于空腔系统,导致强烈吸收,即使该系统 几何结构是开放的。

  [0041] 在此使用时,术语薄膜或薄片包括材料的薄片,作为非限制性示例,该材料 可以是挠性和弹性薄膜或片材。

  [0042] 根据本发明,消声面板由刚性框架、挠性材料薄片、以及多个薄块形成。刚性框架 分成多个单独单元。挠性材料可以是任何合适的柔软材料诸如弹性材料如橡胶,或者如尼 龙材料。按照本发明的一个方面,挠性材料应当具有小于约1毫米的厚度。

  [0043] 在一种结构中,挠性材料应当不透气,并且不具有穿孔或孔洞,否则,消声效果将 大打折扣。在一种可选结构中,面板构造成具有开口,并且不是气密的,允许空气相当自由 地流过面板。在这样一种布置方式中,隔音面板包括适当大小的孔或开口,空气能充分自由 地从中流过,以提供或促进空气流通。

  [0044] 刚性框架,也称为格栅,可以由诸如铝或塑料等材料制成。格栅的功能是用于支 撑,故材料选择不是非常严格,只要它足是够刚性的,以及,适宜为轻质材料。

  [0045] 通常,格栅内单元的间距为0. 5~1. 5厘米之间。某些情况下,特别是如果挠性薄 片较薄,格栅的尺寸对被阻断的频率有影响,尤其是格栅尺寸越小,被阻断频率越高。尽管 如此,如果挠性薄片较厚,则格栅尺寸的影响就不太明显。

  [0046] -个薄块的通常尺寸为5毫米左右,质量为0. 2~2克之间。一块面板上的所有 薄块通常具有相同质量,以及,选择薄块的质量,以在期望频率实现消声,以及,如果所有其 它参数保持相同,被阻断频率将与薄块质量的平方根成反比。薄块的尺寸对被阻断频率影 响不大,但可能影

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