基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料单元及装置

1.本发明属于噪声治理新材料、新结构领域，尤其涉及一种基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料单元及装置。


背景技术：

2.随着社会发展，生产生活中的噪声污染问题日益突出。中高频噪声的波长短、传播能力弱，采用传统吸声技术可以对其有效控制；但由于低频噪声的波长大、穿透力强，采用传统手段对低频噪声进行控制时往往需要较大的材料厚度/质量。如何实现高效的低频噪声吸收是学术界与工程界面临的一大难题。
3.近年来，声学超材料概念的提出和发展为解决低频吸声问题提供了新思路。通过在亚波长尺度上的人工微结构设计，声学超材料具有传统材料/结构所不具备的超常物理性质(如负等效质量密度、负等效体积模量、双负等)，从而能够实现对低频弹性波和声波的超常操控。传统的用于吸声的声学超材料结构主要有薄膜型声学超材料结构、亥姆赫兹共振超材料结构、迷宫型通道声学超材料结构。这些声学超材料结构能够突破传统材料的限制，在亚波长尺度上实现高效吸声，然而它们也存在一些不足，如：薄膜型声学超材料安装难度大(通常需要额外附加固定框架)，预应力的准确施加与保持较为困难，并且薄膜在裸露使用时容易受外界环境影响而损坏失效；亥姆赫兹共振型声学超材料结构的作用频带较窄；迷宫型通道声学超材料结构的构型复杂，加工难度大，面密度高，增加了重量和成本。这些不足限制了传统声学超材料吸声结构的实际工程应用，而目前的背景技术中还未见兼具可靠性高、成本低、低频宽带范围内吸声性能好等优点的声学超材料吸声结构。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料单元及装置，用于克服现有技术中不能兼具可靠性高、成本低、低频宽带范围内吸声性能好等缺陷。
5.为实现上述目的，本发明提出一种基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料单元，包括：
6.耦合共振结构，包括顶板、围壁、底板，及其围成的声学导波腔体；所述顶板为穿孔板或穿缝板；
7.宽频阻抗调制体，位于所述声学导波腔体内，包括至少一个声学模块和至少一个贯通部；所述声学模块沿围壁周向安装，两块所述声学模块的间隙或所述声学模块与围壁之间的间隙构成所述贯通部。
8.为实现上述目的，本发明还提出一种基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料装置，由若干个上述所述的吸声超材料单元阵列化排布而成。
9.与现有技术相比，本发明的有益效果有：
10.本发明提供的基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料单元包括耦合
共振结构和宽频阻抗调制体，含有孔(缝)的顶板与围壁、底板形成具有低频共振效应的耦合共振结构，同时声学导波腔体内的宽频阻抗调制体可以大范围调节特性阻抗，由于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的协同作用，可以在低频宽带范围内实现阻抗匹配，(1)宽频阻抗调制体的声学模块与贯通部交界处空气与声学模块剧烈摩擦致使声能耗散；(2)亥姆赫兹共鸣效应，声波在顶板开孔(缝)处的粘滞耗散；(3)在宽频阻抗调制体的声学模块内部，由于剧烈摩擦，声能转化为固体的热能并通过固体热传导耗散。从而本发明提供的吸声超材料单元可以在低频宽带范围内实现高效吸声。此外，当根据阻抗匹配条件并联多个本发明提供的吸声超材料单元时，所构成的基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料装置能够进一步拓宽吸声频带。
11.本发明提供的吸声超材料单元能够在低频宽带范围内具有良好的吸声效果，并且加工制造简单、成本低、可靠性高，克服了传统声学超材料吸声结构吸声频带窄、拓扑构型复杂、可靠性差等缺点。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
13.图1a为本发明提供的基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料单元纵向截面图；
14.图1b为本发明提供的基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料单元三维透视图；
15.图2为由声学模块与围壁之间的间隙构成贯通部的示意图；
16.图3为宽频阻抗调制体分别与底板、顶板接触的剖面示意图；图中(a)表示宽频阻抗调制体与底板相接触，(b)表示宽频阻抗调制体与顶板相接触；
17.图4为支撑部与包裹部所在位置的的剖面示意图；
18.图5为顶板的多种结构形式的示意图；图中(c)、(d)、(e)和(f)分别表示不同结构形式的顶板；
19.图6为本发明提供的基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料装置示意图。
20.附图标号说明：1：耦合共振结构；1-1：顶板；1-2：围壁；1-3：底板；1-4：声学导波腔体；2：宽频阻抗调制体；2-1：声学模块；2-2：贯通部；3：支撑部；4：包裹部。
21.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
24.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
25.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
27.本发明提出一种基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料单元，如图1a和图1b所示，包括：
28.耦合共振结构1，包括顶板1-1、围壁1-2、底板1-3，及其围成的声学导波腔体1-4；顶板1-1为穿孔板或穿缝板；
29.宽频阻抗调制体2，位于声学导波腔体1-4内，包括至少一个声学模块2-1和至少一个贯通部2-2；多个声学模块2-1沿围壁1-2周向安装，两块声学模块2-1之间的间隙(如图1a所示)或声学模块2-1与围壁1-2之间的间隙(如图2所示)构成贯通部2-2。
30.声学导波腔体1-4由顶板1-1、围壁1-2、底板1-3围成。
31.本发明提供的基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料单元可以通过调节宽频阻抗调制体的纵向厚度(z轴方向)、宽频阻抗调制体距离顶板的距离，以及贯通部的横向宽度(x轴方向)来大范围调节阻抗匹配，利用耦合共振结构和宽频阻抗调制体的协同作用，实现低频宽带高效吸声。
32.优选地，宽频阻抗调制体2的体积小于声学导波腔体1-4的体积。即，将宽频阻抗调制体2安装在声学导波腔体1-4之后，声学导波腔体1-4内还留有一定的空间。如此设计，一方面可以灵活调节阻抗匹配的频段、实现更好的吸声效果，另一方面可以节约宽频阻抗调制体2的使用成本。
33.优选地，如图3所示，根据不同的工况与吸声效果要求，宽频阻抗调制体2可以与顶板相接触，或与底板相接触。如图4所示，当宽频阻抗调制体2不与顶板1-1相接触或不与底板1-3相接触时，吸声超材料单元还包括支撑部3，设置在围壁1-2上，用于支撑宽频阻抗调制体2。
34.优选地，支撑部3为开孔的刚性网状结构，以起到良好的支撑效果，同时不影响宽频阻抗调制体2发挥作用。
35.优选地，声学导波腔体1-4横截面的最小特征尺寸(例如，当声学导波腔体横截面为矩形时，最小特征尺寸为其边长的最小值)小于最低阶共振频率下声波波长的四分之一，
便于声波导入。
36.优选地，声学模块2-1的材料为泡沫型多孔材料、纤维型多孔材料、点阵型多孔材料和颗粒型多孔材料中的一种。
37.优选地，声学模块2-1的材料为三聚氰胺、聚酰亚胺、聚氨酯、玻璃棉、泡沫金属、玻璃纤维、不锈钢纤维、矿渣棉和涤纶棉等中的一种。
38.优选地，贯通部2-2的贯通方向为沿底板到顶板的垂直方向(即，z轴方向)。
39.贯通部的横截面(即xy平面)形状可以为矩形、三角形、圆形、椭圆形等几何形状。
40.优选地，如图4所示，根据使用工况要求，所述吸声超材料单元还包括包裹部4，包裹部4从耦合共振结构1的外侧包裹住顶板1-1，以防止或降低外部环境(如灰尘)对所述吸声超材料的影响。
41.优选地，包裹部4的材质为透声率高的布料。
42.优选地，顶板1-1、围壁1-2、底板1-3的材质可以相同，也可以不相同；材质可以为金属、木材、石材、玻璃和塑料等。
43.顶板1-1上可以有单个孔(缝)，也可以有多个孔(缝)，如图5所示。
44.本发明还提出一种基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料装置，如图6所示，由若干个上述所述的吸声超材料单元阵列化排布而成。
45.在吸声超材料装置中，各吸声超材料单元的参数可以相同，也可以不同。
46.优选地，可以在目标频带范围内，根据阻抗匹配条件，将若干个参数不同的吸声超材料单元组成一个大的超单元，再将该超单元阵列化排布成吸声超材料装置，从而实现更宽频带范围内的高效吸声。
47.实施例1
48.本实施例提供一种基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料单元，包括：
49.耦合共振结构，包括顶板、围壁、底板，及其围成的声学导波腔体；顶板为穿缝板(如图5中的(f)所示，顶板的厚度为5mm，缝宽9mm)；
50.宽频阻抗调制体，位于声学导波腔体内且与顶板相接触，包括两个声学模块和一个贯通部(如图3中的(b)所示)。
51.本实施例中，吸声超材料单元的厚度(z方向尺寸)为55mm，宽度(x方向尺寸)为100mm，长度(y方向尺寸)为200mm。宽频阻抗调制体的厚度(z方向尺寸)为40mm，贯通部的横截面形状均为矩形，其横截面的宽度(两块声学模块之间的间隙宽)为7mm。声学模块的材料为聚氨酯。
52.本实施例提供的吸声超材料单元在430hz处实现准完美吸声，在266～894hz的频率范围内，最小吸声系数大于0.5，归一化吸声带宽(即2
×
(894-266)/(894+266))达到了1.08，表明本实施例提供的吸声超材料单元能够在低频宽带的范围内具有良好的吸声效果。
53.实施例2
54.本实施例提供一种基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料装置，由9个不同的吸声超材料单元(以下简称吸声单元)并联组成，每个吸声单元的整体形状均为长方体，每个吸声单元的厚度(z方向尺寸)均为100mm，宽度(x方向尺寸)均为100mm，长度(y方
向尺寸)均为300mm。9个吸声单元按照3
×
3的方式在xy平面均匀紧密排布，按照从左至右、从前至后的顺序，每个吸声单元依次命名为吸声单元1、吸声单元2，
……
，吸声单元9。每个吸声单元的顶板均为穿孔板，从吸声单元1至吸声单元9，顶板的穿孔率分别为：19.4％、5.6％、19.7％、1.35％、19.9％、1.9％、19.2％、19.6％、19.3％；顶板的穿孔直径分别为：0.1mm、3.6mm、0.1mm、4.7mm、1.9mm、4.8mm、0.1mm、0.2mm、1.8mm；每个宽频阻抗调制体包含两个高孔隙率声学模块和一个贯通部，贯通部均位于宽频阻抗调制体的中间位置，宽频阻抗调制体的厚度(z方向尺寸)分别为：11mm、90mm、8mm、1mm、80mm、36mm、6mm、80mm、91mm；贯通部的横截面形状均为矩形，其横截面的长度(y方向尺寸)均为100mm，横截面的宽度(x方向尺寸)分别为：50mm、10mm、32mm、38mm、5mm、46mm、17mm、8mm、5mm；每个宽频阻抗调制体距离顶板的距离分别为：87mm、2.6mm、87mm、98mm、18mm、29mm、43mm、16mm、6mm；高孔隙率声学模块的材料为三聚氰胺。在250～1000hz的频率范围内，实施例提供的吸声超材料装置的最小吸声系数大于0.9，平均吸声系数大于0.94，表明本实施例提供的吸声超材料装置能够在低频宽带的范围内具有良好的吸声效果。
55.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换或替换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料单元，其特征在于，包括：耦合共振结构，包括顶板、围壁、底板，及其围成的声学导波腔体；所述顶板为穿孔板或穿缝板；宽频阻抗调制体，位于所述声学导波腔体内，包括至少一个声学模块和至少一个贯通部；所述声学模块沿围壁周向安装，两块所述声学模块的间隙或所述声学模块与所述围壁之间的间隙构成所述贯通部。2.如权利要求1所述的吸声超材料单元，其特征在于，所述宽频阻抗调制体的体积小于所述声学导波腔体的体积。3.如权利要求1或2所述的吸声超材料单元，其特征在于，当所述宽频阻抗调制体不与所述顶板相接触或不与所述底板相接触时，所述吸声超材料单元还包括支撑部，设置在所述围壁上，用于支撑所述宽频阻抗调制体。4.如权利要求3所述的吸声超材料单元，其特征在于，所述支撑部为开孔的刚性网状结构。5.如权利要求1所述的吸声超材料单元，其特征在于，所述声学导波腔体横截面的最小特征尺寸小于最低阶共振频率下声波波长的四分之一。6.如权利要求1所述的吸声超材料单元，其特征在于，所述声学模块的材料为泡沫型多孔材料、纤维型多孔材料、点阵型多孔材料和颗粒型多孔材料中的一种。7.如权利要求1所述的吸声超材料单元，其特征在于，所述贯通部的贯通方向为沿底板到顶板的垂直方向。8.如权利要求1所述的吸声超材料单元，其特征在于，还包括包裹部，所述包裹部从所述耦合共振结构的外侧包裹住所述顶板。9.如权利要求1所述的吸声超材料单元，其特征在于，所述包裹部的材质为布料。10.一种基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料装置，其特征在于，由若干个权利要求1～9任一项所述的吸声超材料单元阵列化排布而成。

技术总结
本发明公开一种基于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的吸声超材料单元及装置，该吸声超材料单元包括耦合共振结构和宽频阻抗调制体，含有孔的顶板与围壁、底板形成具有低频共振效应的耦合共振结构，同时声学导波腔体内的宽频阻抗调制体可以大范围调节特性阻抗，由于耦合共振结构与宽频阻抗调制体的协同作用，可以在低频宽带范围内实现阻抗匹配。本发明提供的吸声超材料单元能够在低频宽带范围内具有良好的吸声效果，并且加工制造简单、成本低、可靠性高，克服了传统声学超材料吸声结构吸声频带窄、拓扑构型复杂、可靠性差等缺点。可靠性差等缺点。可靠性差等缺点。


技术研发人员：肖勇 郭佳佳 温激鸿 王帅星 郁殿龙 赵宏刚 张弘佳 胡洋华 李永强 张振方 刘家玮 王洋
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2023/9/22