一种低频宽带下沉式声学超材料结构 专利技术说明

乐器;声学设备的制造及制作,分析技术1.本发明涉及振动与噪声控制技术领域，具体为一种低频宽带下沉式声学超材料结构。背景技术：2.随着社会的发展与进步，现代运载交通工具(汽车、轨道列车、飞机、船舶、载人航天器、工程车辆等)、智能家电与高科技电子(空调、冰箱、降噪耳机等)、能源、建筑与人居工程等领域对声学品质需求越来越迫切，因而对全频段噪声(低、中、高频)均提出了控制要求。中高频噪声对应的波长短、传播能力弱，通过传统的吸声材料技术可以对其有效控制；但由于低频噪声(1000hz以下尤其是500hz以下)对应的声波的波长大，传递能力强，导致传统吸声材料技术只能通过大幅提高材料厚度/重量来控制低频噪声，如何有效抑制低频噪声、实现高效宽频吸声是学术界与工程界面临的一大难题。3.声学超材料是声学研究领域最前沿学科之一，其是通过设计适当的结构构型实现对声波的有效调控，具有超常的声学性质，尤其针对于常规隔音材料难以解决的低频(1-1000hz)噪声问题。声学超材料的研究起源于局域共振型声子晶体，局域共振型声子晶体这一概念最早在2000年被提出。人为地将局域共振单元周期性地排列在弹性介质中就可以构造一个简易的局域共振型声子晶体模型，通过研究发现，其可以在某些特殊范围内形成低频带隙。到了2004年，声学超材料的概念才首次被提出。近十年来，随着声学超构材料的出现和发展，低频噪声控制方面取得了阶段性进展。但是基于局部共振原理的传统声学超构材料直接产生的声学带宽很窄，不具有宽带消声效果，因而，在一定程度上缺乏实用性。4.声学超材料是声学研究领域最前沿学科之一，其是通过设计适当的结构构型实现对声波的有效调控，具有超常的声学性质，尤其针对于常规隔音材料难以解决的低频(1-1000hz)噪声问题。声学超材料的研究起源于局域共振型声子晶体，局域共振型声子晶体这一概念最早在2000年被提出。人为地将局域共振单元周期性地排列在弹性介质中就可以构造一个简易的局域共振型声子晶体模型，通过研究发现，其可以在某些特殊范围内形成低频带隙。到了2004年，声学超材料的概念才首次被提出。近十年来，随着声学超构材料的出现和发展，低频噪声控制方面取得了阶段性进展。但是基于局部共振原理的传统声学超构材料直接产生的声学带宽很窄，不具有宽带消声效果，因而，在一定程度上缺乏实用性。5.声学超材料的声学性能是基于结构带隙的分析，低频带隙能实现对低频噪声的抑制，而带隙越低，其优化难度就越大，对结构与材料的要求就越大。因此，如何设计声学超材料结构以及在保证超材料合理构型的情况下对结构进行优化，以提升其声学性能是一项重要的研究内容。技术实现要素：6.本发明的目的在于提供一种低频宽带下沉式声学超材料结构，以解决上述背景技术中提出的问题。7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低频宽带下沉式声学超材料结构，包括钨质量块层、硅橡胶层、环氧树脂基板层，其特征在于：所述六边形基板为蜂窝六边形，所述六边形基板的上部中部设置有硅橡胶，且所述硅橡胶的下柱体与六边形基板粘结，所述硅橡胶的内部内嵌有质量块，且所述硅橡胶的半径大于质量块的半径，且所述质量块的下表面可下沉3.75-9mm的深度到硅橡胶的内部。8.优选的，所述质量块为半径4-5.5mm、厚度3.75-6.75mm的钨，所述质量块的具体参数为密度ρ＝19100kg/m3，弹性模量为e＝3.54×1011pa，泊松比为0.35。9.优选的，所述硅橡胶为半径6mm、厚度9mm的硅橡胶，所述硅橡胶具体参数为密度ρ＝1300kg/m3，剪切模量为g＝4.68×104pa，弹性模量为e＝1.2×105pa，泊松比为0.47。10.优选的，所述六边形基板的晶格常数为30mm，所述六边形基板为边长10√3mm、厚度1mm的环氧树脂，六边形基板具体参数为密度ρ＝1180kg/m3，弹性模量为e＝4.35×109pa，泊松比为0.37。11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：12.本发明是一种低频宽带的沉降式声学超材料结构，通过将质量块下沉到硅橡胶中，基于comsol的计算分析得到仿真数据，通过对比相同参数条件下的传统结构与下沉结构，下沉结构的隔声频率为495hz，相较于传统结构隔声频率范围180hz相比隔声范围更宽，下沉的深度越深，使隔声峰和隔声谷对应的频率都向高频偏移，这样本发明的低频宽带消音超材料就实现了声波衰减的功能。附图说明13.图1为本发明的具有低频宽带消音功能的声学超材料的下沉结构立体图；14.图2为本发明的具有低频宽带消音功能的声学超材料的下沉结构剖面图；15.图3为本发明的具有低频宽带消音功能的声学超材料的下沉结构俯视图；16.图4为本发明的具有低频宽带消音功能的声学超材料的声学测试结果图。17.图中：1、六边形基板；2、质量块；3、硅橡胶。具体实施方式18.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做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。19.请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种低频宽带下沉式声学超材料结构，包括钨质量块层、硅橡胶层、环氧树脂基板层，六边形基板1为蜂窝六边形，六边形基板1的上部中部设置有硅橡胶3，且硅橡胶3的下柱体与六边形基板1粘结，硅橡胶3的内部内嵌有质量块2，且硅橡胶3的半径大于质量块2的半径，且质量块2的下表面可下沉3.75-9mm的深度到硅橡胶3的内部；20.质量块2为半径4-5.5mm、厚度3.75-6.75mm的钨，质量块2的具体参数为密度ρ＝19100kg/m3，弹性模量为e＝3.54×1011pa，泊松比为0.35；21.硅橡胶3为半径6mm、厚度9mm的硅橡胶，硅橡胶3具体参数为密度ρ＝1300kg/m3，剪切模量为g＝4.68×104pa，弹性模量为e＝1.2×105pa，泊松比为0.47；22.六边形基板1的晶格常数为30mm，六边形基板1为边长10√3mm、厚度1mm的环氧树脂，六边形基板1具体参数为密度ρ＝1180kg/m3，弹性模量为e＝4.35×109pa，泊松比为0.37。23.工作原理：该发明在使用时，局域共振单元的存在使板内的色散关系被改变，在带隙下边界处引发局域共振单元共振，能量集中在共振单元中，所以产生了明显的隔声峰，在带隙上边界处，能量主要集中在六边形基板1，所以产生了隔声谷，隔声峰处共振单元集中了大量能量，而隔声谷处的能量主要集中在六边形基板1，隔声带隙明显增宽，有效抑制低频噪声、实现高效宽频吸声的功能。24.本发明在使用时，在基于comsol的计算分析，通过改变复合柱状式振子的结构，使其在满足隔声特性要求下，通过改变其中某些参数可以满足超材料的不同优化需求：将带隙区间优化在特定频率范围，以针对特定频率的噪声；提升超材料的整体降噪性能。25.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。26.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。









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