專(zhuān)利名稱：Viscoelastic phononic crystal的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種音障。具體的布置還涉及采用聲子晶體(phononic crystals)的 音障(sound barrier)。
背景技術(shù)：
隔音材料和結(jié)構(gòu)在聲學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域或工業(yè)中具有重要的應(yīng)用。用在工業(yè)中的傳統(tǒng)材 料，例如阻尼器或吸收體、反射器以及音障通常在寬的頻率范圍上起作用，而不能提供頻率 選擇的聲音控制。主動(dòng)的噪音消音設(shè)備允許頻率選擇的聲音減弱，但通常在限定的空間內(nèi) 是最有效的并且需要電子設(shè)備的投入或授權(quán)以及電子設(shè)備的運(yùn)行以便提供功率和控制。聲子晶體，即周期性的非均勻介質(zhì)，已經(jīng)被用作具有聲學(xué)通帶(acoustic passbands)和帶隙的音障。例如，空氣中的銅管的周期性排列、具有覆蓋軟的彈性材料的高 密度中心的復(fù)合元件的周期性排列以及空氣中的水的周期性排列已經(jīng)被用于形成具有頻 率選擇特性的音障。然而，這些方法通常存在缺點(diǎn)，例如形成窄的帶隙或形成對(duì)于聲學(xué)應(yīng)用 太高的頻率處的帶隙，和/或需要大的物理結(jié)構(gòu)。因此，需要一種改進(jìn)的音障，其削弱了傳統(tǒng)技術(shù)中的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明大體涉及音障，并且在具體的方面更具體地涉及用粘彈性材料構(gòu)建的聲子 晶體。在本發(fā)明的一個(gè)方面，音障包括(a)具有第一密度的第一介質(zhì)，和(2)設(shè)置在第一 介質(zhì)內(nèi)的基本上周期陣列的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由具有與第一密度不同的第二密度的第二介質(zhì)形 成。所述第一和第二介質(zhì)中的至少一個(gè)是具有縱向聲波傳播速度和橫向聲波傳播速度的諸 如固體粘彈性硅橡膠的固體介質(zhì)，其中所述縱向聲波傳播速度是所述橫向聲波傳播速度的 至少大約30倍。正如在本發(fā)明中應(yīng)用的，“固體介質(zhì)”是在有限長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定弛豫模量?jī)A向于有 限的、非零值的介質(zhì)。本發(fā)明的另一方面涉及一種制作音障的方法。在一種配置中，該方法包括(a)選 擇第一候選介質(zhì)，其包括具有縱向聲波的傳播速度、橫向聲波的傳播速度、多個(gè)弛豫時(shí)間常 數(shù)的粘彈性材料；(b)選擇第二候選介質(zhì)；(c)至少部分地基于所述多個(gè)弛豫時(shí)間常數(shù)，確定包括嵌入在所述第一和第二候選介質(zhì)中的另一個(gè)中的所述第一和第二候選介質(zhì)中的一 個(gè)的基本上周期陣列的音障的聲學(xué)透射性質(zhì)；和至少部分地基于確定所述聲學(xué)透射性質(zhì)的 結(jié)果確定所述第一和第二介質(zhì)是否用于構(gòu)建音障。


圖1示出馬克斯韋爾(Maxwell)模型和開(kāi)爾文-伏葛脫(Kelvin-Voigt)模型；圖2示出馬克斯韋爾_威切爾特(Maxwell-Weichert)模型；圖3示意地示出根據(jù)本發(fā)明的一方面嵌入在聚合物基體中的空氣圓柱的二維陣 列。所述圓柱平行于笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)(0XYZ)的Z軸線。點(diǎn)陣常數(shù)a = 12mm;圓柱直徑D = 8mm。圖4示意地示出根據(jù)本發(fā)明的另一方面的位于嵌入在空氣中的蜂巢晶格上的聚 合物圓柱的二維陣列。圓柱平行于笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)(0XYZ)的Z軸線。垂直點(diǎn)陣常數(shù)b = 19. 9mm ；水平點(diǎn)陣常數(shù)a = 34. 5mm ；圓柱直徑D = 11. 5mm。圖5(a)示出對(duì)聚合物基體中的空氣圓柱陣列計(jì)算的光譜透射系數(shù)。圖5(b)示出圖5(a)中示出的曲線的更詳細(xì)的部分。圖6示出對(duì)聚合物基體中的空氣圓柱陣列測(cè)量的透射能量光譜。圖7示出在由嵌入在聚合物基體中填充比f(wàn) = 0. 349的空氣圓柱構(gòu)成的二維方格 點(diǎn)陣中使用時(shí)域有限差分(FDTD)方法計(jì)算的帶結(jié)構(gòu)，波矢方向垂直于圓柱軸線。圖8(a)示出在由嵌入在聚合物基體中填充比f(wàn) = 0. 349的空氣圓柱構(gòu)成的二維 方格點(diǎn)陣中單模型(僅縱向聲波)的色散關(guān)系曲線。波矢方向垂直于圓柱軸線。圖8(b)示出在圖8(a)中的曲線中的更詳細(xì)區(qū)域。圖9是對(duì)應(yīng)于縱向激勵(lì)(stimulus)信號(hào)的透射橫波的剪切透射系數(shù)(shear transmission coefficient)的曲線。圖10示出對(duì)嵌入在聚合物基體中的空氣圓柱陣列所計(jì)算的橫波的透射系數(shù)光譜 曲線。圖11示出嵌入在硅橡膠基體中的空氣圓柱陣列的對(duì)應(yīng)于橫波速度的不同值的縱 波的透射系數(shù)的光譜曲線。圖12(a)示出具有弛豫時(shí)間T = 10_5s的嵌入在硅橡膠基體中的空氣圓柱陣列的 對(duì)應(yīng)于^^的不同值的縱波的透射系數(shù)的光譜曲線。圖12(b)示出圖12(a)中的曲線的部分的細(xì)節(jié)。圖13示出具有弛豫時(shí)間T = 10_6s的嵌入在硅橡膠基體中的空氣圓柱陣列的對(duì) 應(yīng)于^^的不同值的縱波的透射系數(shù)的光譜曲線。圖14示出具有弛豫時(shí)間T = 10_8s的嵌入在硅橡膠基體中的空氣圓柱陣列的對(duì) 應(yīng)于^^的不同值的縱波的透射系數(shù)的光譜曲線。圖15(a)示出具有a ^ = 0. 5的無(wú)量綱平衡拉伸模量(tensile modulus)的嵌入 在硅橡膠基體中的空氣圓柱陣列的對(duì)應(yīng)于弛豫時(shí)間的不同值的縱波的透射系數(shù)的光譜曲 線。圖15(b)示出圖15(a)中曲線的部分的細(xì)節(jié)。圖16(a)示出在嵌入在硅橡膠基體中的空氣圓柱陣列中縱波的基于廣義的8元馬克斯韋爾(Maxwell)模型計(jì)算的透射系數(shù)的光譜曲線。圖16(b)示出在彈性橡膠、硅粘彈性橡膠以及硅橡膠_空氣中空氣圓柱復(fù)合結(jié)構(gòu) 中的透射譜振幅對(duì)比圖。圖17示出位于空氣中蜂巢點(diǎn)陣上的接觸的聚合物圓柱陣列(圓柱直徑5. 75mm, 六邊形點(diǎn)陣常數(shù)19. 9mm)的光譜透射系數(shù)。沿正交于波傳播方向的結(jié)構(gòu)的總的厚度為 103. 5mm。圖18示出對(duì)具有弛豫時(shí)間10_4s的位于空氣中的蜂巢點(diǎn)陣上的接觸的聚合物圓柱 的陣列所測(cè)得的對(duì)應(yīng)于^^的不同值的不同透射系數(shù)的對(duì)比圖。圖19示出對(duì)位于空氣中的蜂巢點(diǎn)陣上的接觸的聚合物圓柱的陣列(圓柱半徑 5. 75mm，六邊形點(diǎn)陣常數(shù)19. 9mm)基于廣義的8元馬克斯韋爾(Maxwell)模型計(jì)算與彈性 模型計(jì)算的光譜透射系數(shù)的對(duì)比圖。沿正交于波傳播方向的結(jié)構(gòu)的總厚度為103.5mm。
具體實(shí)施例方式I.概述本發(fā)明涉及用于聲波、尤其是可聽(tīng)頻率范圍內(nèi)的聲波的頻率選擇阻塞的聲子晶 體。隔音的挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)阻止聲音在空氣中在小于或波長(zhǎng)量級(jí)的距離上的傳播的結(jié) 構(gòu)。至少已經(jīng)有兩種方法已經(jīng)用于發(fā)展這種材料。第一種依賴于由基體內(nèi)的包含物的周期 陣列帶來(lái)的彈性波的布拉格散射(Braggscattering)。帶隙的存在依賴于包含物和基體材 料的物理和彈性性質(zhì)的差異、包含物的填充比、陣列和包含物的幾何結(jié)構(gòu)。在具有大的周期 (和大的包含物)和具有低音速的材料的陣列的情況下，可以獲得在低頻率處的光譜間隙。 例如，對(duì)于沿平行于方格單胞的邊緣方向傳播的聲波，在空氣中的空的銅圓柱(28mm直徑) 的方形陣列(30個(gè)周期)獲得位于4-7kHz范圍內(nèi)的明顯的聲學(xué)間隙。參見(jiàn)J. 0. Vasseur， P. A. Deymier，A.Khelif, Ph. Lambin, B.Dajfari—Rouhani，A.Akjouj, L.Dobrzynski, N. Fettouhi, and J. ZemmouriPhys. Rev. E 65,056608(2002)中的文章“Phononic crystal with low fillingfraction and absolute acoustic band gap in the audible frequency range :Atheoretical and experimental study，，。對(duì)于厘米尺寸結(jié)構(gòu)，復(fù)合 或混合水/空氣介質(zhì)具有向下延伸到1kHz的寬的阻帶(stop bmds)。參見(jiàn)，Ph. Lamb in, A. Khelif，J. 0. Vasseur，L. Dobrzynski,以及 B. Djafari-Rouhani 等人在 Phys. Rev. E63， 06605 (2001)上發(fā)表的文章 ‘‘Stopping of acoustic waves by sonicpolymer-f luid composites”。第二種方法采用由用軟的彈性材料涂覆的重的包含物構(gòu)成的結(jié)構(gòu)(所謂 的“局部共振材料)，其具有共振特征。參見(jiàn)Z.Liu，X. Zhang, Y. Mao, Y. Y. Zhu，Z. Yang, C. T. Chan，P. Sheng等人Science 289,1734(2000)上的文章。雖然所報(bào)道的共振的頻率非 常低(低于布拉格頻率兩個(gè)量級(jí))，但相關(guān)的帶隙窄。為了實(shí)現(xiàn)獲得寬的阻帶，需要疊置不 同的共振結(jié)構(gòu)。因而，當(dāng)文中描述的結(jié)構(gòu)顯示出預(yù)測(cè)的帶隙時(shí)(以及在一些實(shí)驗(yàn)闡明的情形中)， 但是它們通常對(duì)超音頻率(20kHz+到GHz)有效。當(dāng)以聲音頻率控制為目標(biāo)，結(jié)構(gòu)已經(jīng)變 大且變重(例如具有若干厘米直徑的金屬管被布置成具有外部尺寸為若干分米或米的陣 列)。因此，聲學(xué)頻率控制的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)和形成在外部尺寸是合理的(厘米或更小)且重量輕的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的具體的方面，可以使用包括線性粘彈性材料、一些商業(yè)中可用的具 體的材料，構(gòu)建在可聽(tīng)范圍具有帶隙的聲子晶體結(jié)構(gòu)，其重量輕且具有幾厘米或更小量級(jí) 的外部尺寸。通過(guò)控制設(shè)計(jì)參數(shù)，帶隙的頻率、帶隙的數(shù)量及其寬度可以調(diào)整。設(shè)計(jì)參數(shù)包 括 點(diǎn)陣的類(lèi)型(例如，二維(2D)方形、矩形等；三維(3D)面心立方(fee)，體心 立方(bcc)等)。 位置間的間距(點(diǎn)陣常數(shù)，a)。 單胞的構(gòu)建和形狀(例如在二維中，單胞被包含物占據(jù)的部分區(qū)域，也稱為填 充因子f)。 包含物和基體材料的物理性質(zhì)(物理性質(zhì)的示例分別包括密度、泊松比、不同 的模、縱向模型和橫波模型的音速)。 包含物的形狀(例如，桿形、球或半球形、空棒形、方柱)。在本發(fā)明的一方面，小尺寸的橡膠/空氣聲學(xué)帶隙(ABG)結(jié)構(gòu)被認(rèn)為可以在非常 寬的下帶隙邊緣低于1kHz的可聽(tīng)頻率范圍上削弱縱向聲波。這些ABG結(jié)構(gòu)不必顯示絕對(duì) 帶隙(absolute band gaps)。然而，由于橡膠中聲音的橫波速度大小比縱波速度低接近兩 個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致縱波模型和橫波模型的有效的去耦或退耦(decoupling)，因而對(duì)于縱波的 透射，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些固體/流體復(fù)合物本質(zhì)上類(lèi)似流體/流體系統(tǒng)。因此，這些橡膠/空氣 ABG結(jié)構(gòu)可以用作有效的音障。更一般地，粘彈性介質(zhì)可以用于構(gòu)建聲子晶體。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，至少可以 部分地通過(guò)預(yù)測(cè)、使用計(jì)算機(jī)模型、粘彈性對(duì)這些復(fù)合物介質(zhì)的透射譜的影響選擇聲子晶 體的聲學(xué)性質(zhì)。例如，時(shí)域有限差分方法(FDTD)可以用于計(jì)算在不均勻的粘彈性介質(zhì)中的 透射譜和聲學(xué)帶結(jié)構(gòu)。而且，對(duì)于粘性介質(zhì)使用諸如廣義的馬克斯韋爾模型結(jié)合可壓縮的 通常的線性粘彈性流體構(gòu)成關(guān)系的模型可以將通常存在于粘彈性材料中的多個(gè)弛豫時(shí)間 用作計(jì)算光譜響應(yīng)的基礎(chǔ)。在本發(fā)明的另一方面，與傳統(tǒng)的密度大的被嵌入在較輕的介質(zhì)基體中的彈性_彈 性聲子晶體不同，空氣圓柱被用作嵌入在線性粘彈性材料基體中的包含物。II.結(jié)構(gòu)示例A.材料選擇根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用于構(gòu)建在可聽(tīng)區(qū)域內(nèi)的聲子晶體的材料被選定成具有 低的聲速傳播特性。這遵循布拉格定律的結(jié)構(gòu)，其認(rèn)為帶隙的中心頻率直接與透射通過(guò)晶 體的平均波速成比例。還要說(shuō)明的是，對(duì)于給定頻率，聲波的波長(zhǎng)將隨著聲音的速度減小而 減小?？梢哉J(rèn)為，較短的波長(zhǎng)允許壓力波與較小的結(jié)構(gòu)更多地相互作用，這允許制造具有可 聽(tīng)頻率范圍和外部尺寸在厘米或更小的數(shù)量級(jí)的聲子晶體。具有低的模量和高的密度的材 料是有用的，因?yàn)樗鼈兙哂械偷穆曀?，但是，通常?dāng)模量減小，密度也減小。一些橡膠、凝膠、 泡沫等類(lèi)似物是具有上述特性的組合的材料選擇。一些商業(yè)上可用的粘彈性材料具有使得它們潛在地成為有吸引力的候選材料的 特性一，它們?cè)诓煌念l率上機(jī)械響應(yīng)不同，這使得它們適于特定應(yīng)用。二，它們具有線性 彈性材料缺少的附加的耗散機(jī)制。三，雖然在這些材料中縱向聲速通常在1000m/S量級(jí)，但是已經(jīng)觀察到它們的橫向聲速可以為或低于縱向聲速的量級(jí)。相對(duì)于頻率模量是恒定的彈 性材料在不同的頻率上具有恒定的縱向和橫向聲速，但是線性粘彈性材料具有隨頻率減小 而減小的(動(dòng)態(tài))模量。這意味著在聲學(xué)上較低的頻率處具有想要的較低的速度。這些在線性粘彈性材料中觀察到的現(xiàn)象與線性彈性材料中完全不同。因此包含粘 彈性材料的聲子晶體在差異性和聲學(xué)的表現(xiàn)方面比它們的純的彈性另一部分好。更具體 地，粘彈性可以將帶隙的中心頻率偏移成較低的值并且加寬帶隙。B.通過(guò)計(jì)算機(jī)模型化設(shè)計(jì)粘彈性聲子晶體在本發(fā)明的另一方面，使用計(jì)算機(jī)模型化設(shè)計(jì)聲子晶體，同時(shí)考慮粘彈性材料中 的多種特征弛豫時(shí)間。在一種結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)DTD方法包括將時(shí)域中的控制微分方程轉(zhuǎn)換成有限 差分并將它們求解為時(shí)間的一個(gè)小的增加的級(jí)數(shù)，采用多元模型用FDTD計(jì)算音障的聲學(xué) 性質(zhì)。為了詳細(xì)地描述使用計(jì)算機(jī)模型化設(shè)計(jì)粘彈性聲子晶體音障的過(guò)程，見(jiàn)附錄。在本發(fā)明的一個(gè)方面，計(jì)算在固體/固體和固體/流體周期性二維二元復(fù)合物系 統(tǒng)中的彈性和粘彈性波的傳播。這些周期性系統(tǒng)被模型化為嵌入在各向同性的材料(基 體)B中的無(wú)限個(gè)由各向同性材料形成的圓柱(例如具有圓形橫截面)的陣列A。假定直徑 為d的圓柱平行于笛卡爾坐標(biāo)(0XYZ)的Z軸。然后，該陣列被看成沿X和Z兩個(gè)方向是無(wú) 限的，而在探查波(Y)的傳播方向上是有限的。圓柱軸線與(X0Y)斷面的交點(diǎn)形成特定幾 何形狀的二維周期性陣列。模擬的(輸入信號(hào))聲波當(dāng)作余弦調(diào)制高斯波形被采用。這產(chǎn) 生具有500kHz的中心頻率的寬帶信號(hào)。作為示例，針對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。第一種結(jié)構(gòu)由密度=1260kg/m3，縱向波速= 1200m/s且橫向波速=20m/s的類(lèi)似橡膠的粘彈性材料(有機(jī)硅聚合物橡膠)構(gòu)成。在粘彈性基體310中的包含物是空氣圓柱320 (圖3)。為了應(yīng)用Mur邊界吸收條 件(Mur boundary absorption conditions)，通過(guò)在入口和出口區(qū)域設(shè)定 “ a ^ = 1 ” 入口 和出口區(qū)被加到樣品的沿Y方向的兩端。然后這些區(qū)域性質(zhì)類(lèi)似彈性介質(zhì)并且Mur邊界吸 收條件不改變。要說(shuō)明的是，然而，從彈性區(qū)域到粘彈性區(qū)域的過(guò)渡將導(dǎo)致聲波的一定的反 射。在這種模型中，點(diǎn)陣參數(shù)“a”等于12mm，圓柱的直徑為8mm。圖4中示出第二種結(jié)構(gòu)。其包括空氣基體410，在空氣基體中嵌入位于具有六邊形 邊尺寸為11. 5mm的蜂巢點(diǎn)陣上的接觸的聚合物圓柱420 (圓柱半徑5. 75mm，六邊形點(diǎn)陣參 數(shù)19. 9mm)的陣列。結(jié)構(gòu)在正交于波傳播方向的總的厚度為103. 5mm。圓柱由與前面一樣 的相同的聚合物形成，外側(cè)的介質(zhì)是空氣。C.物理音障的示例在本發(fā)明的一個(gè)方面，在由嵌入在聚合物基體中的36(6X6)個(gè)平行的空氣圓柱 方陣構(gòu)成的二元復(fù)合物材料中實(shí)施實(shí)驗(yàn)測(cè)量。聚合物是硅橡膠(Dow Corning HS II RTV High Strength Mold Making Silicone Rubber,可以從 Ellsworth Adhesives, Germantown, Wisconsin 獲得；也可 以 在 http://www.ellsworth.com/display/ productdetail. html ？ productid = 425&Tab = Vendors 上找到)。點(diǎn)陣為 12mm，圓柱的 直徑為8mm。樣品的物理尺寸為8X8X8cm。測(cè)得的聚合物的物理性質(zhì)為密度=1260kg/ m3，縱向聲速=1200m/s。從公開(kāi)的不同橡膠的物理常數(shù)數(shù)據(jù)知道，這種材料中的橫向聲速 被估計(jì)接近 20m/sec。例如參見(jiàn) Polymer Handbook, 3rd Edition, Edited byj. Brandup&E. H. Immergut, Wiley, NY 1989。
用于實(shí)驗(yàn)中的超聲發(fā)射源是具有脈沖裝置/接收裝置模型500PR的Panametrics delta寬帶500kHz P_變換器。用裝備有GPIB數(shù)據(jù)采集卡的Tektronix TDS 540示波鏡 (oscilloscope)執(zhí)行信號(hào)的測(cè)量。測(cè)量的發(fā)射信號(hào)通過(guò)LabView經(jīng)由GPIB卡采集，然后通 過(guò)計(jì)算機(jī)處理(求平均以及傅里葉變換)。圓柱變換器(直徑3. 175cm)居中位于復(fù)合物樣品的表面上。發(fā)射源產(chǎn)生壓縮波 (P-波)，接收變換器僅探測(cè)發(fā)射波的縱向分量。聲音的縱向速度由發(fā)射的脈沖和接收的信 號(hào)之間的時(shí)間延遲的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量。D.計(jì)算的和實(shí)際的性質(zhì)的結(jié)果示例1.橡膠基體/空氣包含物a.在橡膠/空氣結(jié)構(gòu)中傳播i.彈性 FDTD圖5(a)和(b)示出計(jì)算的通過(guò)嵌入在聚合物基體中的空氣圓柱的二維陣列的 FDTD透射系數(shù)。這里我們選擇= 1.0，其是彈性材料的極限。這種透射譜通過(guò)求解常 規(guī)的線性粘彈性等式(25)、(26)以及(27)超過(guò)221次步(time steps)而得到，每一步持續(xù) 7.3ns。沿X和Y方向用5X10_5m網(wǎng)眼間隔離散空間。透射系數(shù)以在復(fù)合物中透射的譜強(qiáng) 度與在基體材料構(gòu)成的彈性均勻介質(zhì)中透射的譜強(qiáng)度的比進(jìn)行計(jì)算。注意到，圖5(a)中的譜由兩個(gè)帶隙。最重要的一個(gè)帶隙是從大約1.5kHz到87kHz ； 第二個(gè)帶隙是從90kHz到125kHz。還要注意的是，圖5(a)的譜中，透射帶在明確界定的頻 率上顯示出尖銳的窄的下降。透射中的這些下降由復(fù)合帶和對(duì)應(yīng)于空氣圓柱的振動(dòng)模型的 平帶的雜化(hybridization)引起。發(fā)生這些平帶處的頻率可以從第一種類(lèi)型貝塞爾函數(shù)
(Bessel function)的第一次導(dǎo)數(shù)等于零得出，= 0，其中c是聲音在空氣中的速
度，r是空氣圓柱的半徑，m是貝塞爾函數(shù)的階。ii.測(cè)量值圖6示出在由嵌入在硅橡膠基體中的36(6X6)個(gè)平行的空氣圓柱方陣構(gòu)成的二 元復(fù)合材料的樣品(見(jiàn)上面)上測(cè)量的復(fù)合的譜強(qiáng)度。圖6中的透射譜顯示，從1kHz以上到200kHz明確界定透射強(qiáng)度的的下降。譜的 該區(qū)域可以分解成僅測(cè)量到噪音強(qiáng)度水平的頻率區(qū)間(l-80kHz)，接著在80kHz到200kHz 之間具有一定發(fā)射強(qiáng)度。與(圖5)由FDTD模擬獲得的結(jié)果對(duì)比，實(shí)驗(yàn)得出的帶隙比計(jì)算 的帶隙窄。這說(shuō)明，無(wú)彈性效應(yīng)可能起一定作用。這在下面進(jìn)一步解決。盡管存在一些類(lèi)似噪音的透射，圖6顯示在從l_2kHz以上到大于75kHz的可聽(tīng)范 圍內(nèi)的極低的透射。因此，這種材料和其他類(lèi)似橡膠的材料可以是非常好的隔音候選材料。B.帶結(jié)構(gòu)為了在FDTD和實(shí)驗(yàn)譜上遮蔽更多的光，計(jì)算硅橡膠_空氣包含物結(jié)構(gòu)的帶結(jié)構(gòu)。 圖7示出沿方形點(diǎn)陣的第一布里淵(Brillouin)區(qū)的不可約分的部分的rx方向的聲波 的色散關(guān)系(dispersion relation)的FDTD計(jì)算結(jié)果。FDTD方法假定在單胞中有NXN =2402個(gè)點(diǎn)的格子(具有居中的圓形橫截面的空氣包含物的方形聚合物；填充因子f = 0.349)。在圖7中，盡管在構(gòu)成材料(聚合物-空氣)之間存在大的聲學(xué)失配，但是在頻率 范圍圖上沒(méi)有完全的間隙。在這種點(diǎn)陣中色散關(guān)系的明顯特征是多個(gè)類(lèi)似光學(xué)的平分支 (flat branch)的形式。這些分支(branch)的存在是由具有大的聲學(xué)失配材料構(gòu)成的復(fù)合物結(jié)構(gòu)的另一特征。在計(jì)算的帶結(jié)構(gòu)和透射系數(shù)之間的差異表明，在帶結(jié)構(gòu)中的大多數(shù)分 支(branch)對(duì)應(yīng)禁帶(deaf band)(即，具有不能通過(guò)用于透射計(jì)算的縱脈沖激發(fā)的對(duì)稱 的模型)。這些分支(branch)與在圖5的透射譜中發(fā)現(xiàn)的那些匹配。禁帶(deaf band)的存在由第二帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算證明，對(duì)于第二帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算假定 聚合物的橫波速度等于零。也就是說(shuō)，橡膠/空氣系統(tǒng)近似為類(lèi)似流體/流體復(fù)合物。由 FDTD方法(其中在單胞內(nèi)有NXN = 2402個(gè)點(diǎn)的格子)計(jì)算的色散關(guān)系在圖8 (a)和(b) 中示出。帶的數(shù)目顯著地減少。這種帶結(jié)構(gòu)僅表示結(jié)構(gòu)的縱向模型。因此，可以明確地指 定圖7中的未在圖8中出現(xiàn)的分支(branch)為由橡膠的橫向模型的布里淵區(qū)內(nèi)的折疊導(dǎo) 致的帶。在橡膠中極低的橫向聲速(20m/s)導(dǎo)致極高的橫向分支密度。圖8 (a)示出兩個(gè)寬的帶隙，第一個(gè)帶隙從1kHz到89kHz，第二個(gè)帶隙從90kHz到 132kHz。圖8(b)更接近地示出圖8(a)中的色散關(guān)系的第一區(qū)域?？梢钥吹剑谝煌◣У?上邊緣是大約900Hz。為了清楚起見(jiàn)，空氣圓柱的平帶已經(jīng)從圖8(a)和(b)中去除。由對(duì)第一的五個(gè)平 帶的FDTD帶計(jì)算獲得的頻率在表1中列出。這些頻率與第一種類(lèi)型貝塞爾函數(shù)(Bessel
function)的第一次導(dǎo)數(shù)等于零匹配，= 0其中c是聲音在空氣中的速度，r是空
J
氣圓柱的半徑，m是貝塞爾函數(shù)的階。因此，很清楚在圖5(a)和(b)中的透射譜的通帶對(duì)應(yīng)硅橡膠/空氣系統(tǒng)的縱向波 模型的激勵(lì)。表I 硅橡膠中具有半徑r = 4mm和周期a = 12mm的空氣圓柱的理想方格點(diǎn)陣的 本征頻率(m是產(chǎn)生帶的貝塞爾函數(shù)的階)
權(quán)利要求
一種音障，包括具有第一密度的第一介質(zhì)；和設(shè)置在所述第一介質(zhì)內(nèi)的基本上周期陣列的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)由具有與所述第一密度不同的第二密度的第二介質(zhì)形成，所述第一和第二介質(zhì)中的至少一個(gè)是具有縱向聲波傳播速度和橫向聲波傳播速度的固體介質(zhì)，所述縱向聲波傳播速度是所述橫向聲波傳播速度的至少大約30倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音障，其中所述第一和第二介質(zhì)中的每一個(gè)在大約4kHz或更 低到大約20kHz或更高沒(méi)有聲學(xué)共振頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音障，其中所述結(jié)構(gòu)的陣列在至少一個(gè)維度具有不大于大約 30mm的周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的音障，其中所述結(jié)構(gòu)的陣列中的每一個(gè)包括在至少一個(gè)維度 不大于大約IOmm的元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的音障，其中所述結(jié)構(gòu)的陣列的每一個(gè)包括圓柱元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音障，其中所述第一和第二介質(zhì)中的至少一個(gè)包括粘彈性材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的音障，其中所述粘彈性材料是粘彈性硅橡膠。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的音障，其中所述第一介質(zhì)包括粘彈性材料，并且所述第二介 質(zhì)包括流體。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的音障，其中所述第二介質(zhì)包括氣相材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的音障，其中所述粘彈性材料具有足以產(chǎn)生從大約4kHz或更 低到大約20kHz或更高的聲學(xué)帶隙的粘彈性系數(shù)和粘性的結(jié)合，當(dāng)所述音障具有不大于大 約20cm的厚度時(shí)，在所述帶隙內(nèi)的頻率的縱向聲波的透射系數(shù)不大于大約0. 05。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的音障，其中所述粘彈性系數(shù)和粘性的結(jié)合，和所述基本上 周期陣列的配置足以產(chǎn)生從大約4kHz或更低到大約20kHz或更高的聲學(xué)帶隙，對(duì)于在所述 帶隙內(nèi)的頻率縱向聲波的透射振幅比對(duì)于所述頻率通過(guò)參考音障的縱向聲波的透射振幅 小至少大約10倍，所述參考音障具有均勻的結(jié)構(gòu)并且具有與包括所述粘彈性材料的所述 介質(zhì)的尺寸相同的尺寸并且由具有與包括所述粘彈性材料的所述介質(zhì)的彈性性質(zhì)相同的 彈性性質(zhì)的彈性或粘彈性材料形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音障，其中縱向聲波的傳播速度是橫向聲波的傳播速度的 至少大約50倍。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音障，其中所述基本上周期陣列包括二維陣列。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音障，其中所述基本上周期陣列包括三維陣列。
15.一種音障，包括包括粘彈性材料的第一介質(zhì)；和具有小于所述第一介質(zhì)的密度的密度的第二介質(zhì)，所述第二介質(zhì)以基本上周期陣列的 結(jié)構(gòu)配置并且嵌入在所述第一介質(zhì)中。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的音障，其中所述第一介質(zhì)具有縱向聲波的傳播速度和橫向 聲波的傳播速度，所述縱向聲波的傳播速度是所述橫向聲波的傳播速度的至少大約30倍。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的音障，其中所述第二介質(zhì)包括流體。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的音障，其中所述第二介質(zhì)包括氣相材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的音障，其中所述基本上周期陣列在至少一個(gè)維度具有不大 于大約30mm的周期。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的音障，其中所述結(jié)構(gòu)的陣列的每一個(gè)包括在至少一個(gè)維度 不大于大約IOmm的元件。
21.一種制作音障的方法，所述方法包括選擇第一候選介質(zhì)，其包括具有縱向聲波的傳播速度、橫向聲波的傳播速度、多個(gè)弛豫 時(shí)間常數(shù)的粘彈性材料； 選擇第二候選介質(zhì)；至少部分地基于所述多個(gè)弛豫時(shí)間常數(shù)，確定包括嵌入在所述第一和第二候選介質(zhì)中 的另一個(gè)中的所述第一和第二候選介質(zhì)中的一個(gè)的基本上周期陣列的音障的聲學(xué)透射性 質(zhì)；和至少部分地基于確定所述聲學(xué)透射性質(zhì)的結(jié)果確定所述第一和第二介質(zhì)是否用于構(gòu)建音障。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述確定所述聲學(xué)透射性質(zhì)的步驟包括采用廣 義的馬克斯韋爾模型計(jì)算所述聲學(xué)透射性質(zhì)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括在確定所述聲學(xué)透射性質(zhì)的所述步驟產(chǎn)生顯 示所述聲學(xué)透射性質(zhì)符合預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果之后，采用所述第一候選介質(zhì)和第二候選介質(zhì)構(gòu)建音障。
24.—種隔音的方法，包括采用厚度不超過(guò)大約300mm的音障阻止在從大約4kHz或 更低到大約20kHz或更高范圍的頻率的聲功率的至少99. 0%，所述音障包括具有第一密度 的第一介質(zhì)；和設(shè)置在所述第一介質(zhì)內(nèi)的基本上周期陣列的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)由具有與所述第一密度不 同的第二密度的第二介質(zhì)形成，所述第一和第二介質(zhì)中的至少一個(gè)是具有縱向聲波傳播速度和橫向聲波傳播速度的 固體介質(zhì)，所述縱向聲波傳播速度是所述橫向聲波傳播速度的至少大約30倍。
全文摘要
文檔編號(hào)G10K11/16GK101952882SQ20088012692
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者Berker Ali, Merheb Bassam, Pierre A Deymier, Jain Manish, Mark D Purgett, Mohanty Sanat 申請(qǐng)人:3M Innovative Properties Co, Univ Arizona