本發(fā)明涉及可以表現(xiàn)出被動(dòng)材料和超構(gòu)性質(zhì)(即，混合性質(zhì))兩者的超構(gòu)單元(meta?cell)以及包括至少一個(gè)混合超構(gòu)單元的多功能聲學(xué)超構(gòu)材料面板的開(kāi)發(fā)，以便在期望的窄頻帶或?qū)掝l帶中減少聲波的傳輸和/或衰減聲波。

背景技術(shù)：

1、聲音或噪聲隔音/降低/控制基本上通過(guò)兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)：主動(dòng)和被動(dòng)。此外，這種降低或控制通常以?xún)煞N不同的方式執(zhí)行：聲音吸收(sound?absorption)和聲音傳輸損失(sound?transmission?loss)。在聲音吸收方面，主動(dòng)隔音和被動(dòng)隔音可以被描述為：

2、主動(dòng)隔音：通常，是利用與期望減少的源聲波相互干擾的控制聲波來(lái)執(zhí)行的，而無(wú)需應(yīng)用隔音材料?？刂坡暡ū徽{(diào)整為與期望被抑制的聲波相位相反且頻率相同。該方法非常昂貴。此外，由于其需要受控的體積，因此在實(shí)踐中其應(yīng)用范圍有限。在該方法中，控制聲波可以使用聲源在外部產(chǎn)生，或者可以在沒(méi)有聲源的情況下借助于被稱(chēng)為諧振器的各種元件產(chǎn)生。然而，這種類(lèi)型的控制通常可以在窄頻帶(也稱(chēng)為音調(diào))中操作，并且仍然需要受控的體積。需要更多的諧振器來(lái)加寬頻帶。這意味著可以放置諧振器的區(qū)域增加。為了吸收較低頻率，需要較大體積或長(zhǎng)度的諧振器。

3、被動(dòng)隔音：是通過(guò)將隔音元件(諸如海綿、氈、玻璃棉、巖棉、紡織廢料等)放置在噪聲源與接收器之間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。被動(dòng)隔音材料由于其內(nèi)部空間、不連續(xù)性、物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)而通過(guò)粘性和熱效應(yīng)提供聲音吸收。除此之外，它們可以增加聲音通過(guò)材料的傳播路徑(也稱(chēng)為曲折度)，從而減少遵循較長(zhǎng)路徑的聲波的能量。這些可以通過(guò)將聲能轉(zhuǎn)換成熱能而吸收的材料不足以吸收其中聲波具有大波長(zhǎng)的低頻噪聲。因?yàn)闉榱耸惯@些類(lèi)型的材料有效地起作用，材料特征厚度必須是要控制的聲音/噪聲的波長(zhǎng)的至少四分之一。例如，為了吸收100hz的聲波(聲速：343m/s)，需要使用特征厚度為343/100/4≈86cm的隔音材料。由于這在實(shí)踐中在物理上和經(jīng)濟(jì)上都是不可能的，因此這使得常規(guī)材料在低頻下不能高效使用。此外，這些材料在諸如需要空氣循環(huán)、食品和衛(wèi)生設(shè)備、易燃和熱環(huán)境的區(qū)域的系統(tǒng)中的使用是相當(dāng)有限的。

4、在聲音傳輸降低/損失方面，主動(dòng)隔音本質(zhì)上在聲音吸收或聲音傳輸之間不存在差異。然而，聲音傳輸損失可以通過(guò)增加具有各種基于聲學(xué)體積的幾何不連續(xù)性(即，膨脹室)的反射來(lái)實(shí)現(xiàn)。同樣，在低頻下，對(duì)較大體積的需求持續(xù)存在。

5、當(dāng)在被動(dòng)控制的上下文中評(píng)估聲音傳輸損失時(shí)，其取決于材料質(zhì)量和頻率(稱(chēng)為質(zhì)量-頻率法則)而發(fā)生。因此，隨著材料的質(zhì)量增加，聲音傳輸損失增加。同樣，隨著頻率增加，聲音傳輸損失增加。因此，為了實(shí)現(xiàn)較低頻率下的較高聲音傳輸損失，必須使用較大重量的隔音材料。為此，通常優(yōu)選諸如石棉或玻璃棉增強(qiáng)混凝土和磚等材料。

6、尤其是在過(guò)去的15年中，已經(jīng)密集開(kāi)發(fā)了人造隔音材料(被稱(chēng)為聲學(xué)超構(gòu)材料(acoustic?metamaterial))，代替用于低中頻區(qū)域的傳統(tǒng)材料。聲學(xué)超構(gòu)材料主要在物理和工程技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的用途，涉及汽車(chē)、航空航天、工業(yè)機(jī)械、白色家電、家用電器、空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)、防御行業(yè)、建筑和建筑部門(mén)等眾多領(lǐng)域。利用聲學(xué)超構(gòu)材料，通過(guò)不遵守質(zhì)量-頻率法則，可以在某些單一低頻下通過(guò)負(fù)有效質(zhì)量、負(fù)有效體積模量或兩者實(shí)現(xiàn)高聲音吸收和/或聲音傳輸損失。單元通常通過(guò)周期性地并排排列或連續(xù)排列來(lái)形成。在這些材料中，雖然材料厚度是重要的參數(shù)，但是主要技術(shù)是設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)囟ㄎ煌ǔ＞哂行〕叽?具有小于聲音波長(zhǎng)的特性長(zhǎng)度，即，亞波長(zhǎng))的諧振單元。然而，也在現(xiàn)有技術(shù)中的聲學(xué)超構(gòu)材料在窄頻帶中吸收，并且在特定區(qū)域(在頻帶中)中提供傳輸損失，這取決于單元的諧振頻率。因此，有必要開(kāi)發(fā)聲學(xué)超構(gòu)材料，以便提供期望的廣譜吸收和聲音損失。通常使用多個(gè)調(diào)諧和周期性排列的單元的組合來(lái)加寬頻帶。

7、在現(xiàn)有技術(shù)中，文獻(xiàn)號(hào)為cn112728275的專(zhuān)利中提到一種特別適用于非單一低頻噪聲吸收、具有超開(kāi)放通風(fēng)和可調(diào)節(jié)的聲音吸收性能的聲音吸收單元。在此單元設(shè)計(jì)中，頻率是可調(diào)節(jié)的，其允許空氣通過(guò)，并且旨在通過(guò)將聲波捕獲在迷宮式死胡同中來(lái)進(jìn)行聲音吸收。所討論的文獻(xiàn)中提到的單元旨在增加低頻的聲音路徑，使得其可以吸收腔諧振。在該上下文中指定的單元可以?xún)H在單一但可調(diào)整的頻率上具有局部負(fù)體積模量。此外，內(nèi)部的移動(dòng)部件可以提供頻率調(diào)諧(調(diào)諧)過(guò)程。通過(guò)這種方式，其通過(guò)設(shè)計(jì)具有更大的厚度。然而，它不具有可以進(jìn)行聲音傳輸減少的單元功能，即具有負(fù)質(zhì)量效應(yīng)。

8、在另一項(xiàng)已知現(xiàn)有技術(shù)中，文獻(xiàn)號(hào)為cn111883093(a)的專(zhuān)利中提到了3層單元，包括1-微穿孔板、2-雙螺旋盤(pán)繞結(jié)構(gòu)、3-背板。在這種單元類(lèi)型中，第一板包括兩個(gè)微尺寸孔。在這些孔的正后方，有兩個(gè)螺旋形式的通道以增加曲折度。利用這兩個(gè)通道，旨在同時(shí)在兩個(gè)不同頻率下提供吸收。利用后面上的板，旨在根據(jù)質(zhì)量法則切斷傳輸。前面和后面的這兩個(gè)板沒(méi)有示出超構(gòu)特征。通過(guò)微穿孔的前面板和被動(dòng)包括的雙通道來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音衰減。同樣，其僅在音調(diào)頻率下用作聲音吸收器。盡管路徑被設(shè)計(jì)為螺旋形以便增加曲折度，但是在所提及的文獻(xiàn)中描述的組合和超構(gòu)材料技術(shù)是已知技術(shù)。

9、在另一項(xiàng)已知現(xiàn)有技術(shù)中，編號(hào)為wo2017093690?a1提到了聲學(xué)超構(gòu)材料的單位單元。該單元在法布里珀羅(fabry?perot)頻率下提供高聲音傳輸，其中多次添加典型的赫姆霍茲(helmholtz)諧振單元。換言之，它并非為減少由噪聲源產(chǎn)生的聲波傳輸并吸收聲波而開(kāi)發(fā)的單元。

10、在另一項(xiàng)已知現(xiàn)有技術(shù)中，編號(hào)為us2021237394(a1)的專(zhuān)利文獻(xiàn)保留了另一種聲學(xué)超構(gòu)材料。這種超構(gòu)材料：具有包括膜的經(jīng)典幾何形式的單元由后部剛性腔或質(zhì)量塊組成。這是經(jīng)典的偶極型超構(gòu)材料。經(jīng)典超構(gòu)材料停止聲音傳輸，直到其膜的固有頻率。所討論的超構(gòu)材料根據(jù)膜的材料性質(zhì)提供少量的聲音吸收。因此，根據(jù)目的，在現(xiàn)有技術(shù)中考慮的所述單元中的一些單元執(zhí)行聲音抑制，并且一些單元執(zhí)行聲音吸收。

11、有必要開(kāi)發(fā)將現(xiàn)有技術(shù)中列出的缺點(diǎn)變成優(yōu)點(diǎn)的聲學(xué)超構(gòu)單元。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明包括至少一個(gè)部件，其既是被動(dòng)材料又是超構(gòu)特征(混合)，以獨(dú)特的幾何形式開(kāi)發(fā)以通過(guò)調(diào)諧到期望的窄或?qū)掝l帶來(lái)停止和/或吸收聲波的傳輸，本發(fā)明的目的在于，實(shí)現(xiàn)一種多功能聲學(xué)超構(gòu)材料面板，其包括至少一個(gè)聲學(xué)混合超構(gòu)單元和所述至少一個(gè)混合超構(gòu)單元。

2、本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，開(kāi)發(fā)可以根據(jù)所應(yīng)用的領(lǐng)域或地點(diǎn)成形或形成的聲學(xué)隔音面板，包括上述混合聲學(xué)超構(gòu)單元的面板可以在期望的窄帶和/或某個(gè)寬頻帶中操作，可以提供高聲音吸收和高聲音傳輸損失，并且它們可以是非常薄的、柔性的或剛性的(非柔性的、實(shí)心的)。

3、所開(kāi)發(fā)的單元和包括這些單元的面板可以表現(xiàn)出被動(dòng)隔音材料性質(zhì)以及聲學(xué)超構(gòu)材料性質(zhì)。為此，它被稱(chēng)為混合聲學(xué)超構(gòu)單元和聲學(xué)混合超構(gòu)隔音面板/板。

4、此外，單元還具有可以在中高頻下用作諧振器的形式。因此，獲得了可以包括超構(gòu)、被動(dòng)材料兩者和諧振器的組合單元。在現(xiàn)有技術(shù)中，這些特征不以這種方式一起存在。這些面板可以在廣泛領(lǐng)域中用作聲音(聲學(xué)、噪聲)隔音材料。

5、另外，由于隔音板可以是穿孔形式，因此本發(fā)明創(chuàng)建了允許空氣循環(huán)但不允許聲音/噪聲傳輸?shù)膭?chuàng)新隔音系統(tǒng)。

6、本發(fā)明的單元利用具有亞波長(zhǎng)的膜或板示出了負(fù)質(zhì)量性質(zhì)，以及利用腔和通道示出了負(fù)體積模量(像具有亞波長(zhǎng)的特殊諧振器一樣工作)。這些負(fù)性質(zhì)意味著產(chǎn)生異質(zhì)行為(exotic?behaviours)的超構(gòu)材料效應(yīng)，從而導(dǎo)致較高的聲音傳輸損失和聲音吸收。此外，通道的幾何形狀、厚度和長(zhǎng)度提供了高粘熱和曲折度效應(yīng)。這些效應(yīng)意指被動(dòng)材料行為。這種混合組合與現(xiàn)有技術(shù)中提到的系統(tǒng)完全不同。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于這些特征，它可以采取非常薄的形式。利用包括膜/板兩者的幾何形狀參數(shù)以及腔、通道和縫隙的形式的計(jì)算來(lái)執(zhí)行頻率調(diào)諧。

7、本發(fā)明是任何幾何形式(優(yōu)選是圓形、三角形、正方形、矩形、多邊形或任意)的混合聲學(xué)單體單元，其可用于許多領(lǐng)域，例如汽車(chē)、航空、工業(yè)機(jī)械、白色家電、家用電器行業(yè)、空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)、防御行業(yè)、建造和建筑領(lǐng)域。這些單元可以通過(guò)聲學(xué)體積通道將單體單元彼此連接來(lái)創(chuàng)建多單元。這些單元被設(shè)計(jì)為對(duì)噪聲源產(chǎn)生的聲波在非常寬的頻率范圍內(nèi)停止傳輸或提供聲音吸收，其中至少一個(gè)第一層(或前層或入口層)具有任何幾何形式和物理特征，至少一個(gè)第二層(或中間層)具有任何幾何形式和物理特征，至少一個(gè)第三層(或輸出層或后層)具有任何幾何形式和物理性質(zhì)。這些單元具有任何幾何形式和物理性質(zhì)的至少一個(gè)內(nèi)框，以及至少一個(gè)內(nèi)部聲學(xué)體積，該內(nèi)部聲學(xué)體積填充所述內(nèi)框到與內(nèi)體積一樣多并且符合內(nèi)框的幾何形式或任何幾何形式和物理性質(zhì)。它還包括與聲學(xué)體積一起的至少一個(gè)外部聲學(xué)體積通道，該至少一個(gè)外部聲學(xué)體積通道具有任何幾何形狀和物理特征，相對(duì)于所述內(nèi)框定位在預(yù)定距離處，并且位于內(nèi)框的外部區(qū)域中。另外，單元中的任何幾何形式和物理性質(zhì)的至少一個(gè)外框完全或部分地覆蓋所述外部聲學(xué)體積通道的表面和所述內(nèi)部聲學(xué)體積的所述第二層。由于通過(guò)將所述第一層和所述第三層與所述第二層組合(其完全或部分地覆蓋另一表面)而形成的幾何形式和物理特征，所以在單元中以預(yù)定厚度針對(duì)第一層和第三層中的每一者形成兩個(gè)單獨(dú)的部分：第一部分和第二部分。每個(gè)部分根據(jù)其固有頻率表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)。