：本發(fā)明屬于薄膜聲學(xué)超材料(mam)的吸聲降噪領(lǐng)域，是一種利用雙層薄膜結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低頻吸聲的方法。

背景技術(shù)

0、
背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)聲學(xué)材料的性能在處理低頻聲波時通常會遇到局限性，這一直是科學(xué)界面臨的一個挑戰(zhàn)，這些材料在設(shè)計和功能上受到自然定律的限制。在過去數(shù)十年中，眾多研究人員一直在探索新型材料，以克服質(zhì)量定律。聲學(xué)超材料這類在21世紀初期引起廣泛關(guān)注的復(fù)合材料，目前，聲學(xué)超材料在吸聲方面的研究進展顯著，不僅拓寬了吸聲頻帶、提高了低頻吸聲效率，還實現(xiàn)了吸聲性能的可調(diào)控和迷你化設(shè)計，為解決傳統(tǒng)吸聲材料面臨的挑戰(zhàn)提供了新的思路和方法。在聲學(xué)超材料的吸聲研究中，幾種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)已被廣泛研究并應(yīng)用，這些包括局部共振結(jié)構(gòu)，如帶有質(zhì)量塊的薄膜或板，能在特定頻率產(chǎn)生共振以增強吸聲效果；亥姆霍茲共振器，通過設(shè)計特定的空腔和開口，針對性地吸收特定頻段的聲波；聲子晶體結(jié)構(gòu)，通過周期性排列創(chuàng)造帶隙，阻止聲波在某些頻率內(nèi)傳播；以及多孔材料和微結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過內(nèi)部摩擦和黏滯損耗以及聲波路徑的延長來增加吸聲效率。這些結(jié)構(gòu)各有其獨特的工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域，提供了豐富的選擇以適應(yīng)不同的吸聲需求。而薄膜型聲學(xué)超材料在吸聲方面的優(yōu)勢在于其輕質(zhì)、柔性、可定制性高，能有效吸收低頻聲波，且占用空間小，適合應(yīng)用在空間受限的環(huán)境中。

2、然而，現(xiàn)有的薄膜聲學(xué)超材料仍存在一些弊端，盡管薄膜聲學(xué)超材料在特定頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的吸聲性能，但其吸聲效果往往受限于設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可能難以覆蓋更廣泛的頻率范圍。其次，薄膜聲學(xué)超材料的制造通常涉及精密的微納米加工技術(shù)，這使得生產(chǎn)工藝復(fù)雜且成本較高。特別是對于大規(guī)模應(yīng)用，生產(chǎn)的高成本和復(fù)雜性可能成為阻礙其廣泛應(yīng)用的主要因素。因此，有必要優(yōu)化膜型聲學(xué)超材料在低頻段實現(xiàn)高效吸聲。

技術(shù)實現(xiàn)思路

0、
技術(shù)實現(xiàn)要素：

1、本發(fā)明提出一種雙層mam單元結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)低頻吸聲的方法。首先，根據(jù)局域共振理論和力學(xué)特性，結(jié)合以往的mam單胞，進行創(chuàng)新設(shè)計，引入由雙層薄膜，質(zhì)量環(huán)和空腔組合而成的mam結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)在低頻范圍內(nèi)吸聲系數(shù)的提高；其次，通過對其共振模態(tài)、等效參數(shù)及聲阻抗的分析，闡述其吸聲機理；之后，借助于有限元分析法，計算其在100～600hz頻帶內(nèi)的吸聲系數(shù)，討論并比較質(zhì)量環(huán)、薄膜和空腔的幾何參數(shù)對吸聲系數(shù)的影響；最后，對幾何參數(shù)進行分析后，通過并聯(lián)多個mam單元以及改變質(zhì)量環(huán)位置分別對其吸聲性能進行優(yōu)化，實現(xiàn)了在低頻范圍內(nèi)吸聲帶寬的拓寬。具體而言，該方法包括下列步驟：

2、(1)雙層mam單元設(shè)計。雙層mam單元由兩張圓形薄膜、上下腔框架和兩個環(huán)形質(zhì)量環(huán)組成。薄膜采用pet膜，剛性框架材料為乙烯-醋酸乙烯共聚物(eva)，用于固定薄膜，質(zhì)量環(huán)為密度較大的金屬，用于提供集中質(zhì)量，整個mam振動系統(tǒng)可等效為“彈簧-質(zhì)量”系統(tǒng)。下層薄膜設(shè)計帶有圓孔，在入射波的激勵下，開孔處的空氣會發(fā)生強烈振動與質(zhì)量環(huán)內(nèi)壁發(fā)生摩擦，將入射波被局域化的能量耗散掉，提高結(jié)構(gòu)的吸聲性能。

3、(2)吸聲系數(shù)分析。吸聲系數(shù)α表示結(jié)構(gòu)的吸聲性能，通常用1減去反射系數(shù)(r)的平方表示，反射系數(shù)r用反射聲壓(pra)和入射聲壓(pia)之比表示，吸聲系數(shù)的計算公式如下：

4、

5、通過comsol?multiphysics有限元軟件進行建模仿真得到吸聲系數(shù)曲線和振型。

6、(3)共振模態(tài)、等效參數(shù)及聲阻抗分析。當聲波的頻率接近結(jié)構(gòu)的共振頻率時，材料或結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生共振，這會導(dǎo)致較大的振動。在共振頻率處，結(jié)構(gòu)的振動能量增加，這使得結(jié)構(gòu)能夠更有效地將聲能轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量，從而提高吸聲系數(shù)。因此，共振模態(tài)對于吸聲材料在特定頻率范圍內(nèi)的性能優(yōu)化非常重要。將共振模態(tài)與等效參數(shù)結(jié)合分析，能夠進一步說明吸聲機理。吸聲結(jié)構(gòu)的聲阻抗特性會直接影響其吸聲系數(shù)。當結(jié)構(gòu)的聲阻抗與空氣的聲阻抗匹配時，吸聲效果最佳。反之，如果阻抗不匹配，會導(dǎo)致聲波反射，吸聲系數(shù)降低。

7、(4)關(guān)鍵參數(shù)對吸聲性能影響分析。聲學(xué)超材料是一類通過精確設(shè)計結(jié)構(gòu)單元來控制聲波傳播和吸收的新型材料。吸聲性能可以通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)來優(yōu)化?；谒⒌膍am單元的仿真模型，通過吸聲帶寬、吸聲峰值研究薄膜半徑、薄膜厚度、薄膜阻尼、質(zhì)量環(huán)厚度、質(zhì)量環(huán)半徑、空腔高度和框架厚度對其隔聲性能的影響。

8、(5)多個mam單元并聯(lián)分析。為了克服單個單元吸聲帶寬窄的限制，實現(xiàn)低頻范圍內(nèi)的寬頻帶隔聲，設(shè)計由多個不同吸聲性能的mam單元并聯(lián)組合的結(jié)構(gòu)，并布置在同一平面，將不同mam單元之間的吸聲峰值進行組合，以實現(xiàn)在頻率上的均勻分布，從而在有限尺寸內(nèi)實現(xiàn)寬頻帶的吸聲。

技術(shù)特征：

1.一種利用雙層薄膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低頻吸聲的方法，其特征在于，包括下列步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用雙層薄膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低頻吸聲的方法，其特征在于：在step1中，分別從薄膜半徑和厚度，空腔厚度和高度以及質(zhì)量環(huán)內(nèi)外徑和厚度等因素考慮，設(shè)計單元結(jié)構(gòu)。根據(jù)局域共振材料理論，當聲波傳播到單胞時，振動使彈性薄膜發(fā)生形變，在恢復(fù)形變的過程中產(chǎn)生一個固有頻率，當聲波頻率與共振單元的固有頻率接近時，出現(xiàn)帶隙，消耗聲能。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用雙層薄膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低頻吸聲的方法，其特征在于：在step2中，吸聲系數(shù)α表示結(jié)構(gòu)的吸聲性能，通常用1減去反射系數(shù)的平方表示。通過comsol?multiphysics有限元軟件進行建模仿真得到吸聲系數(shù)曲線和振型。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用雙層薄膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低頻吸聲的方法，其特征在于：在step3中，當聲波的頻率接近結(jié)構(gòu)的共振頻率時，材料或結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生共振，結(jié)構(gòu)的振動能量增加，這使得結(jié)構(gòu)能夠更有效地將聲能轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量，從而提高吸聲系數(shù)。通過將共振模態(tài)與等效參數(shù)和聲阻抗結(jié)合分析，進一步分析結(jié)構(gòu)的吸聲機理。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用雙層薄膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低頻吸聲的方法，其特征在于：在step4中，基于所建立的mam單元的仿真模型，通過吸聲帶寬、吸聲峰值研究薄膜半徑、厚度和阻尼，質(zhì)量環(huán)厚度和半徑，空腔高度和框架厚度對其吸聲性能的影響。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用雙層薄膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低頻吸聲的方法，其特征在于：在step5中，為了克服單個單元吸聲帶寬窄的限制，實現(xiàn)低頻范圍內(nèi)的寬頻帶隔聲，設(shè)計由多個不同吸聲性能的mam單元并聯(lián)組合的結(jié)構(gòu)，并布置在同一平面，將不同mam單元之間的吸聲峰值進行組合，以實現(xiàn)在頻率上的均勻分布，從而在有限尺寸內(nèi)實現(xiàn)寬頻帶的吸聲。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種利用雙層MAM單元結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)低頻吸聲的方法。首先，根據(jù)局域共振理論和力學(xué)特性，結(jié)合以往的MAM單胞，進行創(chuàng)新設(shè)計，引入由雙層薄膜，質(zhì)量環(huán)和空腔組合而成的MAM結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)在低頻范圍內(nèi)吸聲系數(shù)的提高；其次，通過對其共振模態(tài)、等效參數(shù)及聲阻抗的分析，闡述其吸聲機理；之后，借助于有限元分析法，計算其吸聲系數(shù)，討論并比較質(zhì)量環(huán)、薄膜和空腔的不同幾何參數(shù)對吸聲系數(shù)的影響；最后，對幾何參數(shù)進行分析后，通過并聯(lián)多個MAM單元以及改變質(zhì)量環(huán)位置分別對其吸聲性能進行優(yōu)化，實現(xiàn)了在低頻范圍內(nèi)吸聲帶寬的拓寬。

技術(shù)研發(fā)人員：藍君,胡碗銣,李義豐
受保護的技術(shù)使用者：南京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10