相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求2014年8月12日申請的美國第62/036,564號、名稱為“progressivestiffnessstructural-acousticsandwichpanel”的臨時申請的優(yōu)先權(quán)和利益，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。

本申請與美國第7,382,959號專利(“專利′959號”)和美國第7,938,989號專利(“專利′989”)相關(guān)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。

根據(jù)本發(fā)明的實施例的一個或多個方面涉及結(jié)構(gòu)板，更具體地涉及提供結(jié)構(gòu)強度和良好聲學(xué)衰減的復(fù)合夾層板。

背景技術(shù)：

機械應(yīng)用中使用的片材結(jié)構(gòu)可能在某些情況下受到彼此張力的性能要求的影響。例如，如果片材形成為管子，則需要片材具有有效抵抗環(huán)向應(yīng)力的強度，或者如果該片材被用作承重的平臺，例如車輛的地板，則需要具有有效抵抗彎曲應(yīng)力的強度。還可能需要這種片材彈性衰減例如聲波，以便例如在車輛內(nèi)部提供聲音保護。如果為了實現(xiàn)高的聲學(xué)傳輸損失選擇材料和尺寸，則包括復(fù)合片材設(shè)計(例如，現(xiàn)有技術(shù)的夾層結(jié)構(gòu))的傳統(tǒng)片材結(jié)構(gòu)可能需要犧牲機械剛性。

因此，需要設(shè)計一種同時表現(xiàn)出機械強度和高聲波衰減的結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例的方面涉及同時具有結(jié)構(gòu)強度和顯著聲學(xué)衰減的夾層結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，夾層結(jié)構(gòu)由固定在兩個面板之間的架構(gòu)芯和形成芯與面板之間的連接的順應(yīng)層構(gòu)成。順應(yīng)層具有在低靜態(tài)負載下導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)中低速彈性剪切波的低模量。在高靜態(tài)負載下，順應(yīng)性材料變硬并允許夾層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著的結(jié)構(gòu)強度和剛度。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種夾層結(jié)構(gòu)，包括：具有第一主表面和背向第一主表面的第二主表面的架構(gòu)芯；固定到第一主表面的第一面板；和固定到第二主表面的第二面板，芯在第一主表面處包括多個第一基座，多個第一基座中的每一個與第一面板分離多個第一基部間隙中的一個基部間隙，基部間隙具有寬度，每一個所述多個第一基座通過第一基部間隙中的多個第一順應(yīng)性基部層中的一個順應(yīng)性基部層連接到第一面板，順應(yīng)性基部層的厚度等于基部間隙的寬度，并且順應(yīng)性基部層的楊氏模量小于第一面板的楊氏模量。

在一個實施例中，該結(jié)構(gòu)包括：通過多個第一自蔓延聚合物波導(dǎo)件限定且沿第一方向延伸的多個第一桁架構(gòu)件。

在一個實施例中，微桁架材料包括作為主要成分的從包括以下材料的組中選擇的材料：聚合物、金屬、陶瓷、復(fù)合材料以及它們的組合。

在一個實施例中，該結(jié)構(gòu)還包括：多個第一基座殼體，每個對應(yīng)于多個第一基座中的一個，每個基座殼體固定到第一基座并且圍繞相應(yīng)的基座，每個基座殼體的內(nèi)側(cè)壁與相應(yīng)基座的側(cè)壁通過具有寬度的多個側(cè)間隙中的一個側(cè)間隙分離；和多個順應(yīng)性側(cè)層，每個順應(yīng)性側(cè)層對應(yīng)于第一基座，每個順應(yīng)性側(cè)層具有與側(cè)間隙的寬度相等的厚度并填充側(cè)間隙。

在一個實施例中，多個側(cè)間隙中的每一個的寬度和多個第一基部間隙中的每一個的寬度被選擇成使在興趣頻率范圍內(nèi)，剪切波速低于空氣中的聲速，以及在興趣頻率范圍內(nèi)，彎曲波速不同于空氣中的聲速，興趣頻率范圍是從200hz到4000hz的范圍。

在一個實施例中，該結(jié)構(gòu)包括：順應(yīng)性芯覆蓋層，順應(yīng)性芯覆蓋層涂敷多個第一桁架構(gòu)件，其中多個第一順應(yīng)性基部層、多個順應(yīng)性側(cè)層以及順應(yīng)性芯覆蓋層形成一個材料的一個連續(xù)體。

在一個實施例中，材料包括作為主要成分的具有大于0.05的損耗正切的彈性體。

在一個實施例中，多個第一基座中的每一個都包括頂面，并且其中每個相應(yīng)的基座殼體包括覆蓋相應(yīng)基座的頂面的一部分的頂部，每個基座殼體的內(nèi)頂面通過具有寬度的頂部間隙與相應(yīng)基座的頂面分離，并且所述結(jié)構(gòu)還包括多個順應(yīng)性頂部層，每個對應(yīng)于第一基座，每個順應(yīng)性頂部層具有與頂部間隙的寬度相等的厚度并填充頂部間隙。

在一個實施例中，基座殼體中的每一個包括作為主要成分的從包括以下材料的組中選擇的材料：環(huán)氧樹脂粘合劑、丙烯酸粘合劑、光聚合物以及它們的組合。

在一個實施例中，多個第一基座殼體中的基座殼體形成一個連續(xù)體。

在一個實施例中，微桁架材料還包括：多個第二桁架構(gòu)件，第二桁架構(gòu)件通過多個第二自蔓延聚合物波導(dǎo)件限定且沿第二方向延伸；和多個第三桁架構(gòu)件，多個第三桁架構(gòu)件通過多個第三自蔓延聚合物波導(dǎo)件限定且沿第三方向延伸，其中第一桁架構(gòu)件、第二桁架構(gòu)件和第三桁架構(gòu)件在多個節(jié)點處彼此互相貫通以形成連續(xù)的材料。

在一個實施例中，芯為板材形狀。

在一個實施例中，多個第一基座中的每一個具有基本上平行于第一面板的基本上平坦的基部表面。

在一個實施例中，對應(yīng)于第一面板的剪切的結(jié)構(gòu)的切線剪切模量相對于第二面板在第一狀態(tài)中比在第二狀態(tài)中小至少30個因子，第一狀態(tài)對應(yīng)于小于0.015的靜態(tài)剪切應(yīng)變，第二狀態(tài)對應(yīng)于大于0.05的靜態(tài)剪切應(yīng)變。

在一個實施例中，順應(yīng)性基部層包括作為主要成分的從包括以下材料的組中選擇的材料：聚氨酯彈性體、熱塑性彈性體以及它們的組合。

在一個實施例中，順應(yīng)性基部層包括作為主要成分的填充的彈性體。

在一個實施例中，芯包括位于第二主表面處的多個第二基座，第二基座中的每一個具有基本上平坦的基部表面，所述基部表面基本上平行于第二面板、通過多個第二基部間隙中的一個基部間隙與第二面板分離，多個第二基部間隙中的所述基部間隙具有寬度，所述基部表面通過第二基部間隙中的多個第二順應(yīng)性基部層中的一個順應(yīng)性基部層連結(jié)到第二面板，多個第二順應(yīng)性基部層中的順應(yīng)性基部層的厚度與多個第二基部間隙中的所述基部間隙的寬度相等，多個第二順應(yīng)性基部層中的所述順應(yīng)性基部層的楊氏模量小于100兆帕(mpa)。

在一個實施例中，芯包括開放容積，開放容積使用多孔材料填充，所述多孔材料被選擇成降低芯的開放容積內(nèi)的聲速以及提高結(jié)構(gòu)中的聲學(xué)傳播損失。

在一個實施例中，芯包括開放容積，芯的開放容積通過連續(xù)或選擇性穿孔的結(jié)構(gòu)的隔膜層細分。

在一個實施例中，該結(jié)構(gòu)包括：形成多個六角形單元的多個單元壁，每個六角形單元具有基本垂直于第一面板和第二面板的軸線，其中第一基座中的每一個沿單元壁的邊緣延伸，邊緣基本平行于第一面板。

在一個實施例中，多個六角形單元中的每一個包括隔離容積，并且其中隔離容積中的每一個通過連續(xù)的或者選擇性穿孔的結(jié)構(gòu)的隔膜層細分。

附圖說明

下面將參考說明書、權(quán)利要求和附圖來說明和理解本發(fā)明的上述和其它方面和優(yōu)點，其中：

圖1a為根據(jù)本發(fā)明實施例的復(fù)合結(jié)構(gòu)板的橫截面的示意圖；

圖1b為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的復(fù)合結(jié)構(gòu)板的橫截面的示意圖；

圖2a為根據(jù)本發(fā)明實施例的漸進式復(fù)合彈簧的示意圖；

圖2b為根據(jù)本發(fā)明實施例的作為圖2a的漸進式復(fù)合彈簧的位移函數(shù)的力的曲線圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的作為復(fù)合結(jié)構(gòu)板的應(yīng)變函數(shù)的應(yīng)力的曲線圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的作為應(yīng)變函數(shù)的復(fù)合結(jié)構(gòu)板的切線剪切模量的曲線圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例的作為復(fù)合結(jié)構(gòu)板的標稱剪切應(yīng)變的函數(shù)的剪切波速度的曲線圖；

圖6a為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的復(fù)合結(jié)構(gòu)板的橫截面視圖的示意圖；

圖6b為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的復(fù)合結(jié)構(gòu)板的橫截面視圖的示意圖；

圖6c為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的復(fù)合結(jié)構(gòu)板的橫截面視圖的示意圖；

圖7a為根據(jù)本發(fā)明實施例的示例性復(fù)合結(jié)構(gòu)板的照片；

圖7b為圖7a的復(fù)合結(jié)構(gòu)板的近照；

圖8為作為頻率的函數(shù)的根據(jù)本發(fā)明實施例的復(fù)合結(jié)構(gòu)板的傳輸損失以及用作對照的另一個面板的傳輸損失的曲線圖；

圖9為作為頻率的函數(shù)的根據(jù)本發(fā)明實施例的復(fù)合結(jié)構(gòu)板的傳輸損失以及用作對照的另一個面板的傳輸損失；

圖10為根據(jù)本發(fā)明實施例的微桁架結(jié)構(gòu)的透視圖；

圖11為根據(jù)本發(fā)明實施例的具有蜂窩芯的夾層結(jié)構(gòu)的透視圖；和

圖12為根據(jù)本發(fā)明實施例的具有蜂窩芯的夾層結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖的詳細說明旨在作為根據(jù)本發(fā)明提供的漸增剛度結(jié)構(gòu)的聲學(xué)夾層板的示例性實施例的說明，而不旨在代表本發(fā)明可以被構(gòu)造或應(yīng)用的唯一形式。所述說明與所示實施例相結(jié)合來闡述本發(fā)明的特征。然而，應(yīng)當理解的是可以通過不同實施例實現(xiàn)相同或等效的功能和結(jié)構(gòu)，所述不同實施例也包含在本發(fā)明的精神和保護范圍之內(nèi)。如本文其它地方所示出的，相同的元件符號旨在指示相同的元件或特征。

本發(fā)明的實施例涉及具有低剛度和聲學(xué)干擾的高阻尼以及對于結(jié)構(gòu)撓度明顯更高的剛度的夾層結(jié)構(gòu)。根據(jù)一個實施例的夾層板具有片狀的構(gòu)造芯，即，具有基本平行且占芯材的總表面積的主要部分的兩個主表面，第一主表面和第二主表面。芯材可以由(或者可以包括，作為主要部件)例如根據(jù)第′989專利和第′959專利中公開的方法制造的微桁架材料構(gòu)成。夾層結(jié)構(gòu)包括芯材和兩個面板，芯材被夾在兩個面板之間，并且每一個面板都由不同于芯材的材料制成。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該微桁架材料通過使用固定光輸入(準直uv光)固化(聚合)可以以三維(3d)圖案自蔓延的聚合物光波導(dǎo)件形成。稱為光單體的一些液態(tài)單體在暴露到光線(例如，uv光)中時發(fā)生聚合，并且在聚合過程期間發(fā)生折射率變化。折射率變化可以引起聚合物光波導(dǎo)件的形成。如果在適當?shù)臈l件下將光敏單體暴露于光線(通常為uv)，則聚合的初始區(qū)域(例如小的圓形區(qū)域)將“捕獲”光線并將該光線引導(dǎo)到聚合區(qū)域的末端，進一步推進聚合區(qū)域。該過程將持續(xù)，從而致使沿著其整個長度具有近似(大約)相同橫截面尺寸的自蔓延光聚合物波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的形成。

因此，可以使用具有二維孔圖案的掩模來生成三維聚合物微結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于形成3d聚合物微結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)包括一個或多個準直光源、具有將在通過光源提供的準直光束波長下聚合的一定容積的單體或“光單體”的貯存器(模具)以及圖案形成裝置，例如具有多個孔(開口區(qū)域)的掩模。所述孔中的每一個都具有給定的形狀和尺寸，所述形狀和尺寸與波導(dǎo)件的橫截面幾何結(jié)構(gòu)基本匹配。因為聚合物波導(dǎo)件可以在交叉點或“節(jié)點”處交叉且交叉的聚合物波導(dǎo)件可以簡單地聚合在一起，因此可以形成真正的三維網(wǎng)絡(luò)，并且波導(dǎo)件的交叉并不干擾波導(dǎo)傳播。多個波導(dǎo)件之間的間距與多個孔的圖案相對應(yīng)。

這樣形成的波導(dǎo)件接著可以被用作微桁架材料，或者可以采取后續(xù)步驟以更改該材料。例如，可以向波導(dǎo)件和節(jié)點添加涂層以形成涂敷的微桁架結(jié)構(gòu)，可以在涂敷之后蝕刻光聚合物以形成中空的微桁架結(jié)構(gòu)，通過移除光聚合物而留下的空隙可以使用另一種材料填充以形成另一種涂敷的微桁架結(jié)構(gòu)，并且可以移除該涂層以形成由不同于光聚合物的材料構(gòu)成的沒有涂敷的微桁架結(jié)構(gòu)。包括或者包含在節(jié)點120處交叉的桁架構(gòu)件110的這些結(jié)構(gòu)中的任一種，例如圖10的微桁架結(jié)構(gòu)，可以用作本發(fā)明實施例的微桁架芯。另外，如圖10所示，微桁架芯可以由桁架構(gòu)件110的堆疊層形成。

通過這些處理，可以形成由聚合物、金屬、陶瓷或者復(fù)合材料組成的微桁架結(jié)構(gòu)。在每種情況中，每一個桁架構(gòu)件由形成桁架構(gòu)件或者桁架構(gòu)件的元件的自蔓延聚合物波導(dǎo)件限定，或者是桁架構(gòu)件的形成中的前體。

參照圖1a，由在多個節(jié)點120處交叉的多個桁架構(gòu)件110組成的微桁架芯(例如，構(gòu)造芯120)被夾在第一面板130和第二面板130之間，并且分別在多個連接點138處固定到第一和第二面板130，其中多個連接點138基本對應(yīng)于靠近芯的第一和第二主表面139的節(jié)點120的位置(還可以參照圖10)。在每一個連接點138處，所述芯具有基座135，所述基座具有基本平坦的表面，所述基座與相鄰面板的內(nèi)表面分隔開小的間隙或者“基部間隙”137?；块g隙137填充有順應(yīng)性材料以形成復(fù)合材料的層140(“順應(yīng)性基層”)。在一個實施例中，順應(yīng)性材料具有小于100兆帕(mpa)的楊氏模量。在另一個實施例中，順應(yīng)性材料具有小于10兆帕(mpa)的楊氏模量。在另一個實施例中，順應(yīng)性材料具有低于用于形成桁架構(gòu)件110和面板130中的一個或這兩個的材料的楊氏模量的楊氏模量。

如圖1a所示，基座135可以是角錐形形狀，例如，如果微桁架由在三個方向上延伸的桁架構(gòu)件110形成則是四面體，或者如果微桁架由在四個方向上延伸的桁架構(gòu)件110形成則是四面金字塔形。任何一對桁架構(gòu)件之間的角度可以是銳角、鈍角或者直角。該角度可以在10度到170度之間，投影到可以用于形成微桁架的掩模上。在另一個實施例中，基座136可以是平墊形，例如，圓盤或正方形，如圖1b所示。

這些基座135和136可以通過多種方法中的一個或者多個形成。在微桁架板形成期間，延長紫外線(uv)光下的曝光可能會因為熱效應(yīng)而導(dǎo)致節(jié)點120生長，并且如果微桁架板的主表面中的一個抵靠光單體貯存器的表面或者一定容積的光單體的頂面，則節(jié)點可以形成基座135，其中該基座135具有抵靠貯存器的所述表面或者一定容積的光單體的頂面形成的平坦表面。在另一個實施例中，當形成微桁架板之后，可以將所述微桁架板放置在為具有多個平坦底部孔的平板形式的模具上，微桁架板的主表面中的一個上的每一個節(jié)點配合到平坦底部孔中的一個中。平坦底部孔中的每一個都可以使用光單體樹脂池填充，并且微桁架板與樹脂池的組合可以使用uv光照射，使池中的樹脂固化、形成基座136?？梢允褂迷摲椒ㄒ詧D1b中示出的形式制造基座136，或者，如果使用足夠深的孔，則可以形成更高的基座。在另一個實施例中，微桁架板可以浸在光單體樹脂中，從而使一滴光單體樹脂涂敷微桁架板的主表面中的一個上的每一個節(jié)點。然后可以將微桁架板放置在平坦的非粘合表面(例如，聚四氟乙烯表面或涂有脫模劑的表面)上，使每個液滴形成具有平坦表面的形狀，并且使用uv光照射，從而使得樹脂液滴固化到基座135和136中。

順應(yīng)層140可以由多種彈性體中的任意一種構(gòu)成，包括聚氨酯彈性體和熱塑性彈性體，并且所述順應(yīng)層可以是填充的彈性體，即由彈性體以及由例如玻璃纖維、玻璃球體或鉛粉末組成的非彈性體填充物組成的復(fù)合材料?？梢酝ㄟ^將微桁架板浸在液態(tài)彈性體中將順應(yīng)層140施加到基座135和136，一個主表面139一次浸泡到足夠涂敷主表面139上的基座135和136的深度。然后，微桁架板可以被夾在面板130之間，并且通過所選擇的將順應(yīng)層140壓縮到期望厚度的力夾緊。然后可以允許順應(yīng)層140被固化。

基座135和136中的每一個可以通過形成多個殼體150而被控制抵靠面板130，每個殼體150被固定到面板130且每個殼體例如與四面體或金字塔形基座135的傾斜面(如圖1a中所示)或者平坦基座136的側(cè)面或者頂面142重疊。平坦基座136的殼體150可以具有頂部143，頂部143的內(nèi)頂面144與基座的頂面142形成具有寬度146的頂部間隙145(如圖1b所示)。這些殼體150可以由例如環(huán)氧樹脂形成，從而可以允許以液體形式通過毛細作用到涂敷有彈性體的基座135和136上，然后設(shè)置為圍繞每個基座135和136粘附到面板130并形成圍繞每個基座135和136的殼體150。在其它實施例中，殼體150包括作為主要成分的從包含以下材料的組中選擇的材料：環(huán)氧粘合劑、丙烯酸粘合劑、光聚合物及它們的組合。圍繞每個基座的側(cè)面(“順應(yīng)性側(cè)層”)和頂部的順應(yīng)層141通?？梢跃哂胁煌暮穸?并且相應(yīng)的間隙可以具有不同的寬度)。因此，基座的側(cè)面上的殼體150與基座之間的間隙或者“側(cè)間隙”可以具有與基座135和136的底部上的基座與面板130之間的基部間隙137的寬度不同的寬度。類似地，基座頂部上的殼體150與基座之間的間隙或者“頂部間隙”可以具有與基座135和136的底部上的基座與面板130之間的基部間隙137的寬度不同的寬度。

在一個實施例中，整個芯由用于形成順應(yīng)層140的材料涂敷，從而形成順應(yīng)性芯覆蓋層，使得順應(yīng)性基部層、順應(yīng)性側(cè)層以及順應(yīng)性芯覆蓋層形成一種材料的一個連續(xù)體。順應(yīng)性覆蓋層可以為芯提供顯著的阻尼，具有例如0.05或者更大的損耗角正切。在一個實施例中，一個面板130剛性地固定到芯材料，并且僅另一個面板130使用順應(yīng)層140固定到芯。

當夾層結(jié)構(gòu)處在無應(yīng)力狀態(tài)下時，例如當每個基座位于其殼體150的中心時，圍繞基座135和136并在基座135和136下方的順應(yīng)層140和141比夾層結(jié)構(gòu)受到大應(yīng)力時更加柔軟，并且順應(yīng)層明顯變形。順應(yīng)層的彈性體可以變硬，即，所述順應(yīng)層的楊氏模量和其它模量可以隨著它的變形而顯著增加。這可能使得與夾層結(jié)構(gòu)作為一個整體的每個順應(yīng)層接近于圖2a中示意性示出的漸進式復(fù)式彈簧系統(tǒng)的性能。該復(fù)式彈簧系統(tǒng)由兩個彈簧元件組成，其中一個直到復(fù)式彈簧系統(tǒng)被壓縮δ^*的量才會對彈簧常數(shù)有貢獻。當應(yīng)力，即復(fù)式彈簧系統(tǒng)的壓縮，超過該閥值時，第二彈簧元件開始提供附加的恢復(fù)力，并且彈簧常數(shù)從k1增加到k1+k2，如圖2b所示。本發(fā)明的實施例類似地提供了使用漸進式彈簧系統(tǒng)的機械等效物的結(jié)構(gòu)，以便在非常低的應(yīng)變狀態(tài)(典型地是聲學(xué)干擾)中保持具有優(yōu)異的聲學(xué)性能的順應(yīng)壁響應(yīng)，同時還對典型的結(jié)構(gòu)負荷的相對更高的應(yīng)變狀態(tài)獲得剛性的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。這可以通過確保構(gòu)造芯具有幾何特征來實現(xiàn)，該幾何特征確保具有涂層的芯在非常低的應(yīng)變聲學(xué)干擾狀態(tài)下與夾層結(jié)構(gòu)中的一個或兩個基座很好地隔離，并且對于相對較高的應(yīng)變結(jié)構(gòu)撓度狀態(tài)被牢固地固定到兩個面板。如此構(gòu)造的夾層板可以具有隔離兩種功能(降噪和結(jié)構(gòu)剛度)的競爭剛度要求的優(yōu)點，并且可以同時滿足兩者的需求而不會明顯犧牲任何一個的性能。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例形成的結(jié)構(gòu)的用于減弱聲波的能力可以作如下理解。傳播通過空氣的聲學(xué)干擾在與結(jié)構(gòu)相互作用時激起振動。對于這些聲學(xué)干擾，夾層板以不同的模式回應(yīng)，所述模式為反對稱的“剪切”模式或者對稱的“彎曲”模式。對稱模式由面板內(nèi)的彎曲和伸展變形以及芯中的伸展變形組成。反對稱模式由面板內(nèi)的彎曲和伸展變形以及面板之間的芯內(nèi)的主要剪切變形組成。當彎曲波速與空氣中的聲速相匹配時，反對稱臨界頻率發(fā)生并表現(xiàn)為傳輸損耗明顯下降，稱為同時發(fā)生。對于具有高剪切剛度的夾層板，發(fā)生這種情況的頻率為：

其中，ca為空氣中的聲速，m'為面板的面積密度，ρ為芯的質(zhì)量密度，h為芯的厚度，b為由下面的方程描述的面板彎曲剛度：

其中，ef、t和ν分別為面板楊氏模量、面板厚度以及面板泊松比。在臨界頻率處及其以上，與相同質(zhì)量的高度柔性壁相比，聲學(xué)傳輸損失大大降低。根據(jù)傳輸損失(tl)的質(zhì)量定律方程式，具有可忽略的彎曲剛度的面板的表現(xiàn)為：

其中，ρair和cair為空氣密度和空氣中的聲速，m為整個面板的面積密度，以及θ為入射聲波的入射角度(法向入射角度為0°)。

如果使用具有足夠低的剪切模量的夾層芯，則可以激勵中頻范圍內(nèi)的聲波以激發(fā)橫向剪切波而不是彎曲波。這需要面板加權(quán)的剪切波速略小于空氣中的聲速，即，

其中，μ是芯的剪切模量。當芯剪切模量接近0時，該技術(shù)的上臨界頻率極限是單個面板本身的重合頻率，由下面的方程式說明：

以及

通過足夠低的剪切波速(由足夠低的芯剪切模量引起)，臨界頻率從夾層板整體朝著單個面板的臨界頻率向上移動。然而，當芯的剪切模量接近0時，夾層板的結(jié)構(gòu)剛度也接近0。

另一種形式的重合，對稱重合，發(fā)生在夾層板的雙壁共振頻率fdw:

其中，e33是芯的貫穿厚度模量。

為了改進(即，增加)板的傳輸損失，在一個實施例中，這些臨界頻率都不發(fā)生在感興趣的頻率范圍(例如，約200hz到4000hz)內(nèi)。這可以通過選擇(i)具有非常低的μ和e33的非常軟的芯(以產(chǎn)生高反對稱和低對稱重合)或者(ii)非常低的μ和非常高的e33(高反對稱和高對稱重合頻率)和/或(iii)具有低彎曲剛度(柔性質(zhì)量(limpmass))的非常高的質(zhì)量和/或(iv)非常高的阻尼來實現(xiàn)。

相反地，結(jié)構(gòu)堅固(例如，有效的)的結(jié)構(gòu)夾層板需要高彎曲剛度、高橫向壓縮強度和剪切負荷以及低質(zhì)量。因此，結(jié)構(gòu)夾層板的要求可能與具有高聲學(xué)tl的板的要求對立。

通過聲波在夾層板中引起的位移可以顯著低于結(jié)構(gòu)板中可接受的位移。盡管結(jié)構(gòu)板根據(jù)應(yīng)用被設(shè)計為非常輕且堅硬，但是該剛度并不總是需要在板橫向偏轉(zhuǎn)的前10到1000微米(μm)內(nèi)。本發(fā)明的實施例使用具有良好阻尼特性的順應(yīng)性涂層來適應(yīng)初始的低剛度狀態(tài)，以便獲得高傳輸損失以及相對剛性構(gòu)造的結(jié)構(gòu)芯以獲得良好的機械性能。

對本發(fā)明實施例進行二維有限元模擬，以確定伴隨增加的剪切應(yīng)變的芯剪切剛度變化。在本項研究中使用由具有彈性體涂層的鋁構(gòu)成的架構(gòu)芯，其中所述芯被固定地與頂部面板和底部面板互鎖以形成夾層結(jié)構(gòu)。模擬的結(jié)果如圖3-5中所示。圖3示出作為應(yīng)變的函數(shù)的漸進式剛度夾層中的應(yīng)力。圖4示出漸進式剛度夾層的切線剪切模量與剪切應(yīng)變(多點平均)在第一(低剪切應(yīng)變)狀態(tài)下比在第二(高剪切應(yīng)變)狀態(tài)下少至少30個系數(shù)，第一狀態(tài)對應(yīng)于小于0.015的靜態(tài)剪切應(yīng)變，第二狀態(tài)對應(yīng)于大于0.05的靜態(tài)剪切應(yīng)變。圖5示出漸進式剛度夾層的剪切波速與剪切應(yīng)變，并且空氣中的聲速(mach1)被顯示以供參考。該模擬顯示通過彈性體層和適當?shù)牡撞吭O(shè)計，即使在架構(gòu)芯的相對較高模量的母體材料(鋁)的情況下，也可以獲得小于mach1的芯剪切波速(空氣中的聲速)。在較高剪切應(yīng)變下，彈性體層被充分壓縮，并且芯材料的剪切模量增加到?jīng)]有軟夾層的架構(gòu)鋁芯的剪切模量。

下表顯示了有限元模擬中使用的材料屬性：

表1

在一些實施例中，上述一組殼體可以形成具有用于每個基座的空腔的連續(xù)片材，或者夾層的一個側(cè)面上(即，芯的主表面中的一個上)的基座135和136可以固定到相應(yīng)的面板而不需要順應(yīng)層。在一個實施例中，芯不是微桁架結(jié)構(gòu)，而是不同的構(gòu)架材料，例如蜂窩，如圖11所示。蜂窩芯例如可以被定向，以使蜂窩的每個單元1110的軸線大致垂直于蜂窩夾層面板130?？梢酝ㄟ^例如將蜂窩片材的主表面浸入環(huán)氧樹脂中并將該片材設(shè)置在無粘性的平坦表面上，以使得環(huán)氧樹脂在固化前可以下垂到平坦表面上，從而形成基座的平坦底部以及抵靠在蜂窩單元的單元壁720的每一側(cè)的圓角，在每個單元的端部的每一個邊緣上形成細長的基座。在本實施例中，每一個細長基座的每一個端部可以連結(jié)到相鄰蜂窩細胞壁的基座。圖12示出具有蜂窩芯的實施例的穿過面板130、蜂窩芯壁720、基座135、順應(yīng)層141以及殼體150的橫截面。每一個單元1110可以具有通過隔膜層773細分的隔離容積1115。

由于彎曲模式和剪切模式使順應(yīng)層在每個基座的基部處和環(huán)繞每個基部的側(cè)面不同地(即，在壓縮和剪切中不同程度的)變形，因此可以通過獨立地調(diào)節(jié)這些層的厚度來獨立地調(diào)節(jié)彎曲波速和剪切波速。

其它實施例可以包括提高結(jié)構(gòu)的性能的其它特征。例如，芯的開放容積1205可以填充多孔材料1210(圖12)，以便通過降低芯的開放容積內(nèi)的聲速來增加聲學(xué)傳播損失，或者芯的開放容積可以由連續(xù)或者選擇性穿孔結(jié)構(gòu)的隔膜層進行細分以提高聲學(xué)傳播損失。在蜂窩芯的情況中，每個蜂窩單元內(nèi)的隔離容積可以通過連續(xù)性或選擇性的穿孔結(jié)構(gòu)的隔膜層進行細分，以便提高聲學(xué)傳播損失。

圖6a-6c示出本發(fā)明的另外實施例的三個二維示意圖。圖6a中的實施例具有面板605和靠近芯的中間平面的順應(yīng)層610。所述芯包括連接到上面板的棱柱形支柱，其在包括棱柱形的“t”形突起的接合處在中間平面附近相遇。芯還包括連接到下面板的棱柱形支柱，其在包括被構(gòu)造為容納所述“t”形突起的棱柱形通道的接合處在靠近中間平面處相遇。圖6b和6c的實施例具有面板615和616，面板615和616中的袋狀部620和630容納芯構(gòu)件的端部并且圍繞順應(yīng)層640。用于將芯材料與一個或兩個面板隔離的任何連接設(shè)計都可以提供可接受的特征；然而，另外對每個單元的旋轉(zhuǎn)自由度進行限制的實施例，例如圖1a和1b中的實施例，從改進的性能中獲益。

盡管結(jié)構(gòu)化性能和聲學(xué)性能要求在一些應(yīng)用中是緊張的，但是本發(fā)明的實施例通過分離問題(聲學(xué)干擾和結(jié)構(gòu)撓度)的響應(yīng)區(qū)域以及在每個區(qū)域中確保良好的性能顯著地提高結(jié)構(gòu)化-聲學(xué)夾層板性能。本發(fā)明的實施例可以不需要添加復(fù)雜的機械或主動系統(tǒng)(例如，調(diào)諧的質(zhì)量-彈簧諧振器，或者機電致動器)或者包括可以明顯地削弱面板或降低其結(jié)構(gòu)效率的特征(例如，開槽泡沫芯或寄生質(zhì)量)，以便獲得期望的具有高聲學(xué)傳播損失的結(jié)構(gòu)板的目標。根據(jù)本發(fā)明制造的結(jié)構(gòu)板可以用在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件中，該輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件還作為外部噪音的屏障，例如車輛地板或者其它外部或內(nèi)部板。在地板的情況中，例如，當乘客進入或者離開車輛時，地板可以轉(zhuǎn)向高剛度狀態(tài)、承載乘客重量，并且一旦乘客坐在她或他的座位上，地板可以返回到低剛度狀態(tài)、表現(xiàn)出低剪切波速和良好的聲學(xué)衰減。根據(jù)實施例制造的結(jié)構(gòu)板或彎曲片材的另外應(yīng)用包括容納旋轉(zhuǎn)或往復(fù)式機械的結(jié)構(gòu)化外殼，其可產(chǎn)生空氣攜帶或結(jié)構(gòu)承載的振動，例如底座艙或機艙，或者可以將結(jié)構(gòu)承載的振動傳遞到客艙的任意合適的部件。

示例

本發(fā)明的實施例的一個示例使用1mm厚的6061-t6鋁面板、構(gòu)造的光聚合物微桁架芯以及在芯的末端節(jié)點處的基座上涂敷的2部分聚氨酯彈性體制造(圖7a和7b)。涂敷有彈性體的架構(gòu)芯使用環(huán)氧樹脂膜粘合劑連結(jié)到面板，該環(huán)氧樹脂膜粘合劑在高溫固化期間圍繞架構(gòu)芯的涂敷有彈性體的底部形成毛細作用，因此形成多個平開窗，該多個平開窗在面板和涂敷有彈性體的芯材料之間形成機械互鎖。

作為比較，還構(gòu)造具有無涂層構(gòu)造的聚合物微桁架芯的“對照”夾層結(jié)構(gòu)。對兩個夾層板做聲學(xué)傳播損失測試；在圖8中示出結(jié)果，第一曲線810示出本示例的傳播損失，第二曲線820示出對照結(jié)構(gòu)的傳播損失。還示出呈現(xiàn)本示例的密度的質(zhì)量定律模型預(yù)期的傳播損失的曲線830，以及呈現(xiàn)對照結(jié)構(gòu)的密度的質(zhì)量定律模型預(yù)期的傳播損失。圖9中示出質(zhì)量定律標準化結(jié)果(計算為分別以db計算本示例或?qū)φ战Y(jié)構(gòu)的傳播損失(例如，圖8)與同樣以db計算的對應(yīng)的質(zhì)量定律傳播損失的比)，其中第一曲線910示出本示例的質(zhì)量定律標準化傳播損失的移動平均值，第二曲線920示出對照結(jié)構(gòu)的質(zhì)量定律標準化傳播損失的移動平均值。每個測試板具有0.533mx0.533m以及0.0127m的芯厚度的尺寸。該測試的漸進式剛度板具有9.1kg/m²的面積密度，對照板具有10.27kg/m²的面積密度。

本示例結(jié)構(gòu)顯示出優(yōu)于300hz和1000hz之間以及1800hz和2400hz之間的質(zhì)量定律性能。由于雙壁共振(對稱重合)調(diào)諧不良，在這些區(qū)域之間的區(qū)域下降到質(zhì)量定律性能之下。在一個實施例中，雙壁共振將被調(diào)諧到興趣頻率范圍之外。該示例還顯示出在2600hz附近表現(xiàn)出反對稱重合。在一個實施例中，剪切剛度將下降以在高于興趣頻率范圍時獲得反對稱重合。由于彈性體中間層提供的高阻尼，即使重合，傳播損失也不會降到質(zhì)量定律傳播損失的大致(大約)75％以下。對照結(jié)構(gòu)顯示比質(zhì)量定律傳播損失更好的小區(qū)域，但是在高于大約1400hz時，反對稱重合效應(yīng)使得對照結(jié)構(gòu)的傳播損失性能顯著下降到質(zhì)量定律傳播損失之下、3200hz左右時達到質(zhì)量定律傳播損失的50％以下。

術(shù)語“夾層結(jié)構(gòu)”、“夾層板”以及類似的“夾層”在本文可互換使用，為同義詞。應(yīng)當理解的是，盡管在本文中使用術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等等說明多種元件、組件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)當被這些術(shù)語限制。這些術(shù)語僅用于區(qū)分一個元件、組件、區(qū)域、層或節(jié)段與另一個元件、組件、區(qū)域、層或部分。因此，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，下文中討論的第一元件、組件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、組件、區(qū)域、層或部分。

如圖所示，本文中使用空間位置關(guān)系術(shù)語，例如“在……之下”、“在……下面”、“下級的”、“在……之上”、“在……上面”以及類似術(shù)語，以便于說明書一個元件或者特征相對于另一個元件或特征的關(guān)系。應(yīng)當理解的是，附圖中所示的取向之外，空間位置關(guān)系術(shù)語旨在包括使用中或操作中的裝置的不同位置關(guān)系。例如，如果圖中的裝置被翻轉(zhuǎn)，被描述為相對于其它元件或者特征“在……下面”或“在……之下”或“在……下方”的元件將被定向為相對于其它元件或者特征“在……之上”。因此，示例性術(shù)語“在……之下”和“在……下面”可以同時包含“在……之上”和“在……之下”的方向。裝置可以以其它方式定向(例如，旋轉(zhuǎn)90度或者其它方向)，并且本文中使用的空間位置關(guān)系說明應(yīng)當作相應(yīng)的理解。另外，還應(yīng)當理解的是當一個層被稱為在兩個層“之間”時，它可以是這兩個層之間的唯一一個層，或者也可以存在一個或多個中間層。

本文使用的術(shù)語是僅為說明特定實施例的目的，并不旨在限制本發(fā)明的范圍。如本文所使用的，術(shù)語“大致”、“大約”以及類似術(shù)語被用作相近的術(shù)語而非程度術(shù)語，并且旨在解釋本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解的測量或計算值中存在的固有誤差。如本文所使用的，術(shù)語“主要部件”意味著部件構(gòu)成組合物重量的至少一半，以及當術(shù)語“主要部分”應(yīng)用到多個項目時，意味著這些項目的至少一半。

如本文所使用的，單數(shù)形式的“一個”旨在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中另有清楚的顯示。還應(yīng)當理解的是，當在本說明中使用術(shù)語“包含”時，指特定的特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或它們的組合的存在。如本文中所使用的，術(shù)語“和/或”包括相關(guān)列出的術(shù)語的一個或多個的任意的和全部的組合。當在元件列表之前表達例如“至少一個”時，修改整個元件列表并且不修改該列表中的單個元件。此外，當描述本發(fā)明概念的實施例時使用“可以”，指“一個或多個本發(fā)明的實施例”。同樣地，術(shù)語“示例性”旨在表示示例或說明。

如本文中所使用的，術(shù)語“使用”可以被認為與術(shù)語“利用”同義。

應(yīng)當理解的是，當元件或?qū)颖环Q為“在……上”、“連接到”、“耦合到”或者“相鄰”另一個元件或?qū)訒r，它可以直接在該另一個元件之上、連接到、耦合到或者相鄰于另一個元件或?qū)?，或者存在一個或多個中間元件或?qū)印Ｏ喾吹?，當元件或?qū)颖环Q為“直接在……上”、“直接連接到”、“直接耦合到”或者“直接相鄰”另一個元件或?qū)訒r，則沒有中間元件或?qū)拥拇嬖凇?/p>

盡管這里對具體說明并示出了漸進式剛度結(jié)構(gòu)-聲學(xué)夾層板的示例性實施例，但是很多其它修改和變化對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。據(jù)此，根據(jù)本發(fā)明原則構(gòu)造的的漸進式剛度結(jié)構(gòu)-聲學(xué)夾層板可以實現(xiàn)為這里的說明之外的形式。本發(fā)明還限定在以下的權(quán)利要求及其同等物中。