承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构及复合超结构

本发明涉及噪声和振动治理新材料、新技术，具体是一种承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构及复合超结构，可以应用于现代交通运载工具(轨道车辆、航空器、航天器、船舶、汽车、工程运料车)、新型功能场馆/室(候车厅馆、录音/演播厅、会议场馆、多功能教室、消声室)、智能家具(空调、冰箱、洗衣机、新风系统)以及输变电站、道路声屏障、管道系统等噪声和振动控制。

背景技术：

1、具有轻质、高刚度等优点的多功能复合承载结构广泛应用于飞机、船舶、高铁等领域。当前，新型装备正朝着大功率、高速、轻量化、智能化等方向发展，人们对装备的隔音减振以及结构刚度有了更高的要求。对于高频噪声的控制，由于其波长短、传递能力弱的特点，通过使用普通的轻薄吸隔声材料能实现较好的降噪效果。而对于低频噪声(100-1000hz)的控制，受到质量定律的限制，使得传统结构只能通过增大结构质量来实现低频高隔声量，而质量的增加又与现代装备的发展理念背道而驰，不能很好地满足实际工程应用需要。如何在保证轻量化的同时实现低频宽带高隔声量且能兼顾较大的刚度是工程界面临的一大挑战。

2、近年来，声物理学和凝聚态物理学领域提出和发展的超材料技术能够打破质量定律限制，为隔声降噪控制提供了新思路、新方法。超材料/结构是指由特殊设计的人工振子单元(如局域共振单元，简称振子)按一定方式附加于基体结构而构成的新型复合结构(如附加于基体板壳结构上构成超材料板壳结构)。声学超材料/结构所具有的超常物理特性(如负等效质量密度、负等效模量等)，可以实现对低频弹性波和声波的超常操控，使得其在低频减振降噪领域具有广阔应用价值。声学超材料大致可分为以下三种类型，膜型、板型和亥姆霍兹共振型，三者的共性在于其对声波的调控是基于人工设计的结构而非材料本身的特性，因此可以设计不同的构型结构以满足不同的声波调控需要。现今，已出现一些结构简单的声学超材料，并已被证实具有高于质量定律的低频隔声性能，但其大部分隔声频带较窄、刚度较低，且不兼具减振功能，由此限制了其实际工程应用。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的不足，本发明供一种承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构及复合超结构，具有良好的低频宽带、高效的隔声减振性能，又具有高刚度的承载能力。是一种多功能复合型超结构，具有广阔的工程应用前景。

2、为实现上述目的，本发明提供一种承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构，包括至少一个超材料结构单元；

3、所述超材料结构单元包括板壳隔声件、柔性隔声件与两个支撑结构件，两个所述支撑结构件间隔连接在所述板壳隔声件、柔性隔声件之间，并与所述板壳隔声件、所述柔性隔声件围成两端开口的空腔；

4、当所述超材料结构单元的数量为两个以上时，各所述超材料结构单元依次相连，其中：

5、各所述超材料结构单元的所述板壳隔声件依次相连，形成一层板壳隔声部；

6、各所述超材料结构单元的所述柔性隔声件依次相连，形成一层柔性隔声部；

7、相邻两所述超材料结构单元共用一所述支撑结构件，各所述支撑结构件在所述板壳隔声部、所述柔性隔声部依次间隔分布，形成一层单向阵列化支撑结构部。

8、在其中一个实施例，所述超材料结构单元还包括至少一个阻振质量部；

9、所述阻振质量部设在所述空腔内，且与所述柔性隔声件相连；

10、当所述阻振质量部的数量为两个以上时，各所述阻振质量部在所述空腔内间隔分布。

11、在其中一个实施例，所述超材料结构单元还包括两个封闭挡板，两所述封闭挡板分别覆盖在所述空腔的两端。

12、在其中一个实施例，所述空腔内填充有多孔吸声介质。

13、在其中一个实施例，所述空腔内设有至少一个柔性薄膜结构，所述柔性薄膜结构的两端分别与所述支撑结构件相连；或

14、所述空腔内设有至少一个板壳结构，所述板壳结构的两端分别与所述支撑结构件相连；或

15、所述空腔内设有至少一个亥母赫兹共鸣器结构，所述亥母赫兹共鸣器结构与所述板壳隔声件和/或所述柔性隔声件和/或支撑结构件相连。

16、在其中一个实施例，所述支撑结构件为平板结构或穿孔板结构。

17、在其中一个实施例，承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构还包括孔隙率大于或等于30％的高透声板壳结构；

18、所述高透声板壳结构覆盖在所述柔性隔声部的外表面，且所述高透声板壳结构与所述柔性隔声部之间通过阵列分布的支撑单元相连。

19、为实现上述目的，本发明还提供一种承载与低频宽带隔声减振多功能复合超结构，包括两个以上的上述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构；

20、各所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构依次层叠，相邻的两所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构之间直接相连；和/或

21、相邻的两所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构之间共用一层所述柔性隔声部；和/或

22、相邻的两所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构之间共用一层所述板壳隔声部；和/或

23、相邻的两所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构之间通过一层单向阵列化支撑结构部相连。

24、为实现上述目的，本发明还提供一种承载与低频宽带隔声减振多功能复合超结构，包括声学解耦部、板壳结构部与上述的承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构，其中，所述声学解耦部为孔隙率大于70％的高孔隙率介质；

25、所述声学解耦部位于所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构与所述板壳结构部之间；或

26、所述声学解耦部位于所述承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构的一侧；或

27、所述声学解耦部位于所述板壳结构部的一侧。

28、在其中一个实施例，所述板壳结构部为超材料结构板、均质材料板壳、复合材料板壳、蜂窝夹芯板壳、波纹夹芯板壳、轻质泡沫夹芯板壳、点阵结构夹芯板壳、权利要求1至7任一项所述的承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构中的一种或者多种组合。

29、与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

30、1.本发明中的承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构，在板壳隔声部的基础上，引入柔性隔声部、单向阵列化支撑结构部以及阻振质量部，能够有效地提高板壳隔声部的刚度和承载能力；

31、2.本发明中的承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构的低频宽带隔声性能显著优于单一板壳隔声结构，且在一定频率范围内具有减振的效果，具体地：

32、板壳隔声部、单向阵列化支撑结构部、薄层柔性隔声部和阵列化的阻振质量部间形成若干的空腔，使得承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构具有类似无限大双层板结构的隔声特性，在某些频率范围内，双层板的隔声效果要显著大于单层板的隔声效果，且由于薄层柔性隔声部、板壳结构部以及空腔之间的声-振耦合作用，使得薄层柔性隔声部能够在特定范围内产生显著大于单层板质量定律的低频宽带的隔声效果，阵列化的阻振质量部则能够在力激励条件下在一定频率范围内形成弹性波带隙，由此可使承载与低频宽带隔声减振多功能超材料结构在一定频率范围内具有减振性能。