可调工作频率声学超材料基本单元及其阵列结构

本发明涉及减振降噪，具体地，涉及一种可调工作频率声学超材料基本单元及其阵列结构。

背景技术：

1、声波可以携带信息和能量，因此在通信、探测、诊断等应用中需要有效利用声波，然而在一些应用中则需要有效消除声波。例如，列车、汽车、船舶、飞机等交通运载工具产生的振动和噪声不仅会影响驾驶员和乘客的舒适性，还可能导致疲劳健康问题甚至引发交通事故。

2、在减振降噪技术领域，传统的方案是使用动力减振装置，其利用自身共振来减少宿主结构的振动进而减少噪声的产生。然而，这些动力减振装置的结构庞大，实施时需要付出巨大的附加重量和空间占据的代价。

3、近年来提出的声学超材料能够在亚波长尺度实现对声波的有效操控，通过对声学超材料基本单元的合理设计，可以实现对声波的引导、调制和隔离，为减振降噪技术领域带来了全新的方案。

4、专利文献cn112874066b公开了一种集振动抑制和轻质高强为一体的蜂窝结构板及其制备方法，将轻质蜂窝结构与局域共振型声子晶体相结合，不仅制备工艺复杂，而且一旦制成便无法调节工作频率，只能够服役于固定工作频率的应用场景。

5、专利文献cn115479101a公开了一种刚度能够调节的变刚度蜂窝结构，通过在竖直方向上层叠设置的若干层变刚度单元，由导向杆滑动实现刚度调控。这种变刚度蜂窝超材料在竖直方向上的尺寸较大，不适用于空间受限的应用场合，而且结构复杂，不利于批量生产。

6、综上所述，目前减振降噪技术领域，迫切需要一类性能优异的声学超材料，兼具如下特点：自身结构轻薄，能够方便地贴附于薄壁结构，不造成过大的附加重量和空间占据负担；工作频率可调，调节工作频率的方式简单，不以显著增加重量、厚度和复杂度为代价；结构形式简单，可采用通用的批量化生产工艺制备，生产成本和应用成本都较低。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可调工作频率声学超材料基本单元及其阵列结构。

2、根据本发明提供的可调工作频率声学超材料基本单元，包括：薄膜、通孔、支撑边框以及振子；

3、所述通孔设于薄膜上；

4、所述支撑边框的一端安装于待抑振降噪结构的表面，另一端支撑薄膜；

5、所述振子与薄膜紧密贴合，构成质量-弹簧系统，当振动基板受到外部激励产生振动和声辐射时，薄膜和振子产生对应频率的局域共振，打开局域共振带隙，从而抑制振动和声辐射。

6、优选地，所述薄膜为1mm厚的pi膜，密度为1780kg/m3，杨氏模量为5gpa，泊松比为0.34。

7、优选地，所述支撑边框为2mm厚的橡胶，密度为1200kg/m3，杨氏模量为23mpa，泊松比为0.4。

8、优选地，所述振子为1mm厚的铜片，密度为8900kg/m3，杨氏模量为110gpa，泊松比为0.35。

9、优选地，所述待抑振降噪结构为1mm厚、直径为225mm的均匀平直铝板，密度为2700kg/m3，杨氏模量为69gpa，泊松比为0.33，边界条件设置为简支。

10、优选地，所述通孔为一个或多个，包括云朵样式、双扇形样式、四扇形样式和矩形样式。

11、优选地，所述薄膜和振子为一体化振子，或为两个独立的组成部分。

12、优选地，所述支撑边框样式包括六边形边框、长方形边框、连续的圆形边框和离散的圆形边框。

13、优选地，所述振子样式包括长方形振子、六边形振子、十字型振子和九边形振子。

14、根据本发明提供的可调工作频率声学超材料阵列结构，包含多个所述的可调工作频率声学超材料基本单元。

15、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

16、1)所提出的可调工作频率声学超材料基本单元及其阵列结构轻质超薄，能够方便地贴附于薄壁结构，不造成过大的附加重量和空间占据负担，尤其适合于交通运载工具的振声抑制应用；

17、2)所提出的可调工作频率声学超材料基本单元及其阵列结构的工作频率可调，调节工作频率的方式简单，不以显著增加重量、厚度和复杂度为代价，能够根据特定应用需求实现目标频段内的振声抑制；

18、3)所提出的可调工作频率声学超材料基本单元及其阵列结构的结构形式简单，可采用通用的批量化生产工艺制备，生产成本和应用成本都较低。

技术特征：

1.一种可调工作频率声学超材料基本单元，其特征在于，包括：薄膜(110)、通孔(111)、支撑边框(112)以及振子(113)；

2.根据权利要求1所述的可调工作频率声学超材料基本单元，其特征在于，所述薄膜(110)为1mm厚的pi膜，密度为1780kg/m3，杨氏模量为5gpa，泊松比为0.34。

3.根据权利要求1所述的可调工作频率声学超材料基本单元，其特征在于，所述支撑边框(112)为2mm厚的橡胶，密度为1200kg/m3，杨氏模量为23mpa，泊松比为0.4。

4.根据权利要求1所述的可调工作频率声学超材料基本单元，其特征在于，所述振子(113)为1mm厚的铜片，密度为8900kg/m3，杨氏模量为110gpa，泊松比为0.35。

5.根据权利要求1所述的可调工作频率声学超材料基本单元，其特征在于，所述待抑振降噪结构为1mm厚、直径为225mm的均匀平直铝板，密度为2700kg/m3，杨氏模量为69gpa，泊松比为0.33，边界条件设置为简支。

6.根据权利要求1所述的可调工作频率声学超材料基本单元，其特征在于，所述通孔(111)为一个或多个，包括云朵样式、双扇形样式、四扇形样式和矩形样式。

7.根据权利要求1所述的可调工作频率声学超材料基本单元，其特征在于，所述薄膜(110)和振子(113)为一体化振子，或为两个独立的组成部分。

8.根据权利要求1所述的可调工作频率声学超材料基本单元，其特征在于，所述支撑边框(112)样式包括六边形边框、长方形边框、连续的圆形边框和离散的圆形边框。

9.根据权利要求1所述的可调工作频率声学超材料基本单元，其特征在于，所述振子(113)样式包括长方形振子、六边形振子、十字型振子和九边形振子。

10.一种可调工作频率声学超材料阵列结构，其特征在于，包含多个如权利要求1-9中任一项所述的可调工作频率声学超材料基本单元。

技术总结本发明提供了一种可调工作频率声学超材料基本单元及其阵列结构，包括：薄膜、通孔、支撑边框以及振子；所述通孔设于薄膜上；所述支撑边框的一端安装于待抑振降噪结构的表面，另一端支撑薄膜；所述振子与薄膜紧密贴合，构成质量‑弹簧系统，当振动基板受到外部激励产生振动和声辐射时，薄膜和振子产生对应频率的局域共振，打开局域共振带隙，从而抑制振动和声辐射。本发明能够在工作频率范围内降低所贴附薄壁结构的振动和声辐射，并且具备宽范围的工作频率可调节能力，调节工作频率的方式简单，不以显著增加重量、厚度和复杂度为代价。技术研发人员：孙萍,徐思齐,王晓乐,赵春宇,罗旭东,黄震宇受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/2/8