声振复合型超材料

本发明涉及超材料的，具体地，涉及声振复合型超材料。

背景技术：

1、随着城市化和工业化的发展，噪声污染不断对人类的生活产生影响，对人体健康状况，仪器设备的工作状态等都产生了极大危害。在所有的噪声问题中，由大型交通工具造成的噪声问题最为严重，高铁、飞机、汽车等大型载体所产生的噪声不仅会影响乘客的舒适度，还会对所处的环境产生大量的危害，影响周边居民的生活，因此对有效降噪方法的需求日益强烈。交通噪声问题同时涉及空气声和结构声的传播，空气声由声源产生，通过空气传播。结构声由振动源产生，通过固体结构的振动，向四面辐射。解决空气声问题的传统方案是采用多孔材料，依靠其自身的微结构表现出的良好吸声性能实现对声波能量的耗散。解决结构声问题的经典方式是使用阻尼材料或动力吸振器，吸收振动能量，从而抑制结构声的传播。然而，大多数的噪声问题只会关注到单一的空气声声和结构声，并未考虑将两者联合调控。空气声吸收器与结构声吸收器的直接叠加使用不仅会影响对声波的调制性能，也会增大设备的体积和质量，降低其空间利用率。因此能够同时调控空气声和结构声的复合型超材料成为解决如今噪声问题，进一步提升交通设备的舒适性、实用性、安全性的关键。

2、声学超材料作为一种可人工设计的功能性材料，为有效调控声场提供了新的思路。在不改变材料固有成分的情况下，仅通过对超材料平台的结构性设计，就能够实现多种功能。这种结构化特性使得超材料具有极大的设计自由度，拥有自然界材料所不具备的宏观超常特性。对空气声调控的声学超材料一般包括薄膜或板型结构，亥姆霍兹结构和空间卷曲结构，在空气声的波前调控、声全息成像、超薄全吸声等不同领域被广泛研究。基于声学超材料的结构声调控主要着眼于将周期性排列的低频谐振单元作用至振动主体上，产生弹性波带隙。对于该类超材料单元结构，除了由于几何周期性而产生的布拉格散射带隙外，还可以引入局部共振带隙，导致在主结构中传播的弹性波转变为倏逝波并被耗散。

3、因超材料的结构化特性，对空气声的调制能力和对结构声的调制能力在理论上可以被集成在同一个平台。且由于对结构声调控的超材料往往由单一模态谐振单元组合而成，其工作频段被局限于窄带区域。因此引入复杂模态，实现可对空气声和结构声同时调控的复合型超材料具有非常重要的研究及应用价值。

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声振复合型超材料。

2、根据本发明提供的一种声振复合型超材料，包括：超材料结构单元；所述超材料结构单元包括弹性外涂层、刚性内芯及空气柱；所述弹性外涂层与刚性内芯紧密贴合；所述弹性外涂层内嵌入刚性内芯，构建具有多向局域共振特性的非均匀结构；所述超材料结构单元为柱形；通过弹性外涂层的膨胀和收缩，以及其与刚性内芯之间的多模态干涉，产生空气声吸收性能；低频时的动态吸振和多向局域共振引起的宽带结构阻尼使得超材料具有结构声调制能力。

3、优选地，所述弹性外涂层的材料选取epe泡沫、橡胶泡沫的闭孔材料，或是通过进一步调整孔隙率，获得具有振动性能的开孔泡沫。

4、优选地，所述刚性内芯的材料选取pla塑料和abs塑料。

5、优选地，所述超材料结构单元还能够为四棱立体形式。

6、优选地，所述刚性内芯结构为圆形开口环结构样式；或为方形开口环结构样式。

7、优选地，多个所述超材料结构单元相连接，连接出将会产生复杂的模态。

8、优选地，所述超材料结构单元设置在振动基板上，所述振动基板能够为规整平滑的矩形。

9、优选地，当所述振动基板不是平整薄壁时，所述振动基板上设有弯折边界，所述弯折边界将振动基板划分为不同区域；在不同的区域对空气声和结构声进行联合调控。

10、优选地，所述刚性内芯裸露固定于振动基板表面，所述弹性涂层以平面形式展开，紧贴在刚性内芯上侧。

11、优选地，所述超材料结构单元通过有限元计算表征其吸声特性和吸振特性；

12、单元结构的尺寸参数为：弹性外涂层121外径19.5mm，内径11.5mm，高度100mm；刚性内芯122外径11.5mm，内径8mm，高度100mm；

13、单元结构的材料参数为：弹性外涂层121密度为20kg/m3,杨氏模量为230(1+0.3j)kpa,泊松比为0.45；刚性内芯122密度为1180kg/m3,样式模量为1910mpa。

14、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

15、1、本发明所提出的声振复合型超材料能够以同一个厘米尺度的基本单元实现对空气声和结构声的联合调控，在单一结构上实现了两种及以上的功能；相较于直接叠加两种吸收器，具有更优异的空间利用率和轻便性，以及显著的应用成本优势；

16、2、本发明所提出的声振复合型超材料由于其自身的结构化优势，可以通过对基本单元的尺寸、材料参数的设定，实现对指定频段的空气声和结构声的吸收特性的精准控制；同时该结构易于设计，尺寸更改难度低，加工成本低，易于批量化生产；

17、3、本发明所适用的应用范围广泛，由于其自身优异的机械稳定性与结构强度，在各类复杂的声振环境下均可以实现较好的空气声和结构声调制能力。

技术特征：

1.一种声振复合型超材料，其特征在于，包括：超材料结构单元；所述超材料结构单元包括弹性外涂层、刚性内芯及空气柱；所述弹性外涂层与刚性内芯紧密贴合；所述弹性外涂层内嵌入刚性内芯，构建具有多向局域共振特性的非均匀结构；所述超材料结构单元为柱形；通过弹性外涂层的膨胀和收缩，以及其与刚性内芯之间的多模态干涉，产生空气声吸收性能；低频时的动态吸振和多向局域共振引起的宽带结构阻尼使得超材料具有结构声调制能力。

2.根据权利要求1所述的声振复合型超材料，其特征在于，所述弹性外涂层的材料选取epe泡沫、橡胶泡沫的闭孔材料，或是通过进一步调整孔隙率，获得具有振动性能的开孔泡沫。

3.根据权利要求1所述的声振复合型超材料，其特征在于，所述刚性内芯的材料选取pla塑料和abs塑料。

4.根据权利要求1所述的声振复合型超材料，其特征在于，所述超材料结构单元还能够为四棱立体形式。

5.根据权利要求1所述的声振复合型超材料，其特征在于，所述刚性内芯结构为圆形开口环结构样式；或为方形开口环结构样式。

6.根据权利要求1所述的声振复合型超材料，其特征在于，多个所述超材料结构单元相连接，连接出将会产生复杂的模态。

7.根据权利要求1所述的声振复合型超材料，其特征在于，所述超材料结构单元设置在振动基板上，所述振动基板能够为规整平滑的矩形。

8.根据权利要求7所述的声振复合型超材料，其特征在于，当所述振动基板不是平整薄壁时，所述振动基板上设有弯折边界，所述弯折边界将振动基板划分为不同区域；在不同的区域对空气声和结构声进行联合调控。

9.根据权利要求1所述的声振复合型超材料，其特征在于，所述刚性内芯裸露固定于振动基板表面，所述弹性涂层以平面形式展开，紧贴在刚性内芯上侧。

10.根据权利要求1所述的声振复合型超材料，其特征在于，所述超材料结构单元通过有限元计算表征其吸声特性和吸振特性；

技术总结本发明提供了一种声振复合型超材料，包括：超材料结构单元；超材料结构单元包括弹性外涂层、刚性内芯及空气柱；弹性外涂层与刚性内芯紧密贴合；所述弹性外涂层内嵌入刚性内芯，构建具有多向局域共振特性的非均匀结构；所述超材料结构单元为柱形；通过弹性外涂层的膨胀和收缩，以及其与刚性内芯之间的多模态干涉，产生空气声吸收性能；低频时的动态吸振和多向局域共振引起的宽带结构阻尼使得超材料具有结构声调制能力。本发明所提出的声振复合型超材料能够以同一个厘米尺度的基本单元实现对空气声和结构声的联合调控，在单一结构上实现了两种及以上的功能；相较于直接叠加两种吸收器，具有更优异的空间利用率和轻便性，以及显著的应用成本优势。技术研发人员：徐思齐,王晓乐,孙萍,赵春宇,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：2024/2/19