一种复合型隔声超材料结构及其应用的制作方法

本发明属于隔声，涉及一种复合型隔声超材料结构及其应用。

背景技术：

1、中高频噪声通常可采用吸音棉、穿孔板等方案进行有效控制。相较而言，低频声波(频率为20～400hz)在传播过程中的穿透能力强，难以衰减，目前对低频甚至超低频声波的抑制尚未形成较好的方法。

2、近年来，声子晶体和声学超材料在国内外实现了快速发展，为解决该难题提供了新的思路。声学超材料是由两种或两种以上弹性介质组成的周期结构，可在宏观上表现出天然材料所不具备的负等效质量密度、负等效模量等声学性能，通过毫米级厚度的机构对低频机械波的控制，从而实现低频吸声。

3、现有的超材料隔声降噪结构多为单层超材料，通常将用硅橡胶包裹的铅块，按立方晶格结构嵌入到环氧树脂的基体中，以铅块充当质量块，硅橡胶起到弹簧的作用，环氧树脂作为基体。在低频处，就会出现铅块和基体运动失谐的情况，产生了负等效质量密度，同时由于铅块运动能吸收声波所传递的能量而在低频处产生禁带。

4、局域共振型超材料利用偶极共振原理，使用的超材料的共振频率和声波频率相匹配，实现负等效质量密度，达到降低噪声的目的。这种声学超材料对于整体结构中单元排列方式等要求并不像布拉格散射声子晶体结构那么严格，而是更多强调了结构单元的设计，能够实现声波在亚波长尺度衰减的目的，突破了质量定律的限制，对于低频降噪有着非常重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种复合型隔声超材料结构及其应用，结构简单，占用空间小，易于操作，减少隔声低谷，实现宽频隔声，对中低频波段(频率100～500hz)的噪声源声压级达到较好的降低效果。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种复合型隔声超材料结构，所述的复合型隔声超材料结构包括依次层叠设置的至少两层隔声超材料单元，所述隔声超材料单元包括支撑框体，所述支撑框体上均匀开设有若干声学通孔，所述声学通孔内设置有质量块，相邻两层隔声超材料单元的所述声学通孔的孔径互不相同，所述支撑框体的两侧独立地设置有密封薄板。

4、本发明中复合型隔声超材料结构采用纵向层叠的组合式结构，减少了隔声低谷，且占用空间小；并通过在支撑框体上开设声学通孔，在低频处引入共振，实现等效负质量密度，利用空腔耦合实现宽频隔声，对中频波段噪声也起到较好的降低效果，同时降低了低频噪声污染，提高隔声量；并且，同一层隔声超材料单元的声学通孔内质量块的尺寸一致，且相邻的质量块之间通过支撑框架相互隔开，通过两侧的密封薄板进行固定，不容易失效，有效地发挥隔声作用。

5、作为本发明一个优选技术方案，相邻两层所述隔声超材料单元的所述质量块在所述声学通孔内正投影的面积互不相同。

6、所述质量块在所述声学通孔内正投影的面积不超过所述声学通孔面积的50％。

7、本发明中同一层隔声超材料单元的声学通孔内质量块尺寸一致，相邻的两层隔声超材料单元的声学通孔内质量块尺寸互不相同，且不超过对应声学通孔面积的50％。质量块位于声学通孔的中心位置，其两侧分别粘接在两个密封薄板上进行固定，相比于传统的附加质量块的单层超材料，本发明更加牢固，解决了现有单层超材料结构容易失效，导致不能有效发挥其隔声效果的问题。

8、作为本发明一个优选技术方案，相邻两层所述隔声超材料单元之间设置有空气层。

9、所述空气层的厚度为1.4～2mm，例如可以是1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或2.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

10、本发明中相邻的两层隔声超材料单元之间留有空气层，以形成共振，达到降低噪声的效果。

11、作为本发明一个优选技术方案，所述支撑框体为亚克力框体。

12、所述支撑框体的厚度为3～5mm，例如可以是3.0mm、3.2mm、3.5mm、3.6mm、3.8mm、4.0mm、4.2mm、4.5mm、4.6mm、4.8mm或5.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

13、所述支撑框体的宽度为80～100mm，例如可以是80mm、83mm、85mm、86mm、88mm、90mm、92mm、95mm、96mm、98mm或100mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

14、所述密封薄板为pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯，polyethylene glycolterephthalate)薄板。

15、所述密封薄板的厚度为0.1～0.5mm，例如可以是0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm或0.5mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

16、作为本发明一个优选技术方案，所述质量块的材质为钢、铝、铅或铁中的任一种或至少两种的组合，优选采用钢材质。

17、所述质量块为圆柱形结构。

18、所述质量块的直径为4～30mm，例如可以是4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、15mm、18mm、20mm、23mm、24mm、25mm、26mm、28mm或30mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

19、所述质量块的厚度为3～5mm，例如可以是3.0mm、3.2mm、3.5mm、3.6mm、3.8mm、4.0mm、4.2mm、4.5mm、4.6mm、4.8mm或5.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

20、作为本发明一个优选技术方案，所述的复合型隔声超材料结构包括沿声波入射方向依次层叠设置的至少一层第一隔声超材料单元与至少一层第二隔声超材料单元，所述第一隔声超材料单元的声学通孔的孔径大于所述第二隔声超材料单元的声学通孔的孔径。

21、作为本发明一个优选技术方案，所述第一隔声超材料单元的声学通孔的孔径为75～120mm，例如可以是75mm、78mm、80mm、82mm、84mm、85mm、86mm、88mm、90mm、93mm、95mm、98mm、100mm、102mm、105mm、110mm、112mm、115mm或120mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

22、所述第二隔声超材料单元的声学通孔的孔径为35～50mm，例如可以是35mm、36mm、38mm、40mm、41mm、42mm、44mm、45mm、46mm、48mm或50mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

23、所述声学通孔为圆形、矩形、三角形或正六边形。

24、作为本发明一个优选技术方案，所述第一隔声超材料单元的数量为至少两层，所述第二隔声超材料单元的数量为至少两层。

25、将所述质量块在所述声学通孔内正投影的面积记为约束面积；相邻两层所述第一隔声超材料单元内质量块的约束面积沿声波入射方向依次递减；相邻两层所述第二隔声超材料单元内质量块的约束面积沿声波入射方向依次递减。

26、作为本发明一个优选技术方案，所述第一隔声超材料单元的质量块的直径为4～28mm，例如可以是4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、15mm、18mm、20mm、23mm、24mm、25mm、26mm或28mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

27、所述第二隔声超材料单元的质量块的直径为6～30mm，例如可以是6mm、8mm、10mm、12mm、15mm、16mm、18mm、20mm、23mm、24mm、25mm、26mm、28mm或30mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

28、所述复合型隔声超材料结构的厚度25～31mm，例如可以是25mm、26mm、27mm、28mm、29mm、30mm或31mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

29、本发明为了达到中低频隔声效果，通过调节支撑框体的尺寸、隔声超材料单元的层数、质量块尺寸，以及空气层厚度，最终确定复合型隔声超材料结构的具体结构与尺寸，通过对具有不同孔径声学通孔与不同尺寸的质量块的隔声超材料单元进行纵向叠加，有效减少了隔声低谷。

30、第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的复合型隔声超材料结构的应用，所述的复合型隔声超材料结构用于噪音检测设备。

31、本发明的复合型隔声超材料结构可以应用于测试电器元件或电子机械产品的声学噪声水准的领域的噪音检测设备中，结合结构声学板空腔结构的隔声概念与声学超材料设计，有效降低了中低频波段(100～500hz)的噪声源声压级，对中低频隔声结构的设计具有重要的理论指导意义。

32、本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

34、(1)本发明的一种复合型隔声超材料结构，采用多层纵向堆叠组合式隔声结构，减少隔声低谷，实现中低频隔声(频率100～500hz)，且在一定频宽内取得超过降低30db噪声声压的良好隔声效果，在500～5000hz宽频段内能够降低40db噪声声压，降低了低频噪声污染，提高隔声量；

35、(2)本发明在保证单元结构的隔声效果前提下，可以根据不同尺寸噪音检测设备的需求进行灵活的调整；

36、(3)本发明的复合型隔声超材料结构设计简单、占用空间小、操作方便，且易于加工和制造，可应用于噪音检测设备。