[发明专利]聚氨酯弹性体声子晶体消音膜及其制造方法

说明书

本发明涉及一种聚氨酯弹性体声子晶体消音膜及其制造方法，其消音膜包括至少四个周期组元，每个周期组元由聚氨酯层和振子层组成，其中振子层由聚合物包覆大量微珠振子组成，微珠振子由金属微珠外覆盖一层软质弹性体构成；本发明的制作方法是由软质弹性体包覆金属微珠构成的微珠振子与聚合物粒料混合均匀后，由一个挤出单元熔融挤出，同时聚氨酯原料由另一个挤出单元熔融挤出，进入汇流单元，然后依次经过m个层叠单元，在每个层叠单元中的n个扭转流道进行n次分割、扭转、层叠，形成振子层与聚氨酯层交替排列的声子晶体。本发明消音膜的制造工艺非常简单，生产效率高，易于实现规模化生产，并且适用性强，可以覆盖在大型目标表面实现消音功能。

技术领域

本发明属于新材料与先进制造技术领域，涉及一种聚氨酯弹性体声子晶体消音膜及其制造方法。

背景技术

随着航空航天、高速列车、输变电工程等的飞速发展，噪声问题日益严重，引起了人们的广泛关注。在日常生活中，噪声干扰着人们的正常生活和工作，长期暴露在高噪声环境下会对人的身体健康造成危害。在生产实践中，高噪声会影响仪器的使用精度甚至造成仪器失效或损坏。在军事国防领域，消声隐身是潜艇的关键技术。因此，噪声控制在民用和军事领域都是一项非常重要的工作。

采用传统的吸隔音技术，能够有效隔离噪声中的中高频成分。但对于低频噪声(2000Hz以下)，由于受到质量密度定律控制，难以用轻质材料实现低频宽带隔音。然而声子晶体的出现使得轻质材料实现低频带宽隔音成为了可能。

声子晶体是由两种或两种以上弹性介质组成的具有周期结构和弹性波带隙特性的功能材料或结构。目前声子晶体的带隙机理有两种，分别是布拉格(Bragg)散射机理和局域共振机理。在布拉格散射机理作用下，带隙产生的主要原因是周期变化的材料特性与弹性波的相互耦合作用。因此，其最低带隙中心频率约为c/2a(其中c为基体材料中的弹性波波速，a为周期尺寸)，即最低带隙中心频率对应的弹性波波长约为晶格常数的2倍。由于布拉格散射型声子晶体的带隙频率与周期尺寸紧密相关，因此难以在较小的周期尺寸(几厘米或更小)条件下得到低频(尤其是1KHz以下)的带隙，这对其在低频减振降噪方面的应用不利。2000年，刘正猷教授等人首次提出局域共振机理(Liu.Science,2000,289:1734-1736.)，局域共振机理认为，在特定频率的弹性波激励下，各个散射体产生共振，并与弹性波长波行波相互作用，从而抑制其传播。由于局域共振带隙的产生取决于散射体自身共振特性与基体中长波行波的相互作用，因此，其带隙频率与单个散射体固有的振动特性密切相关。理论和实验结果表明，该声子晶体的带隙所对应的波长远大于晶格常数，突破了布拉格散射机理的限制。而且在散射体并非严格周期分布时，复合结构同样具有带隙。这为声子晶体的低频减振降噪应用开创了新的局面。尽管局域共振机理在低频降噪方面有巨大的潜力，目前仍不能有效进行实际应用。现有降噪消音技术仍然以布拉格散射机理为主，例如，专利(专利号：CN 102022222 B)提出了一种消声器，用于飞机辅助动力装置排气系统上的消声器。专利(专利号：CN 204340775 U)提出了一种广义声子晶体隔音罩，由金属层和非金属层构成周期组元，具有隔声量大、便于装拆等优点，但是应用范围较窄，且占用空间较大。专利(专利号：CN 106023975 A)提出了一种轻质低频宽带隔声组合结构，包括薄膜型声子晶体结构，局域共振型声子晶体结构以及他们之间的空腔，能实现较高的隔声量，但是该设计结构复杂，加工难度大。

目前基于声子晶体特性设计的消音结构普遍应用布拉格散射机理，对低频声波阻隔性能差；采用刚性骨架，应用范围较窄，适用性较低，并且不能够对大型目标进行有效隔音，例如列车、潜艇等。因此声子晶体的隔音能力还没有能够有效地开发利用。

发明内容

本发明针对传统隔音技术低频隔音效果低、声子晶体的隔音能力未能有效利用等问题，提出了聚氨酯弹性体声子晶体消音膜及其制造方法。