[发明专利]用于可调谐声阻尼的纳米空隙聚合物

说明书

声学元件包括纳米空隙聚合物层，该纳米空隙聚合物层在未致动状态中具有第一纳米空隙拓扑结构，并且在致动状态中具有与第一纳米空隙拓扑结构不同的第二纳米空隙拓扑结构。例如，纳米空隙聚合物层的电容致动可以被用于可逆地控制在聚合物层内纳米空隙的大小和形状，并因此例如在声学元件的操作期间调谐其声音阻尼特性或声音转导行为。声学元件可以被配置用于被动或主动声音衰减。还公开了多种其它装置、系统、材料和方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年1月10日提交的美国临时申请第62/790,549号、2019年2月21日提交的美国临时申请第62/808,471号和2020年1月6日提交的美国非临时申请第16/735,454号的优先权权益，以上申请的内容通过引用以其整体并入本文。

背景

声音阻尼或声学衰减材料可以被用于减少或消除通过物品或空间的不希望的声音传输。虽然普遍认为声音传输损失与声音阻尼材料的密度成正比，但对于许多应用而言，希望在不明显增加主体物品的总重量的情况下包含声音阻尼材料。此外，在各种应用中希望在一定频率范围内(例如在小于约1000Hz的频率下)实现声音阻尼(即，声音传输损失增加)，其中实现有效的声音衰减可能具有更多挑战性。

低密度(ρ1.2g/cm³)聚合物材料可以包含到多种设备中，包括光学结构和电光结构，诸如主动和被动光学器件和电活性设备。例如，聚合物材料(诸如电活性聚合物(EAP)材料)可以在电场的影响下改变它们的形状。EAP材料已被研究用于多种技术，包括致动、感测和/或能量收集。轻质舒适的电活性聚合物可以被包含到可穿戴设备(诸如触觉设备)中，并且对于新兴技术是具有吸引力的候选。

多种应用可以利用薄膜聚合物材料的一种或更多种属性，包括它们的电学特性、机械特性和/或光学特性。尽管有最近的发展，但提供具有改进属性(包括动态的、可调谐的声音衰减特性)的聚合物或其它低密度材料将是有利的。

概述

如下文将更详细地描述的，本公开总体上涉及声学材料并且更具体地涉及含有纳米空隙聚合物(nanovoided polymer)的声学绝缘体(acoustic insulators)和换能器。纳米空隙聚合物材料可包括电活性材料，诸如适用于电活性设备的介电弹性体，包括例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)基聚合物(polydimethylsiloxane(PDMS)-based polymers)或聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物(polyvinylidene fluoride(PVDF)-based polymers)。纳米空隙聚合物材料的致动可以被用于可逆地控制聚合物基体内纳米空隙的大小和形状，并且从而改变纳米空隙聚合物层的阻尼特性或转导特性(transduction properties)。在某些实施例中，本公开涉及可切换声学元件，其中纳米空隙聚合物的空隙大小和/或空隙大小分布可以在其操作期间可逆地调谐。

根据一些实施例，声学元件可以包括纳米空隙聚合物层，其中纳米空隙聚合物在第一(例如，未致动)状态中具有第一纳米空隙拓扑结构，并且在第二(例如，致动)状态中具有与第一纳米空隙拓扑结构不同的第二纳米空隙拓扑结构。纳米空隙聚合物可以例如被电容性地致动，或者机械地或声学地致动。

根据一些实施例，声学元件可以包括主电极、与主电极的至少一部分重叠的次电极、以及设置在主电极和次电极之间并邻接主电极和次电极的纳米空隙聚合物层，其中当第一电压施加在主电极和次电极之间时，纳米空隙聚合物层具有第一纳米空隙拓扑结构，以及当与第一电压不同的第二电压施加在主电极和次电极之间时，纳米空隙聚合物层具有与第一纳米空隙拓扑结构不同的第二纳米空隙拓扑结构。

在某些实施例中，当第一电压施加在主电极和次电极之间时，纳米空隙聚合物层可以具有第一声音衰减系数，并且当第二电压施加在主电极和次电极之间时，纳米空隙聚合物层可以具有与第一声音衰减系数不同的第二声音衰减系数。