[发明专利]一种声学性能可控调节的薄膜型主动声学超材料

说明书

本发明涉及低频噪声控制的声学超材料技术领域，具体为一种声学性能可控调节的薄膜型主动声学超材料。其由铁粉层可控设计的薄膜型声学超材料和轴向磁场发生装置两部分组成，所述铁粉层可控设计的薄膜型声学超材料由铁粉层、弹性薄膜、弱磁性环形框架组成，铁粉层既作为声学性能可控调节的薄膜型主动声学超材料的质量块，又作为弹性薄膜中的铁粉夹层，将铁粉层可控设计的薄膜型主动声学超材料置于轴向磁场发生装置内，向轴向磁场发生装置通入直流电流，通过输入不同强度的电流调节整个结构的固有频率，实现隔声峰值的定向调节。

技术领域

本发明涉及低频噪声控制的声学超材料技术领域，具体为一种声学性能可控调节的薄膜型主动声学超材料。

背景技术

伴随现代工业的发展，有关噪声污染的问题引起了越来越多的关注。而低频噪声由于波长较长，衰减较慢，其治理成为一个颇具挑战性的问题。传统的声学材料(板材、多孔材料以及复合吸声材料等)想要在低频范围取得较好的隔声效果通常需要设计的较为厚重、复杂(如混凝土墙，多层复合隔音板)，在应用方面有较多局限性。因此，如何高效治理低频噪声成为声学领域研究的重点和难点之一。

由于耗散系统的动力学特性，要在低频有较高的能量耗散，通常需要增大有关材料的能量密度，而以局域共振机理为理论基础的声学超材料的出现为低频噪声的治理提供了新的思路。2012年，沈平等人设计了一种声能吸收超材料(专利申请号为CN201210490610.5)，通过结构的振动产生多个共振模式，实现了对低频声波的吸收。2018年，闻轶凡等人设计了一种基于磁流变材料的磁固耦合主动声学超材料(专利申请号为CN201811083083.X),通过在磁流变薄膜上施加径向磁场，在实现低频隔声的同时也实现了结构固有频率的定向调节。

已研究的声学超材料虽然一定程度上实现了较好的低频隔声效果，但更高效的主动可调型声学超材料需要进一步研究。

薄膜型声学超材料具有轻质高效的特性，在低频范围有较好的隔声效果，具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明提供了声学性能可控调节的薄膜型主动声学超材料，通过设计不同形状分布的铁粉层并与弹性薄膜结合制成薄膜型声学超材料，可以产生不同频率的隔声带隙，拓宽低频噪声控制范围。

本发明提供了声学性能可控调节的薄膜型主动声学超材料，将薄膜型声学超材料置于电流控制的轴向磁场中，控制电流强度改变弹性薄膜的张力，最终实现声学超材料的非接触式主动控制。

本发明的技术方案是：声学性能可控设计的薄膜型主动声学超材料，由铁粉层可控设计的薄膜型声学超材料和轴向磁场发生装置两部分组成，其中，铁粉层可控设计的薄膜型声学超材料由铁粉层、弹性薄膜、弱磁性环形框架组成。可根据声学性能的要求设计成不同形状和大小，采用模具用于控制铁粉层厚度、形状。铁粉层由铁磁性颗粒均匀分布在弹性薄膜上形成；弱磁性环形框架上留有等距分布的螺栓孔。其中铁磁性颗粒具有高磁导率、高磁饱和率等特性，弹性薄膜具有轻质高弹的特点，铁粉层既作为声学性能可控调节的薄膜型主动声学超材料的质量块，又作为弹性薄膜中的铁粉夹层。铁粉层可控设计的薄膜型声学超材料制备过程为：在弹性薄膜中心位置放置模具，按照模具形状把铁磁颗粒均匀布满在弹性薄膜上，去除多余铁磁颗粒后取下模具，则在弹性薄膜上形成所需形状和厚度的铁粉层。将另一张弹性薄膜平铺放置在铁粉层上表面，用预应力加载装置(专利申请号为CN201810840954.1)将含铁粉层的双层弹性薄膜施加预应力至张紧状态，将两片弱磁性环形框架置于含铁粉层的双层弹性薄膜的上下两面，并将两片弱磁性环形框架的预留螺栓孔对齐，用螺栓将两片弱磁性环形框架拧紧固定。在弱磁性环形框架外侧缠上一层隔声胶带，并涂抹工业凡士林，防止漏声，铁粉层可控设计的薄膜型声学超材料制备完成。轴向磁场发生装置由弱磁性环形管、漆包铜线、绝缘隔板组成，其制备过程为：用绕线机将漆包铜线按层叠密绕法绕制在弱磁性环形管外表面，绕制完成后在漆包铜线两侧端部分别固定一块绝缘隔板，轴向磁场发生装置制作完成。最后将制备好的铁粉层可控设计的薄膜型声学超材料放入轴向磁场发生装置内部，放置位置靠近轴向磁场发生装置N极一端，声学性能可控调节的薄膜型主动声学超材料制备完成。