[发明专利]一种通过软材料增强低频宽带吸声性能的方法

说明书

本发明公开了一种通过软材料增强低频宽带吸声性能的方法，通过在腔体类吸声超结构内壁布置一层弹性模量低至数KPa、厚度为数mm的软材料，可以在低频段较宽频率范围内大幅提高结构的吸声性能。这种软材料相当于充当了一种声学软边界，可大幅降低声速，并通过两种不同介质的交界面处产生大的弹性应变能，实现吸声性能的有效增强。本发明中公开的吸声增强方法不会增加吸声结构的整体厚度，且能在很宽频带内实现有效增强。此外，这种吸声增强方法是直接通过均匀的材料来构造的，比通过共振腔等人工微结构构造的相比，尺寸可以更小，制备工艺更简单更适合大批量快速制备，且工作频带更宽。因此，可广泛应用于各类吸声结构的设计中。

技术领域

本发明属于吸声材料和结构设计领域，具体涉及一种通过软材料增强低频宽带吸声性能的方法。

背景技术

噪声是一种在日常工作和生活中广泛存在的重要的环境污染，尤其是低频噪声，具有穿透力强和难以衰减的特点。与水污染和空气污染不同，噪声污染不但危害人的身体健康，还会对心理健康产生影响，使人烦恼、注意力不集中、失眠等。而且，随着城市化进程的加速，一方面，现代机械和电子产品的类型越来越多，产生的噪声污染类型也越来越复杂；另一方面，随着人们生活品质的提升，对环境和产品的静音要求也越来越高。因此，对于现代家用机械和电子产品、以及载运工具等装备而言，有效控制噪声，特别是低频噪声，显得非常重要。通常，噪声衰减方法分为主动和被动两类，而具体实现措施也可以分为两类，一类是从源头进行衰减，这种方法是最有效的，但目前已经接近成熟，很难继续降低；另一类是在传播路径上进行衰减，这是目前较为广泛采用的方法，具体又包括隔声和吸声两种方法。其中，吸声方法可以直接将声能转化为热能或弹性应变能而损耗掉，被广泛应用于各类厅堂和舱室等封闭或半封闭空间中进行声场控制。常用的传统吸声材料有以玻璃棉为代表的纤维多孔材料、以岩棉为泡沫多孔吸声材料和微穿孔板吸声体等。这些传统吸声材料或结构的低频吸声性能较差，一般需要厚度接近最低频率对应波长的1/4才能实现有效吸收。因此，为了吸收低频声波，需要很厚的吸声材料，这在很多应用场合都无法满足要求。

超材料的发展为具有亚波长厚度的低频吸声结构设计提供了新的可能，重新激发了吸声结构研究的热潮。通过多年的努力，人们先后发展了共振薄膜结构、迷宫结构、亥姆霍兹共振腔结构、F-P共振结构、狭缝结构等，以及基于这些结构的派生结构，实现了优异的吸声效果。通过总结这些工作，可知，现有的拓宽吸声带宽的方法一般有三种。第一种方式也是最常用的一种方式是通过参数梯度分布的多个元胞之间的并联式协同耦合，由每个元胞产生一个吸声峰，然后各元胞产生的吸声峰连在一起，在很宽频带内维持较高的吸声系数。如果每个元胞能够产生多个吸声峰，即高阶吸声峰，则可以通过多阶多元胞协同耦合进一步拓宽吸声带宽。第二种方式是通过元胞间的强耦合相互作用，增加集成结构的共振模式数量，从而增加吸声峰的数量，拓宽吸声带宽。第三种方式是通过不同类型的吸声结构之间进行并联式协同耦合，每类结构吸收一个频带的声波，实现不同吸声频带的叠加。采用上述这些方法进行吸声结构设计，如果要拓宽低频吸声带宽，则需要增加厚度方向或面内的结构尺寸。因此，对于空间受限的应用而言，实现宽带吸声依然存在挑战。

以往的研究表明，通过减小结构与声传播媒介之间的阻抗失配程度，即实现阻抗匹配，或降低声传播速度，均可以提高吸声结构的吸声性能。事实上，这种效果也可以通过声学软边界来实现。声学软边界可以定义为法向振速为0，因此不会产生反射声波。最新研究表明，可以通过超材料来人为的构造声学软边界，实现特殊的声波操纵功能。而根据声学软边界的特性，可知其也可以用于提升结构的吸声性能，特别是低频段的吸声性能。然而，这方面还没有公开的文献报道。考虑到在空气中，软材料的特性阻抗与硬材料的相比，和空气更接近，且声速较低，可以近似看作是一种声学软边界。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过软材料增强低频宽带吸声性能的方法，通过在吸声结构内壁贴一层软材料，充当声学软边界，以此来提升吸声结构的吸声性能。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种通过软材料增强低频宽带吸声性能的方法，包括以下步骤：