一种叠层声学超材料隔声降噪结构、降噪单元及电器的制作方法

1.本实用新型涉及隔声降噪技术领域，尤其涉及一种叠层声学超材料隔声降噪结构、降噪单元及电器。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.低频噪声污染控制存在的主要问题源自于低频声波波长较长，声波衰减速度慢。依据质量定律可知，由于低频噪声声波长，不易衰减的特性，在低频隔声时需要使用较厚的多孔吸声材料或隔声材料才能获得一定的降噪效果，这导致常规材料对低频噪声控制的效果不明显。传统的降噪技术往往需要牺牲重量和体积为代价，来提高低频噪声的处理效果，例如串联微穿孔板结构，需要具备较长的空腔，在牺牲较大的空间体积的基础上实现低频降噪效果。
4.目前，声学超材料的出现打破了传统质量定律的限制，其可以以更轻的质量、更小的体积厚度来实现特定频段低频噪声的控制问题，但是现有声学超材料普遍存在隔声峰值频率频宽较窄问题。现有的超材料隔声降噪结构一般为单层超材料，其中薄膜型声学超材料的工作原理是利用薄膜超材料单元结构频率响应曲线里的反共振响应特性，使得在反共振频率附近的特定频带具有较好隔声效果。
5.但薄膜的刚度较小，因此需要在薄膜上施加一定张紧力，实际应用时通过增加质量块来附加张紧力，薄膜与质量块通过粘连的方式粘合，导致容易出现薄膜老化、破损、薄膜上质量块脱落等失效现象，其实际工程应用前景受到很大限制。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本实用新型实施例的目的是提供一种叠层声学超材料隔声降噪结构，以降低低频噪声污染，提高隔声量，并解决薄膜老化、破损、质量块脱落等问题。
7.为了实现上述目的，本实用新型实施例提供了如下技术方案：
8.一种叠层声学超材料隔声降噪结构，包括：支撑框架和隔声板件；所述支撑框架为环形中空结构，所述隔声板件包括入射端板件和出口端板件，所述入射端板件设置在所述支撑框架的第一端，所述出口端板件设置在所述支撑框架的第二端，所述入射端板件和出口端板件之间具有设定距离并与支撑框架围成空腔，入射端板件和出口端板件均不设置质量块。
9.本实用新型的另一优选的实施方式中，所述入射端板件和出口端板件的厚度为0.01mm～0.5mm。
10.本实用新型的另一优选的实施方式中，所述支撑框架包括支撑筒和位于支撑筒两
端的支撑环，支撑环包括第一支撑环和第二支撑环，所述入射端板件设置在所述第一支撑环和支撑筒之间，所述出口端板件设置在所述第二支撑环和支撑筒之间。
11.本实用新型的另一优选的实施方式中，所述支撑环、隔声板件和支撑筒之间粘合在一起，或者通过螺钉连接。
12.本实用新型的另一优选的实施方式中，所述隔声板件为规则形状或不规则形状。
13.本实用新型的另一优选的实施方式中，所述隔声板件为圆形或矩形。
14.本实用新型的另一优选的实施方式中，所述支撑环为金属材质。
15.本实用新型的另一优选的实施方式中，所述支撑筒为pvc材质。
16.本实用新型实施例还提供了一种叠层声学超材料隔声降噪单元，包括多个如上所述的叠层声学超材料隔声降噪结构，所述多个隔声降噪结构用于不同频段的隔声。
17.本实用新型实施例还提供了一种电器，包括上述所述的叠层声学超材料隔声降噪结构，或者包括上述所述的叠层声学超材料隔声降噪单元。
18.本实用新型实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
19.1、本实用新型的隔声降噪结构通过将两层薄板超材料利用一个空腔耦合实现宽频隔声，仿真结果与实验表明该叠层声学超材料设计可以实现低频隔声且在一定频宽内能取得超过10分贝(dba)的良好隔声效果，降低了低频噪声污染，提高隔声量。
20.2、本实用新型的隔声降噪结构通过支撑框架和隔声板件的配合避免了薄膜老化、破损有效解决了现有隔声降噪结构在工业应用存在的耐久性问题，无需设置质量块，避免了质量块脱落等失效现象，延长了使用寿命。
21.3、本实用新型的隔声降噪结构隔声效果明显，在特定频率的最大隔声量超过20db，10db隔声频带带宽超过200hz。
22.4、本实用新型的隔声降噪结构采用叠层板复合方式，使超材料能够通过两层薄板的反共振，拓宽低频降噪的频宽。采用基于“反共振”概念的轻量化设计方法，使薄板在很轻质量下，依然保持较好的低频降噪效果，有效克服了传统的质量密度定律局限。
23.5、本实用新型提供的叠层薄板声学超材料，由于其隔声频带范围可调，可通过调整薄板参数、结构尺寸等参数实现不同的噪声频段的抑制，以满足不同的噪声源频谱特点，可应用于冰箱、电梯、车辆、轨道交通等应用场景。
24.本实用新型附加方面的优点将在下面的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
25.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
26.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
27.图1是本实用新型实施例提供的叠层声学超材料隔声降噪结构示意图；
28.图2是本实用新型实施例提供的隔声降噪结构通过有限元软件仿真得到的低频隔
声量图示意图；
29.图3是本实用新型实施例提供的叠层声学超材料隔声降噪单元示意图；
30.图4是本实用新型实施例提供的叠层声学超材料隔声降噪单元的有限元仿真软件测量得到的隔声量仿真结果示意图；
31.图中：1、入射端板件；2、出口端板件；3、第一支撑环；4、支撑筒；5、第二支撑环；
32.为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
具体实施方式
33.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本实用新型使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
34.术语解释部分：本实用新型中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解术语在本实用新型的具体含义。
35.现有的超材料隔声降噪结构一般为单层超材料，且隔声材料上经常需要粘贴质量块以求实现低频隔声效果。但在实际工程应用中，附加质量块的超材料结构容易失效，不能有效发挥其隔声效果。而且，薄膜型声学超材料容易出现薄膜老化、破损、薄膜上质量块脱落等失效现象，其实际工程应用前景受到很大限制。
36.基于此，本实用新型一实施例中记载了一种叠层声学超材料隔声降噪结构，如图1所示，包括：支撑框架和隔声板件；所述支撑框架为环形中空结构，所述隔声板件包括入射端板件1和出口端板件2，所述入射端板件1设置在所述支撑框架的第一端，所述出口端板件2设置在所述支撑框架的第二端，所述入射端板件1和出口端板件2之间具有设定距离并与支撑框架围成空腔，入射端板件1和出口端板件2均不设置质量块，所述入射端板件1和出口端板件2为声学超材料薄板，厚度在0.01mm～0.5mm之间依据隔声频带需要选择。
37.本实施例结合结构声学板空腔结构的隔声概念和声学超材料设计，实现超材料从学术层面到实际工业应用的一个关键技术突破。通过将两层薄板超材料利用一个空腔耦合实现宽频隔声，仿真结果与实验表明该叠层声学超材料设计可以实现低频隔声且在一定频宽内能取得超过10分贝(dba)的良好隔声效果，降低了低频噪声污染，提高隔声量。
38.而且，常见的聚丙烯材料的薄膜其杨氏模量为1.6gpa，而薄板材料的杨氏模量为3gpa，两者之间的刚度相差较大。薄膜的刚度相比较薄板的刚度更小，因此薄膜需要依靠附加张紧力，而薄板可依靠其自身刚度恢复其变形，而无需通过增加质量块施加张力，依靠材料本身的弹性力就能实现在特定频段内隔声。通过支撑框架和隔声板件的配合避免了薄膜老化、破损有效解决了现有隔声降噪结构在工业应用存在的耐久性问题，无需设置质量块，避免了质量块脱落等失效现象，延长了使用寿命，可应用于冰箱、电梯、车辆、轨道交通等应用场景。
39.如图1所示，所述支撑框架包括支撑筒4和位于支撑筒4两端的支撑环，支撑环包括第一支撑环3和第二支撑环5，所述入射端板件1设置在所述第一支撑环3和支撑筒4之间，所
述出口端板件2设置在所述第二支撑环5和支撑筒4之间。所述支撑环为金属材质，例如铝、钢等材料，用于支撑薄板材料，实现薄板的固支边界条件。所述支撑筒为pvc材质，用于将叠层薄板粘连一起，保证叠层薄板材料的空腔间隙。所述支撑环、隔声板件和支撑筒4之间粘合在一起，或者通过螺钉连接。所述隔声板件为规则形状或不规则形状，具体的可以为圆形或矩形，本实施例中采用圆形隔声板件。
40.由于噪声频率越低，其声波波长越长，其衰减速度越小、危害更大，因此选择低频噪声作为叠层薄板超材料的设计控制对象。本实施例叠层薄板超材料测试所用的设备为用于声学材料测试的阻抗管或声学实验室。叠层声学超材料隔声降噪结构的制备方法：
41.步骤1，根据实际工程应用降噪需求，并根据低频噪声实测频谱及声压级结果，确定需要有效降噪的频带范围；
42.步骤2，根据需要控制的频带设计叠层声学超材料的材料组成和组合方式，即根据实验条件，设计叠层声学超材料样件，确定叠层声学超材料各部件的材料组成。依靠声学超材料的样件，确定叠层声学超材料的尺寸；
43.步骤3，利用薄板振动响应解析法，计算第一层声学超材料的低频共振频率、隔声峰值频率和频宽；计算第二层声学超材料的低频共振频率、隔声峰值频率和频宽；
44.步骤4，结合第一层、第二层声学超材料的频响曲线，确定两层声学超材料隔声峰值的互补性，粘合两层声学超材料以及连带空腔组成叠层声学超材料构件，估算叠层声学超材料的隔声性能；
45.步骤5，利用驻波管进行叠层声学超材料的实验测量；根据声学材料测试国际标准iso10534-2描述的传递函数发在阻抗管中进行隔声量测试分析，结果如图2所示，可看到本实施例的叠层声学超材料隔声降噪结构在450hz至1500hz间有个较大的隔声量频宽，隔声量超过10db，同时其在150hz-300hz范围内存在两个隔声峰，最大隔声量值接近20db。
46.步骤6，根据测量结果，对超材料的各个材料参数进行优化，实现在特定频率范围内的最大隔声效果。
47.步骤7，通过实验结果汇总超材料参数对叠层超材料结构的影响，依据薄板不同厚度、空腔之间不同间隙大小可以调控叠层薄板的隔声频段，而为了实现在低频多频段内的隔声，将其在不同频段内的隔声效果组合，形成如图3所示的叠层声学超材料隔声降噪单元，将多个用于不同频段的隔声降噪结构组合使用，通过对图4的仿真结果，可以看出组合后的隔声降噪单元，在500hz之后隔声量仍然超过10db，依然实现在低频范围内的优良隔声，同时对于实际工程应用迈出重要一步。
48.该结构不仅在低频附近可以实现较大的隔声量，而且在重量及尺寸上相比其他隔声和吸声材料更为轻便。为今后低频噪声控制提供了一种性能优越的降噪结构。传统的单层、多层薄板一般厚度都在10cm或以上，本结构与现有的薄板隔声材料相比，厚度、质量均明显减少，有效突破了现有低频降噪的技术瓶颈，通过使用轻量化的复合叠层声学超材料结构实现低频降噪，隔声效果明显，在特定频率的最大隔声量超过20db，10db隔声频带带宽超过200hz。
49.基于上述隔声降噪结构或降噪单元，本实用新型实施例还提供了一种电器，该电器中设置有上述实施例所述的隔声降噪结构或降噪单元，由于上述隔声降噪结构或降噪单元具有上述技术效果，则采用该隔声降噪结构或降噪单元的电器的技术效果请参考上述实
施例。
50.上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

技术特征：
1.一种叠层声学超材料隔声降噪结构，其特征在于，包括：支撑框架和隔声板件；所述支撑框架为环形中空结构，所述隔声板件包括入射端板件和出口端板件，所述入射端板件设置在所述支撑框架的第一端，所述出口端板件设置在所述支撑框架的第二端，所述入射端板件和出口端板件之间具有设定距离并与支撑框架围成空腔，入射端板件和出口端板件均不设置质量块。2.如权利要求1所述的叠层声学超材料隔声降噪结构，其特征在于，所述入射端板件和出口端板件的厚度为0.01mm～0.5mm。3.如权利要求1所述的叠层声学超材料隔声降噪结构，其特征在于，所述支撑框架包括支撑筒和位于支撑筒两端的支撑环，支撑环包括第一支撑环和第二支撑环，所述入射端板件设置在所述第一支撑环和支撑筒之间，所述出口端板件设置在所述第二支撑环和支撑筒之间。4.如权利要求3所述的叠层声学超材料隔声降噪结构，其特征在于，所述支撑环、隔声板件和支撑筒之间粘合在一起，或者通过螺钉连接。5.如权利要求1所述的叠层声学超材料隔声降噪结构，其特征在于，所述隔声板件为规则形状或不规则形状。6.如权利要求5所述的叠层声学超材料隔声降噪结构，其特征在于，所述隔声板件为圆形或矩形。7.如权利要求3所述的叠层声学超材料隔声降噪结构，其特征在于，所述支撑环为金属材质。8.如权利要求3所述的叠层声学超材料隔声降噪结构，其特征在于，所述支撑筒为pvc材质。9.一种叠层声学超材料隔声降噪单元，其特征在于，包括多个如权利要求1-8任一项所述的叠层声学超材料隔声降噪结构，所述多个隔声降噪结构用于不同频段的隔声。10.一种电器，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的叠层声学超材料隔声降噪结构，或者包括如权利要求9所述的叠层声学超材料隔声降噪单元。

技术总结
本实用新型涉及隔声降噪技术领域，尤其涉及一种叠层声学超材料隔声降噪结构、降噪单元及电器。叠层声学超材料隔声降噪结构，包括：支撑框架和隔声板件；所述支撑框架为环形中空结构，所述隔声板件包括入射端板件和出口端板件，所述入射端板件设置在所述支撑框架的第一端，所述出口端板件设置在所述支撑框架的第二端，所述入射端板件和出口端板件之间具有设定距离并与支撑框架围成空腔，入射端板件和出口端板件均不设置质量块。该隔声降噪结构降低了低频噪声污染，提高了隔声量，并解决了薄膜老化、破损、质量块脱落等问题。破损、质量块脱落等问题。破损、质量块脱落等问题。


技术研发人员：林天然
受保护的技术使用者：林天然
技术研发日：2022.12.08
技术公布日：2023/8/13