專利名稱：一種新型低頻隔聲材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料及聲波超材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種新型低頻隔聲材料。
背景技術(shù)：
利用材料(構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng))來(lái)阻礙噪聲的傳播，使通過(guò)材料后噪聲能量減小的 方法，稱為隔聲。上述材料(構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng))稱為隔聲材料(隔聲構(gòu)件、隔聲結(jié)構(gòu)或隔 聲系統(tǒng))。通常用隔聲量來(lái)描述材料本身固有的隔聲能力，其定義為噪聲通過(guò)材料前后的 聲能量比，即入射聲能與透射聲能之比取對(duì)數(shù)得到的分貝數(shù)，又稱為傳遞損失，通常以符號(hào) R或TL(dB)表示。根據(jù)傳統(tǒng)質(zhì)量定律，對(duì)于傳統(tǒng)隔聲材料，通常要求材料尺寸與波長(zhǎng)相當(dāng)，由于高頻 聲波波長(zhǎng)較短，并且衰減較快，所以傳統(tǒng)隔聲材料對(duì)于高頻聲波的隔波效果較好，對(duì)于波長(zhǎng) 較長(zhǎng)的低頻聲波的隔波效果很差，往往需要相當(dāng)大厚度和質(zhì)量密度的材料才能實(shí)現(xiàn)較好的 隔聲效果，而在很多工程實(shí)際中大尺寸和大密度材料是不能被應(yīng)用的，所以低頻隔聲成為 聲學(xué)領(lǐng)域一大難題?？疾炱矫媛暡◤膱D1中的特征阻抗R1 = P lCl的I介質(zhì)垂直入射厚度為D，特征阻 抗為R2 = P 2c2的II介質(zhì)，通過(guò)列出各列波表達(dá)式，利用界面聲壓連續(xù)條件、法向質(zhì)點(diǎn)速度
連續(xù)條件、平磁件，可以翻聲強(qiáng)翻娜=Ysu^k2D經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，得到4
(2R、、2
Ruik2Df
ωp2D從公式可以看出透射系數(shù)與材料II的密度和厚度成反比，與材料I的特征阻抗成 正比，即在材料I的特征阻抗一定的情況下，材料II密度越大，厚度越大，頻率越高，透射系 數(shù)越小，隔聲效果越好。這便是傳統(tǒng)的質(zhì)量定律?；趥鹘y(tǒng)質(zhì)量定律，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的隔聲材料對(duì)于高頻聲波的隔波可以達(dá)到很好的效 果，但對(duì)于低頻聲波幾乎束手無(wú)策，由于日常生活中的低頻噪聲比較普遍，對(duì)人們工作和生 活的影響很大，并且低頻聲波衰減比較慢，使得對(duì)于低頻聲波的隔聲降噪成為重要工程問(wèn) 題。通常情況下300Hz以下的噪聲即被稱為低頻噪聲，比如大部分機(jī)器噪聲、割草機(jī)、 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、交通噪聲、中央空調(diào)冷卻塔噪聲都屬于低頻噪聲的范疇，而頻率低至20Hz以 下的聲音屬于次聲波，人耳不能分辯，但卻可以引起心肺共振而對(duì)人體造成巨大傷害，已經(jīng) 被歸為次聲武器范疇，所以對(duì)低頻聲波阻隔的研究刻不容緩。因此，目前本領(lǐng)域科研技術(shù)人員迫切需要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題就是如何能夠創(chuàng) 新地提出一種有效衰減低頻聲波的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，有效降低低頻噪聲 給人們生產(chǎn)、生活帶來(lái)的不良影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種新型低頻隔聲材料，使低頻聲波透過(guò)材料 時(shí)得到很大程度的衰減，用以有效降低低頻噪聲的干擾。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種新型低頻隔聲材料，所述材料包括楊氏模量大于IOGPa的用作框架且固定于外接設(shè)備上的硬質(zhì)材料；楊氏模量小于IOOMPa的用作填充框架的軟質(zhì)材料；所述硬質(zhì)材料與軟質(zhì)材料的 接觸部分為固定連接。優(yōu)選的，所述硬質(zhì)材料包括普通鋼、合金鋼和鋁合金。優(yōu)選的，所述軟質(zhì)材料包括丁苯橡膠和硅橡膠。優(yōu)選的，所述框架為網(wǎng)格狀。優(yōu)選的，通過(guò)黏貼或鉚接的方式實(shí)現(xiàn)固定連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過(guò)將一種楊氏模量大于IOGPa的硬質(zhì)材料的框架固定于外接設(shè)備，并用 楊氏模量小于IOOMPa的軟質(zhì)材料對(duì)其進(jìn)行填充，同時(shí)所述的硬質(zhì)材料與軟質(zhì)材料的接觸 部分為固定連接，當(dāng)聲波入射到材料表面時(shí)，固定的硬質(zhì)材料相當(dāng)于質(zhì)量無(wú)窮大的剛體，在 某一頻率點(diǎn)附近硬質(zhì)材料和軟質(zhì)材料發(fā)生共振，而在該共振頻率點(diǎn)以下材料的等效質(zhì)量為 負(fù)值，導(dǎo)致在該頻段內(nèi)通過(guò)的聲波能量隨傳播距離的增加呈指數(shù)衰減，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)低頻 聲波的阻隔。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中所述的聲波從一種介質(zhì)垂直入射進(jìn)入另一種介質(zhì)的示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例所述的一種新型低頻隔聲材料的示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例所述的低頻隔聲材料對(duì)應(yīng)的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)中一個(gè)負(fù)質(zhì)量單 元的力學(xué)模型示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例所述的低頻隔聲材料對(duì)應(yīng)的一維無(wú)限長(zhǎng)彈簧質(zhì)量離散系統(tǒng) 的示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例所述的低頻隔聲材料通過(guò)隔聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)得到的傳遞損失曲 線示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí) 施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。實(shí)施例參照?qǐng)D2，本發(fā)明所述的一種新型低頻隔聲材料的示意圖，可以看出該隔聲材料為 兩相材料，所述材料具體包括楊氏模量大于IOGPa的用作框架且固定于外接設(shè)備上的硬質(zhì)材料；優(yōu)選的，所述硬質(zhì)材料包括普通鋼、合金鋼和鋁合金。所謂楊氏模量(Young' s modulus)是表征物質(zhì)材料在彈性限度內(nèi)抗拉或抗壓能力的物理量，它是材料的固有屬性，是材料力學(xué)中的名詞，本文中提到的楊氏模量是指縱向 (比如材料的纖維增強(qiáng)方向、長(zhǎng)度方向等)的彈性模量。本實(shí)施例中通過(guò)選用楊氏模量大于 lOGPa的硬質(zhì)材料作為框架，并且將所述的框架固定于需要降低低頻噪聲的外接設(shè)備上。具 體來(lái)說(shuō)，如果將所述的低頻隔聲材料用于房屋的隔音，則將用所述的硬質(zhì)材料制作的框架 固定于墻壁上，又或者如果將所述的低頻隔聲材料用于汽車等交通工具的隔聲，則將用所 述的硬質(zhì)材料制作的框架固定于所述交通工具的外殼上。實(shí)際應(yīng)用中，所述的硬質(zhì)材料可 以選用普通鋼、合金鋼和鋁合金等。楊氏模量小于lOOMPa的用作填充框架的軟質(zhì)材料；所述硬質(zhì)材料與軟質(zhì)材料的 接觸部分為固定連接。優(yōu)選的，所述軟質(zhì)材料包括丁苯橡膠和硅橡膠。硬質(zhì)材料作為框架，所述的框架用楊氏模量小于lOOMPa的軟質(zhì)材料進(jìn)行填充，并 且填充后所述的硬質(zhì)材料和軟質(zhì)材料的接觸部分為固定連接，所謂的固定連接具體來(lái)說(shuō)是 指兩種材料之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選的，通過(guò)黏貼或鉚接的方式實(shí)現(xiàn)固定連接。實(shí)際應(yīng)用中，在用軟質(zhì)材料對(duì)硬質(zhì)材料框架進(jìn)行填充時(shí)，通過(guò)將軟質(zhì)材料和硬質(zhì) 材料接觸的部分進(jìn)行黏貼或鉚接從而實(shí)現(xiàn)兩者的固定連接。實(shí)際應(yīng)用中，所述的軟質(zhì)材料 可以選用丁苯橡膠和硅橡膠等。優(yōu)選的，所述框架為網(wǎng)格狀。假設(shè)當(dāng)前硬質(zhì)材料為不銹鋼，其框架為網(wǎng)格狀，用丁苯橡膠對(duì)不銹鋼的網(wǎng)格狀框 架進(jìn)行填充時(shí)，將網(wǎng)格的內(nèi)邊緣涂抹黏貼劑后將橡膠填充進(jìn)去，通過(guò)黏貼實(shí)現(xiàn)丁苯橡膠和 不銹鋼接觸部分的固定連接。需要說(shuō)明的是，實(shí)際中還有很多其他填充和固定的方式，如將 片狀丁苯橡膠覆蓋到不銹鋼網(wǎng)格上，通過(guò)黏貼或鉚接等方式進(jìn)行固定也是可以的，只要能 夠?qū)崿F(xiàn)振動(dòng)中兩者相對(duì)固定，不發(fā)生滑動(dòng)就可以。這里為了簡(jiǎn)要說(shuō)明僅選取已做出樣品的 圖2的實(shí)例進(jìn)行介紹。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中對(duì)應(yīng)用中常用的硬質(zhì)材料和軟質(zhì)材料進(jìn)行了舉例介 紹，實(shí)際中可以按照本實(shí)施例中所述的楊氏模量值的范圍選取硬質(zhì)材料和軟質(zhì)材料，當(dāng)然 由于材料選擇的不同隔聲效果也會(huì)有一定的變化。同時(shí)，圖2中給出了一些具體尺寸，所涉 及到數(shù)字僅是為了直觀而進(jìn)行的舉例介紹，實(shí)際中可以經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)選取其他的尺寸。并且，所 介紹硬質(zhì)材料的框架為網(wǎng)格狀，實(shí)際應(yīng)用中還可以為其他多種形狀，如孔洞狀等等。通過(guò)固定硬質(zhì)材料的框架以及保持軟質(zhì)材料和硬質(zhì)材料之間的固定連接，實(shí)現(xiàn) 聲波入射到材料表面時(shí)，硬質(zhì)材料和軟質(zhì)材料在某一頻率點(diǎn)附近發(fā)生共振，在該共振頻率 點(diǎn)以下材料的等效質(zhì)量為負(fù)，導(dǎo)致在該頻段內(nèi)通過(guò)的聲波能量隨傳播距離的增加呈指數(shù)衰 減，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)低頻聲波的阻隔。這里進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)施例所述的低頻隔聲材料的隔聲原理。圖3是所述隔聲材料 對(duì)應(yīng)的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)中一個(gè)負(fù)質(zhì)量單元的力學(xué)模型示意圖；其中，F(xiàn)為聲波傳播過(guò)程中單 元所受的力，G為單元內(nèi)部彈簧(對(duì)應(yīng)軟質(zhì)材料)的彈性系數(shù)，u為外圈質(zhì)量塊(對(duì)應(yīng)軟質(zhì) 材料)的位移，！^為軟質(zhì)材料的質(zhì)量。根據(jù)牛頓第二定律，外圈所受的合力等于加速度力， 則有F-Gu = -% 、，又可以寫(xiě)成F= (G-m0co2)Uo如果我們把整個(gè)復(fù)合質(zhì)量單元看成是 一個(gè)沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)心質(zhì)量塊，定義其等效質(zhì)量為mrff，那么運(yùn)動(dòng)方程即為F = -mrff 2u。等效原理要求兩種結(jié)構(gòu)服從同樣的運(yùn)動(dòng)方程，就要求_mrff co2 = G-m0 2，最終得到等效質(zhì)量 為 meff = m。-G/w2，或式中(0。為共振角頻率，Co為激勵(lì)角頻率，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)(0 < 。時(shí)，等效質(zhì)量為負(fù)值。基于實(shí)際應(yīng)用中所述的低頻隔聲材料是一個(gè)連續(xù)體，連續(xù)體模型可以認(rèn)為是無(wú)窮 多個(gè)離散體的集合，因此在用離散體模型對(duì)其進(jìn)行描述時(shí)，需要用彈簧將無(wú)窮多個(gè)負(fù)質(zhì)量 單元進(jìn)行連接，如圖4所示。當(dāng)平面聲波在該具有負(fù)質(zhì)量單元的離散體系統(tǒng)中傳播時(shí)，其位 移通解可以寫(xiě)作(假設(shè)沿x方向傳播)u = U(leXp(ikX-i t)，其中A =其中P是 質(zhì)量密度，k是體積模量，傳統(tǒng)介質(zhì)的質(zhì)量密度均為正值，所以k是一個(gè)實(shí)數(shù)，而如果介質(zhì) 的質(zhì)量為負(fù)(如上述負(fù)質(zhì)量單元結(jié)構(gòu))，那么k就是一個(gè)純虛數(shù)，如果將其寫(xiě)成這樣的形式 k = ih，其中h是實(shí)數(shù)，代入位移解中得到u = i^exp&lvOexp&icot)，從中可以看出位 移幅值(即聲能)隨著聲波傳播距離的增大呈指數(shù)衰減，所以透過(guò)的聲波能量就會(huì)很少，從 而達(dá)到了隔聲的效果?；谝陨显?，圖2所示也即本文中的實(shí)施例，是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的具有低頻隔聲效果 的連續(xù)體模型，與負(fù)質(zhì)量單元模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系為外圈大質(zhì)量及單元內(nèi)部彈簧對(duì)應(yīng)軟質(zhì)材 料部分，單元內(nèi)部固定質(zhì)量塊對(duì)應(yīng)硬質(zhì)材料部分，從而實(shí)現(xiàn)了共振頻率以下等效質(zhì)量為負(fù) 值，達(dá)到了低頻隔聲的目的。實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，白噪聲進(jìn)入內(nèi)徑100毫米的阻抗管內(nèi)形成平面波，入射到實(shí)施例所 述的低頻隔聲材料表面后，一部分聲波被反射，一部分聲波被材料本身吸收，一小部分聲波 穿過(guò)材料。圖5給出了實(shí)施例所述的低頻隔聲材料的傳遞損失的實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線，其中橫軸 代表頻率值，縱軸代表的是噪聲的傳遞損失(TL)，亦即隔聲量，可以看到隔聲量在低頻段可 以達(dá)到70dB，在共振頻率以下平均隔聲量也可以達(dá)到40dB，并且在共振頻率以下頻率越低 隔聲效果越好，正好與傳統(tǒng)材料隔聲效果相反，使得低頻聲能被大大削減，從而達(dá)到了降低 噪聲的目的。需要說(shuō)明的是，實(shí)施例材料的共振頻率在1100Hz附近僅是一個(gè)舉例，應(yīng)用中 可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，以滿足具體的隔聲要求。以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種新型低頻隔聲材料進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具 體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā) 明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，可以在具 體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上進(jìn)行調(diào)整以滿足實(shí)際需求，綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為 對(duì)本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
一種新型低頻隔聲材料，其特征在于，所述材料包括楊氏模量大于10GPa的用作框架且固定于外接設(shè)備上的硬質(zhì)材料；楊氏模量小于100MPa的用作填充框架的軟質(zhì)材料；所述硬質(zhì)材料與軟質(zhì)材料的接觸部分為固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低頻隔聲材料，其特征在于 所述硬質(zhì)材料包括普通鋼、合金鋼和鋁合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低頻隔聲材料，其特征在于 所述軟質(zhì)材料包括丁苯橡膠和硅橡膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低頻隔聲材料，其特征在于 所述框架為網(wǎng)格狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低頻隔聲材料，其特征在于 通過(guò)黏貼或鉚接的方式實(shí)現(xiàn)固定連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新型低頻隔聲材料，通過(guò)將一種楊氏模量大于10GPa的硬質(zhì)材料的框架固定于外接設(shè)備，并用楊氏模量小于100MPa的軟質(zhì)材料對(duì)其進(jìn)行填充，同時(shí)所述的硬質(zhì)材料與軟質(zhì)材料的接觸部分為固定連接，當(dāng)聲波入射到材料表面時(shí)，固定的硬質(zhì)材料相當(dāng)于質(zhì)量無(wú)窮大的剛體，在某一頻率點(diǎn)附近硬質(zhì)材料和軟質(zhì)材料發(fā)生共振，而在該共振頻率點(diǎn)以下材料的等效質(zhì)量為負(fù)值，導(dǎo)致在該頻段內(nèi)通過(guò)的聲波能量隨傳播距離的增加呈指數(shù)衰減，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)低頻聲波的阻隔。
文檔編號(hào)G10K11/168GK101908338SQ201010226308
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者周蕭明, 姚姍姍, 胡更開(kāi) 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)