一種超薄雙向聲阻隔通道的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壁面超薄的聲阻隔管道，在隔聲的同時，允許電磁波、氣流、甚至是物體的通過，包括平行設置的上超表面和下超表面，上超表面和下超表面相對的面上對稱的安裝有若干組折疊結構，所述折疊結構包含至少五個并排排列的隔板，相鄰隔板之間形成空腔，在空腔內的隔板上交替分布有橫梁。本發(fā)明的超薄雙向聲阻隔通道，簡單地利用了管道壁上下聲學超表面材料對反射波矢方向的操控，同時巧妙地利用了超表面超薄的特性的和異常反射的功能，使得幾何上沿超表面掠入射(管道軸向)的聲波，發(fā)生接近90度的偏轉，經過兩次作用最終反射波波矢與入射波方向相反，聲波有效地在波導管一定深度處被截止。
【專利說明】
一種超薄雙向聲阻隔通道
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用聲學超表面實現(xiàn)超薄聲阻隔通風通道，屬于聲學器件。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的管道消聲設備如基于共振消聲的赫姆霍茲共鳴器管道，等效于抗性消聲 器，由喉管和腔體構成。喉管內的空氣相當于聲質量，腔體相當于彈簧，它需要較大的外部 腔體提供阻抗突變，當聲波頻率和消聲器固有頻率最接近時消聲量最大。此外阻性消聲器 利用吸聲材料使得聲波能量衰減。但以上機制要么受限于消聲器體積過大，要么受限于易 受外界環(huán)境影響，生命周期短。因此，需要一種能夠明顯減小管壁厚度，降低管道消聲器徑 向體積，又不易受環(huán)境影響，但能有效消聲的聲學材料以解決上述問題。

【發(fā)明內容】

[0003] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于折疊結構的超 薄雙向聲阻隔通道，通過在上下超表面之間形成無阻塞通道，實現(xiàn)聲波有效截止的同時允 許電磁波、流體或者大物體從通道通過。
[0004] 技術方案:為解決上述技術問題，本發(fā)明的一種超薄雙向聲阻隔通道，包括平行設 置的上超表面和下超表面，上超表面和下超表面相對的面上對稱的安裝有若干組折疊結 構，所述折疊結構包含至少五個并排排列的隔板，相鄰隔板之間形成空腔，在空腔內的隔板 上交替分布有橫梁。
[0005] 作為優(yōu)選，所述折疊結構中每個空腔中的橫梁長度不同，折疊結構中的隔板高度、 空腔寬度和橫梁厚度均相同。
[0006] 作為優(yōu)選，所述折疊結構包含九個隔板，九個隔板形成八個空腔。
[0007] 作為優(yōu)選，所述隔板高度為lcm，空腔的寬度為lcm，橫梁的厚度為0.1cm，橫梁縱向 間距為0.15cm，折疊結構中每個空腔中的橫梁長度依次為(0.78，0.583，0.53，0.48，0.42， 0.382,0.33,0.l)cm〇
[0008] 作為優(yōu)選，所述隔板的厚度為空腔寬度的1/10。
[0009] 作為優(yōu)選，所述折疊結構中的聲阻抗遠大于背景媒質聲阻抗。
[0010] 作為優(yōu)選，所述折疊結構中的聲阻抗至少為100倍的背景媒質聲阻抗。
[0011] 作為優(yōu)選，所述折疊結構的材料為金屬或有機塑料。
[0012] 有益效果:本發(fā)明的超薄雙向聲阻隔通道，簡單地利用了管道壁上下聲學超表面 材料對反射波矢方向的操控，同時巧妙地利用了超表面超薄的特性的和異常反射的功能， 使得幾何上沿超表面掠入射(管道軸向）的聲波，發(fā)生接近90度的偏轉，經過兩次作用最終 反射波波矢與入射波方向相反，聲波有效地在波導管一定深度處被截止;聲波傳播過程中 由于超表面分布在管道表面，不會阻塞通道，有利于其他流體、電磁波，甚至是物體的無障 礙用過。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的原理不意圖；
[0014] 圖2聲學超材料周期單元的結構示意圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明的基于聲學超材料的聲阻隔通道的二維結構示意圖；
[0016] 圖4是不同單元尺寸對應的相位分布圖；
[0017]圖5是附有聲學超表面聲阻隔通道的三維結構示意圖；
[0018]圖6是是中心頻率4346Hz處周期性單元數(shù)為4的聲強透射率仿真圖；
[0019]圖7是中心頻率為4346Hz處聲強透射率的數(shù)值仿真和實驗圖；
[0020]圖8是中心頻率為4346Hz處傳輸損失的數(shù)值仿真。
【具體實施方式】
[0021] 加圖1所沄.枏抿廣々Sff Λ爾反射定律的定義：
[0022]
[0023]其中Q1(Qr)為聲波射到某一分界面處的入射角（反射角），(1Φ/dx為表面引入的梯 度相位分布，λ為聲波波長。當聲波入射到一個具有突變相位的表面，聲波的反射角將不再 等于入射角，這種現(xiàn)象稱為異常反射。本發(fā)明利用了管道壁上下聲學超表面中不同的橫梁 長度而產生不同的相位，從而達到對反射波矢方向的操控。簡化之，即使得幾何上沿超表面 掠入射(管道軸向，入射角為90度)的聲波，發(fā)生接近90度的偏轉(如箭頭所示），緊接著再以 〇度的入射角與另一塊超表面發(fā)生作用，由于上下超表面2是對稱結構，經過過兩次作用最 終反射波波矢將與入射波方向相反。此處巧妙地利用了超表面因折疊結構3而獲得的超薄 特性的和異常反射的功能，聲波有效地在波導管一定深度處被截止。
[0024] 例如對于阻隔聲波頻率約為4346Hz時，這時可得到的超表面的相位分布(此處相 位取相對于一次分布更為精確的二次分布情形）：
[0025] Φ (χ) = (0.016χ2-0.338χ + 2.192)π
[0026] 對于其余的頻率(4000Hz附近)情形，可得到的相位分布的一般形式為
[0027] φ (x)=2kh(x)
[0028] 其中k為聲波波矢，h(x)為折疊結構3的等效高度。
[0029] 更進一步的，所述超表面折疊結構3的等效高度h(x)由下式決定：
[0030] h(x) = [-0. 045-0.115b(f)]x2+b(f)x+4.011-0.471b(f)
[0031] 其中b(f)是關于頻率的參數(shù)，具體形式如下：
[0032 ] b (f) =mf+η = -〇. 000689f+2.331
[0033] 如圖2至圖5所示，本發(fā)明的一種聲阻隔通道，平行設置的上超表面1和下超表面2， 上超表面1和下超表面2相對的面上對稱的安裝有四組折疊結構3,如圖2所示，所述折疊結 構3包含至少五個并排排列的隔板，相鄰隔板之間形成空腔，在空腔內的隔板上交替分布有 橫梁，當逐漸增加單元周期數(shù)，通道的聲阻隔效應將進一步得到提升。所述折疊結構3的聲 阻抗至少為背景媒質聲阻抗的100倍，材料為金屬或有機塑料等聲阻抗相對背景媒質較大 的材料。較適宜的管道寬度取1.5-2倍波長范圍。具體的每一個折疊結構3的具體參數(shù)參照

【發(fā)明內容】
項。
[0034] 圖5所示為三維超表面圖，值得提出的是在利用超表面構造隔聲管道時無須在管 道的四周加上此材料，只需在管道外部對稱的分布兩塊超材料。
[0035] 這個機制雖然只是簡單地利用表面相位突變操縱反射波矢，但巧妙地利用了超表 面超薄的特性的和異常反射的功能，使得幾何上從兩個方向入射的聲波束完全反射，最終 實現(xiàn)高效率的聲阻隔作用。
[0036] 實施例：如圖1和圖2所示，一種超薄雙向聲阻隔通道，包括平行設置的上超表面1 和下超表面2,上超表面1和下超表面2相對的面上對稱的安裝有四組折疊結構3,所述折疊 結構3包含九個并排排列的隔板，相鄰隔板之間形成空腔，共形成八個空腔，在空腔內的隔 板上交替分布有橫梁，所述隔板高度1為lcm，空腔的寬度d為lcm，橫梁的厚度奶為0. lcm，橫 梁縱向間距為0.15cm，折疊結構3中每個空腔中的橫梁長度Cl1依次為（0.78,0.583，0.53， 0.48,0.42,0.382,0.33,0.1)cm。
[0037] 管道的上下表面為對稱放置的折疊結構3材料，總體的折疊結構3單元數(shù)為4,每個 單元所占長度為8.8cm，其中單元內部每一個腔體的總寬度為lcm，連接兩側腔體的橫梁厚 度wl為0. lcm，隔板高度1為lcm。波導管的寬度為15cm的正方形。如圖1箭頭所示，左側沿管 道掠入射的聲波可以完全反射，由于左右入射時超表面提供的相位梯度并沒有變化，因此 右側掠入射的聲波也可以完全完全向右反射，實現(xiàn)雙向隔聲的目的。
[0038] 如圖6顯示了數(shù)值仿真過程中聲場的聲壓分布圖，選用的周期性單元數(shù)為4,可以 看到聲波在到達超表面末端之前幾乎全部被反射，不過波導管中由于存在高次諧波，有部 分聲波透過管道漏到對面。在此情況下可以通過增加周期性單元數(shù)來改善隔聲效果。根據(jù) 仿真實驗，最優(yōu)的單元數(shù)為9，此后在增加單元數(shù)反而效果略有下降。
[0039]如圖7顯示了該實施例在最優(yōu)頻率4346Hz附近聲強的透射率，最優(yōu)的透射率降低 到l %以下，低于50%的透射率有50Hz寬度的頻率范圍。實驗點和仿真曲線基本吻合。
[0040] 圖8顯示了圍繞中心頻率4346Hz附近的聲傳輸損失，圖中所選取的單元數(shù)包括4、 5、6個。最優(yōu)頻率處對應的聲傳輸損失分別為15、25、35(18。進一步增加單元數(shù)至9，傳輸損失 可以達到45dB。
[0041] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種高效、針對某一定頻率寬度的超薄聲阻隔通風通道，其特征在于:包括平行設置 的上超表面和下超表面，上超表面和下超表面相對的面上對稱的安裝有若干組折疊結構， 所述折疊結構包含至少五個并排排列的隔板，相鄰隔板之間形成空腔，在空腔內的隔板上 交替分布有橫梁。2. 根據(jù)權利要求1所述的超薄雙向聲阻隔通道，其特征在于:所述折疊結構中每個空腔 中的橫梁長度不同，折疊結構中的隔板高度、空腔寬度和橫梁厚度均相同。3. 根據(jù)權利要求2所述的超薄雙向聲阻隔通道，其特征在于:所述折疊結構包含九個隔 板，九個隔板形成八個空腔。4. 根據(jù)權利要求3所述的超薄雙向聲阻隔通道，其特征在于:所述隔板高度為lcm，空腔 的寬度為1 cm，橫梁的厚度為0.1 cm，橫梁縱向間距為0.15cm，折疊結構中每個空腔中的橫梁 長度依次為（0.78,0.583,0.53,0.48,0.42,0.382,0.33,0.1 )cm〇5. 根據(jù)權利要求2所述的超薄雙向聲阻隔通道，其特征在于:所述隔板的厚度為空腔寬 度的1/10。6. 根據(jù)權利要求1所述的超薄雙向聲阻隔通道，其特征在于:所述折疊結構中的聲阻抗 遠大于背景媒質聲阻抗。7. 根據(jù)權利要求6所述的超薄雙向聲阻隔通道，其特征在于:所述折疊結構中的聲阻抗 至少為100倍的背景媒質聲阻抗。8. 根據(jù)權利要求7所述的超薄雙向聲阻隔通道，其特征在于:所述折疊結構的材料為金 屬或有機塑料。
【文檔編號】G10K11/20GK105845122SQ201610164336
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月22日
【發(fā)明人】梁彬, 楊京, 張海龍, 朱凡, 朱一凡, 鄒欣曄, 程建春
【申請人】南京大學