隔聲通流且強化傳熱的聲學超材料單元、復合結構及制備

隔聲通流且強化傳熱的聲學超材料單元、復合結構及制備
【專利摘要】本發明涉及隔聲通流且強化傳熱的聲學超材料結構單元，其包括邊框、在所述的邊框內設置有約束體，在邊框的上下表面的至少一個表面上覆蓋有薄膜；所述約束體和薄膜上均設置有至少一個孔。另外，本發明還提供了含有聲學超材料結構單元的聲學超材料復合板和復合結構，以及調頻方法和裝配方法。所述結構單元既能在寬頻帶內具有優于普通穿孔板或微穿孔板的隔聲能力，又可以保證足量熱流、氣流或液流能夠順利通過；并且通過自身結構在聲波激勵下產生的單元局域振動，提高孔兩側流體介質的熱量擴散速率以及加快對流換熱效率。該聲學超材料結構單元及其陣列復合結構具有裝配工藝簡單、工作性能穩定的特點。
【專利說明】
隔聲通流且強化傳熱的聲學超材料單元、復合結構及制備
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種隔聲、通流且能夠提高熱量擴散速率以及加快對流換熱效率的聲 學超材料結構單元及含有其的陣列復合結構，適用于制作結構輕薄、低頻隔聲效果好且能 夠保證足量熱流、氣流或液流順利通過的結構殼體、隔聲板、隔聲罩或消聲器，屬于材料領 域。
【背景技術】
[0002] 熱能動力設備如：蒸汽機、內燃機、燃氣渦輪機等、大型電機、計算機主機、電氣設 備和制冷設備等的殼體結構對散熱通流的要求很高，以保證設備的正常運行，同時它們還 需要降低噪聲，以減少對環境的噪聲污染。
[0003] 為了調和散熱通流和隔聲降噪之間的矛盾，現有技術的常用解決方案是在結構殼 體或包覆的隔聲罩上增加散熱通流裝置（中國公開的專利有：CN2411327Y，CN1710239A， CN200943422Y，CN104153695A，CN204099057U)。然而，這些附加的散熱通流裝置包括較長的 通流管路，甚至為了增強對流需要在管路上安裝風扇或栗機等動力設備。這些管路和動力 設備不僅增加了系統復雜性和制造維護成本，而且還會產生管路和機械噪聲。另一種實施 方便的低成本方案是采用孔隙面積足夠大的普通穿孔板或格柵板制作殼體或隔聲罩，但這 些結構在機電噪聲能量占主的中、低頻段(如1000赫茲以下）的隔聲效果非常差。
[0004] 直徑小于1毫米的微穿孔板襯以一定間隔的背板，可以在中、高頻設計出較高的隔 聲量，其工作機理:微穿孔板與背板間的空腔構成一組亥姆霍茲共振吸聲體(HeImhoItz Resonant Absorber)，當穿孔中入射聲波的頻率與亥姆霍茲共振吸聲體的特征頻率一致， 氣流與空腔結構共振摩擦，導致大量聲能轉為熱能耗散，提高該共振頻率的吸聲效果。受限 于工作機理，若欲采用微穿孔板結構實現滿意的降噪效果，背板結構不可或缺（中國公開的 專利有：CN101645263B，CN202986208U，CN102543061B，CN102077272B，CN102842303B, CN104700827A，CN105065337A，CN105222474A;美國專利：US6868940B1，US20110100749A1, US008381872B2，US008469145B2)。而背板結構的存在又不可避免地影響到散熱通流的效 果。
[0005] 此外，2014年，美國物理聯合會期刊《AIP Advances》公開了一種用于建筑居室的 通氣隔聲窗（2014 年，Sang-Hoon Kin 等，Air Transparent Soundproof Window，AIP Advances 4,117123.;美國專利:US20160071507A1)。該隔聲窗基于與微穿孔板類似的空腔 共振耗能原理提高隔聲量，是由帶圓柱孔的共振腔室聲學單元構成的陣列結構。其中，用于 通流的孔直徑最大為50毫米，硬質亞克力材料制作的共振腔室聲學單元的邊長為150毫米， 厚度為40毫米，最低階共振頻率在1000赫茲附近，能夠實現比微穿孔板更好的中、低頻隔聲 效果。然而，若欲實現更低頻段的有效隔聲，其結構尺寸將做得非常大，難以用于對空間尺 寸要求高的場合。更重要的是，透過該孔的流量降低了各頻段的隔聲效果，尤其是對于波長 大于孔徑的低頻聲波。
[0006] 聲學超材料(Acoustic Metamaterial)，尤其是薄膜型聲學超材料（2008年， Z·Yang等，Membrane-Type Acoustic Metamaterial with Negative Dynamic Mass， Physical Review Letters 101,204301.)的出現使得人們可以利用厚度和晶格尺寸小于 聲波波長兩個數量級的輕薄結構有效隔離低頻聲波的傳播，即可用厘米級結構阻隔波長為 米級的百赫茲噪聲。薄膜型聲學超材料基于局域共振原理（2000年，Zhengyou Liu等， Locally Resonant Sonic Materials，Science 289,1734·)，其典型結構包括三種基本單 元，即硬質框架、彈性薄膜以及配重質量塊。其工作機理在于硬質框架分隔出單個不連通小 區域，內部的配重質量塊在入射聲波激勵下產生強烈振動，進而促使彈性薄膜產生反共振 振動模式，使得整體區域的法向振動位移求和為零，從而實現對入射聲波的全部反彈，減少 透射側的聲能。基于此原理的薄膜型聲學超材料專利均要求整體結構不透氣（中國公開的 專利有：CN1664920A，CN102237079A，CN101908338B，CN103594080A，CN103810991A， 〇則0 3996395厶，〇則05118496厶，美國專利：1]500739589882，1]520130087407八1， US20140339014A1，US20150047923A1)。這必然限制了該類聲學超材料應用于對散熱通流 要求高的場合。
[0007] 2013年，美國應用物理快報刊發了一篇論文（Guancong Ma等，Low-frequency Narrow-band Acoustic Filter with Large Orifice,Applied Physics Letters 103, 011903.)，首次提出了一種具有孔的薄膜型聲學超材料結構(美國專利:US20160027427A1， 中國專利:CN105122348A)。該結構中間存在一個用于散熱通流的孔，緊靠孔四周正則分布 了四塊不透氣的帶配重質量塊的薄膜型聲學超材料結構單元。在特定聲學頻率下，聲學超 材料結構單元的配重質量塊和彈性薄膜形成大幅度局域共振，共同產生用于抵消過孔聲波 的聲壓，實現在該頻帶的有效隔聲。然而，該結構的有效隔聲頻帶非常窄，僅幾十赫茲。該文 作者認為其原因在于，僅在靠近共振頻率的共振頻段，四周的聲學超材料結構單元才能產 生足夠量級的反相聲波與過孔聲波遠場抵消。

【發明內容】

[0008] 本發明解決的技術問題是提供一種能夠同時克服現有薄膜型聲學超材料的結構 不透氣和透氣聲學超材料的工作帶寬窄的問題缺陷的技術方案，進一步地，本發明提供一 種寬頻隔聲效果好且具有良好的散熱通流的聲學超材料結構單元，其在機電噪聲能量的主 要頻段，如數百赫茲，具有工作頻帶較寬的優良隔聲性能，又可保證足量熱流、氣流或液流 能夠順利通過。
[0009] 本發明還提供一種能夠強化傳熱的聲學超材料結構單元，其一方面通過自身結構 在聲波激勵下的振動提高孔兩側介質的熱量擴散速率；同時地，另一方面，當有流體通過 時，結構單元的振動可以阻礙熱邊界層和速度邊界層的形成，能夠增加熱源貼壁處的流體 湍流度，加快了換熱效率;同時地，其利用通過孔聲波與薄膜反彈聲波的正負抵消實現高隔 聲量，最終達到了隔聲、通流、強化傳熱的效果。
[0010] 本發明還提供一種聲學超材料結構單元陣列復合結構，其通過將工作在不同頻率 的聲學超材料結構單元面內組合拼接或者面外縱向堆疊，實現顯著拓寬整體復合結構的有 效工作帶寬的效果。
[0011] 具體來說，本發明的技術方案如下：
[0012] -種聲學超材料結構單元，其包括邊框、在所述的邊框內設置有約束體，在邊框 的上下表面的至少一個表面上覆蓋有薄膜;所述約束體和薄膜上均設置有至少一個孔。
[0013] 所述的邊框和約束體通過剛性連接，穿孔柔性薄膜覆蓋在邊框上下表面，并受約 束體約束。所述邊框最終形成四周閉合的結構，約束體設置在其內部，在邊框的上下表面的 至少一個上覆蓋有薄膜。
[0014] 其中，所述邊框內至少設置一個有孔的約束體。
[0015] 其中，所述約束體和薄膜上孔的形狀、位置和大小相同或不同；優選所述約束體和 薄膜上孔的形狀、位置和大小相同。
[0016] 其中，所述的約束體上孔的大小根據通過的流體流量以及隔聲工作頻段確定。 [0017]在確定孔的大小過程中，通常是根據通過的流體流量以及隔聲工作頻段兩方面而 定，例如對通流效率要求較高的場合，孔的大小應足夠大，從而盡量減少流量損耗和壓降影 響；對隔聲工作頻段傾向于低頻的場合，在保證邊框和薄膜的幾何尺寸和材料參數不變的 前提下，小尺寸孔使得隔聲工作頻段趨向于低頻。
[0018] 其中，所述約束體上孔的形狀為對稱規則的幾何形狀，優選所述幾何形狀為圓形。
[0019] 其中，所述邊框的上下表面上均覆蓋有穿孔柔性薄膜;優選兩層穿孔柔性薄膜的 厚度及材料不同。當厚度及材料不同時，有利于拓展工作帶寬。
[0020] 所述有孔的約束體與邊框的至少一個表面齊平。
[0021] 其中，在上下兩層薄膜中間填充多孔材料;優選所述多孔材料為玻璃纖維棉或開 閉孔泡沫。
[0022] 其中，所述的邊框的形狀使其在單元面內周期陣列時可實現最大面積占比；優選 形狀是矩形、正方形或正六邊形。
[0023]其中，所述約束體與薄膜線接觸或面接觸;優選接觸形成的形狀是對稱規則的幾 何形狀;更優選所述的幾何形狀為圓形、正方形或正多邊形。
[0024]其中，所述的邊框和有孔約束體的材料分別為鋁材、鋼材、木材、橡膠、塑料、玻璃、 石膏、水泥、高分子聚合物或復合纖維材料;所述薄膜的材料為高分子聚合物薄膜材料、金 屬薄膜或彈性薄膜，所述高分子聚合物薄膜材料優選為聚氯乙烯膜、聚乙烯膜或聚醚酰亞 胺膜;所述金屬薄膜優選鋁及鋁合金膜、鈦及鈦合金膜，所述彈性薄膜優選橡膠膜、硅膠膜 或乳膠膜。
[0025]本發明還提供一種包含上述聲學超材料基本結構單元的聲學超材料板。
[0026] 其中，所述聲學超材料板是聲學超材料結構單元在面內方向組合拼接而成。
[0027] 形成聲學超材料復合板的所述各個聲學超材料結構單元的幾何尺寸和材料參數 可以是不同或相同，不嚴格限制為相同。
[0028] 本發明還提供一種包含聲學超材料板的聲學超材料復合結構
[0029] 其中，所述是聲學超材料復合結構是通過多層所述的聲學超材料板面外方向縱向 堆疊而成的聲學超材料板陣列。所述多層聲學超材料板的幾何尺寸和材料參數可以是不同 或相同，不嚴格限制為相同。
[0030] 所述聲學超材料復合結構含有普通聲學材料制成的普通聲學材料單元或普通聲 學材料板。
[0031] 所述普通聲學材料板是玻璃纖維棉、開閉孔泡沫等多孔材料以及普通穿孔板、微 穿孔板、阻尼材料板等。
[0032] 所述多層聲學超材料板之間的空隙以及聲學超材料板與普通聲學材料板之間的 空隙均填充多孔材料。
[0033] 本發明還提供一種調節所述聲學超材料結構單元或者所述聲學復合結構的隔聲 頻段的方法，通過改變所述聲學超材料的邊框、約束體及薄膜的結構尺寸和材料參數來實 現調節聲學超材料的工作頻率
[0034] 本發明還提供一種裝配所述聲學超材料結構基本單元的方法，其特征在于，有孔 約束體和邊框采用一體成型技術制備得到或者制造有孔約束體預制件和邊框預制件，將有 孔約束體預制件通過剛性連接到邊框預制件上組成單元框架，之后將薄膜在自由伸展狀態 下覆蓋在單元框架上，并進行固定連接，最后在薄膜上進行打孔;優選通過銑削、鑄造、沖 壓、激光切割或3D打印技術加工成一體成型的單元框架，或者通過銑削、鑄造、沖壓、激光切 割或3D打印技術制造出有孔約束體預制件和邊框預制件;優選固定連接為膠粘、熱焊接或 機械鉚接。
[0035] 另外，本發明提供一種裝配所述聲學超材料板的方法，將裝配后的所述的聲學超 材料結構單元邊框進行剛性或柔性連接，或者采用楔形連接件組合成具有一定曲度的聲學 超材料板;或者將有孔約束體和邊框通過一體成型將其加工為整體聲學超材料板框架，之 后將薄膜在自由伸展狀態下覆蓋在整體聲學超材料板框架上，并進行固定連接，最后在薄 膜上進行打孔;此時各聲學超材料結構基本單元共用同樣材料同樣厚度的薄膜;優選通過 銑削、鑄造、沖壓、激光切割或3D打印技術加工成一體成型的單元框架或整體聲學超材料板 框架，或者通過銑削、鑄造、沖壓、激光切割或3D打印技術制造出有孔約束體預制件和邊框 預制件;優選固定連接為膠粘、熱焊接或機械鉚接。
[0036] 本發明還提供一種裝配所述聲學超材料復合結構的方法，將多孔材料制造成小塊 單元填充進所述的聲學超材料結構單元的邊框與有孔約束體之間的空隙，然后將一整塊普 通聲學材料板預先打孔或將其與所述的聲學超材料板配合打孔后，將其彼此接觸并固定連 接得到;優選通過筑模、剪裁、沖壓方式制成多孔材料小塊單元;優選所述普通聲學材料板 與聲學超材料板之間的接觸方式采用直接接觸或者通過彈性墊支承，以隔離不同聲學材料 板之間的振動傳遞;優選固定連接為膠粘、熱焊接或機械鉚接。
[0037] 進一步地，本發明更具體的技術方案如下：
[0038] -種聲學超材料結構單元，其特征在于，其包括邊框、在所述的邊框內設置有有孔 的約束體，在邊框的至少一個表面上覆蓋有穿孔柔性薄膜。其中，所述的邊框和其內的有孔 約束體通過剛性連接桿連接，穿孔柔性薄膜覆蓋在邊框側面，并受約束體約束。其中，所述 邊框內至少有一個有孔的約束體。其中，所述邊框的兩個側面均覆蓋有穿孔柔性薄膜;優選 兩層穿孔柔性薄膜的厚度及材料不相同。其中，在兩層穿孔柔性薄膜中間填充多孔材料;優 選所述多孔材料為玻璃纖維棉或開閉孔泡沫。其中，所述的邊框的形狀使其在單元面內周 期陣列時可實現最大面積占比；優選形狀是矩形、正方形或正六邊形。其中，所述的有孔的 約束體與邊框的至少一個表面齊平。其中，所述的有孔約束體與柔性薄膜線接觸或面接觸； 優選接觸形成的形狀是對稱規則的幾何形狀;更優選所述的幾何形狀為圓形、正方形或正 多邊形。其中，所述的約束體上孔的形狀為對稱規則的幾何形狀，優選所述的幾何形狀為圓 形。其中，所述的約束體上孔的大小視通過的流體流量以及隔聲工作頻段而定。其中，所述 的邊框和有孔約束體的材料分別為鋁材、鋼材、木材、橡膠、塑料、玻璃、石膏、水泥、高分子 聚合物或復合纖維材料。其中所述的穿孔柔性薄膜的材料為柔性材料;所述薄膜的材料為 高分子聚合物薄膜材料，如聚氯乙烯膜、聚乙烯膜、聚醚酰亞胺膜等，或金屬薄膜，如鋁及鋁 合金膜、鈦及鈦合金膜等，或彈性薄膜，如橡膠膜、硅膠膜、乳膠膜等。其中，所述的穿孔柔性 薄膜的孔形狀與大小不受約束體上孔的形狀和大小限制，優選的是兩者形狀和大小一致。
[0039] 更具體地，本發明還提供一種由所述聲學超材料結構單元面內方向組合拼接而成 的聲學超材料板。其中，所述聲學超材料結構單元的幾何尺寸和材料參數不嚴格限制相同。 本發明還提供一種由所述的聲學超材料板與普通聲學材料組合構成的聲學復合結構。其 中，所述的普通聲學材料可以為多孔材料，如玻璃纖維棉或開閉孔泡沫，普通穿孔板或微穿 孔板，阻尼材料板等。本發明還提供一種由多層所述的聲學超材料板面外方向縱向堆疊而 成的聲學超材料復合板。其中，所述多層聲學超材料板的幾何尺寸和材料參數不嚴格限制 相同。其中，所述多層聲學超材料板之間的空隙可以填充多孔材料，利用相鄰兩層聲學超材 料板產生的近場波來回反射提高該區域的聲能密度，進而提高多孔材料的吸聲效率，最終 提高整體復合板的隔聲性能。本發明還提供一種調節所述聲學超材料結構單元，所述聲學 超材料板及所述聲學超材料復合板的工作頻段的方法，其特征在于，通過改變所述聲學超 材料結構單元的邊框、約束體、約束體孔、柔性薄膜及柔性薄膜孔的結構尺寸或材料參數來 實現可調的工作頻率。本發明還提供一種裝配所述聲學超材料板的方法，將所述的聲學超 材料結構單元邊框直接剛性或柔性連接，或者采用楔形連接件組合成具有一定曲度的聲學 超材料板。
[0040] 與現有技術相比，本發明的有益效果：
[0041] 1)所述的聲學超材料結構單元含有孔，其大小可根據通過流體的流量以及需要隔 聲的主要頻段確定，能夠保證足量熱流、氣流或液流順利通過的同時，在機電噪聲能量的主 要頻段，如數百赫茲，具有工作頻帶較寬的優良隔聲性能。
[0042] 2)所述的聲學超材料結構單元不需要安裝配重質量塊/重物，不會發生配重質量 塊/重物工作過程中的意外脫落形成異物甚至危及內部設備安全運作的情況，使得隔聲材 料的工作穩定性加強，服役時間增長。由于簡化了裝配工藝，成本進一步壓縮，有更強的市 場競爭力。
[0043] 3)所述的聲學超材料結構單元亦不同于簡單的無配重質量塊/重物的均勻薄膜聲 學超材料(美國專利:US20140339014A1)。通過與邊框剛性相連的約束體調節柔性薄膜的彎 曲剛度，進而改變整體單元的振動頻率。換言之，約束體的使用可以有選擇性的抑制和創造 柔性薄膜的特定階振動模式，增加了單元表面豎直方向的設計自由度。
[0044] 4)所述的聲學超材料結構單元，一方面通過自身結構在聲波激勵下的振動提高孔 兩側介質的熱量擴散速率;另一方面，當有流體通過時，結構單元的振動可以阻礙熱邊界層 和速度邊界層的形成，能夠增加熱源貼壁處的流體湍流度，從而加快了換熱效率。
[0045] 5)所述的聲學超材料結構單元可獨立工作，聲學性能由自身基本單元或廣義單元 決定，可以進行模塊化組合拼接裝配形成多種形狀的聲學超材料板。所述的邊框和有孔約 束體可采用筑模、沖壓、化學腐蝕等批量化加工工藝，加工難度小。
[0046] 6)在裝配所述的聲學超材料單元時，將薄膜在自由伸展狀態下覆蓋在單元框架 上，避免了薄膜在承受預拉力狀態下進行裝配后，隨著工作時間增長及工作狀態的變化，薄 膜面內儲存的預拉力釋放造成的工作頻段漂移現象。
[0047] 7)所述的聲學超材料板可以進行面外縱向堆疊形成聲學超材料復合板，顯著拓寬 整體聲學超材料復合板的有效工作帶寬，從而以極小的面密度和空間代價，實現寬頻段內 優秀的降噪效果。
[0048] 8)所述的聲學超材料板及其復合板上的孔大小及分布情況可根據需要通過流體 的流量分布以及需要隔聲的噪聲源發出的噪聲頻段分布進行針對性設計，具有優秀的可定 制性。
[0049] 9)由于每塊構成聲學超材料板及其復合板的聲學超材料結構單元無需安裝配重 質量塊/重物，并且采用剛性連接桿連接約束體和邊框，從而強化了整體板的支撐強度，因 此所述的聲學超材料板及其復合板可以直接用于制作外殼結構，無需附著壁面。
[0050] 10)本發明通過將聲學超材料單元的薄膜和約束體上設置有孔，通過孔的聲波與 薄膜反彈聲波在遠場正負抵消實現低頻段高隔聲量，并且通過將工作在不同頻率的聲學超 材料單元面內陣列組合、面外縱向堆疊以及與普通聲學材料板進行組合構成聲學復合結構 的方式，顯著拓寬隔聲工作帶寬；同時地，通過所設置的孔可以實現流體的自由通過，并且 充分利用薄膜在聲波激勵和/或流場激勵下產生的振動達到了良好的熱擴散速率和換熱效 率，最終同時達到寬頻隔聲效果好且具有散熱通流的效果。也就是說，本發明創造性地將聲 學超材料單元的薄膜和框內約束體上設置有孔，巧妙地解決了寬頻隔聲同時散熱通流的技 術問題，這是本領域技術人員一直渴望解決而沒有解決的技術難題。
【附圖說明】
[0051] 圖1為本發明聲學超材料結構單元及其面內陣列形成的聲學超材料板示意圖。
[0052] 圖2為本發明實施例1聲學超材料結構單元及其面內陣列形成的基本型聲學超材 料板示意圖。
[0053]圖3為本發明實施例1所述的基本型聲學超材料板在通風對流情況下的穩定態溫 度場分布有限元仿真計算結果。
[0054]圖4為本發明實施例1所述的聲學超材料結構單元、同等面密度且具有同樣大小孔 的普通穿孔板和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板的法向入射傳聲損失（Sound Transmission Loss，簡寫為STL)有限元仿真計算模型示意圖。
[0055] 圖5為本發明實施例1所述的聲學超材料結構單元、同等面密度且具有同樣大小孔 的普通穿孔板單元和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元的法向入射傳聲損失有限元 仿真計算結果對比圖。
[0056] 圖6為本發明實施例1所述的聲學超材料結構單元、同等面密度且具有同樣大小孔 的普通穿孔板單元和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元在440Hz頻率聲波激勵條件 下，入射空腔和透射空腔的空氣粒子速度方向的有限元仿真結果。
[0057]圖7為根據ASTM E2611-09標準采用四傳聲器法測量聲學材料樣品的法向入射傳 聲損失的聲阻抗管測試系統示意圖。
[0058]圖8為本發明實施例1所述的基本型聲學超材料板樣品、同等面密度且具有同樣大 小孔的普通穿孔板樣品和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板樣品的法向入射傳聲損失試 驗測量結果與有限元仿真計算結果的對比圖。
[0059]圖9為本發明實施例2聲學超材料結構單元及其面內陣列形成的輕薄型聲學超材 料板示意圖。
[0060] 圖10為本發明實施例2所述的輕薄型聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗 測量結果。
[0061] 圖11為本發明實施例3聲學超材料結構單元及其面內陣列形成的含不同參數單元 的聲學超材料板示意圖。
[0062] 圖12為本發明實施例3所述的含不同參數單元的聲學超材料板樣品的法向入射傳 聲損失試驗測量結果。
[0063] 圖13為本發明實施例4聲學超材料結構單元及其面內陣列形成的含大尺寸孔的聲 學超材料板示意圖。
[0064] 圖14為本發明實施例4所述的含大尺寸孔的聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損 失試驗測量結果。
[0065] 圖15為本發明實施例4派生出的兩類含大尺寸孔的聲學超材料結構單元示意圖。
[0066] 圖16為本發明實施例5具有不同結構形式邊框及約束體連接桿的聲學超材料結構 單元結構示意圖。
[0067] 圖17為本發明實施例5所述的具有圓形邊框及單臂約束體連接桿的聲學超材料結 構單元及其面內陣列形成的聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗測量結果。
[0068] 圖18為本發明實施例6雙面貼膜聲學超材料結構單元示意圖。
[0069]圖19為在本發明實施例6所述的雙面貼膜聲學超材料結構單元基礎上，在兩塊穿 孔柔性薄膜之間的空隙填充多孔材料構成的聲學超材料結構單元示意圖。
[0070] 圖20為本發明實施例6所述的雙面貼膜聲學超材料結構單元面內陣列形成的聲學 超材料板樣品與實施例1所述的單面貼膜的基本型聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損 失試驗測量結果對比圖。
[0071] 圖21為本發明實施例6所述的雙面貼膜聲學超材料結構單元面內陣列形成的聲學 超材料板樣品與實施例6所述的雙面貼膜并填充多孔材料聲學超材料結構單元面內陣列形 成的聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗測量結果對比圖。
[0072] 圖22為在本發明實施例7強化傳熱聲學超材料結構單元的第一種構型示意圖。
[0073] 圖23為在本發明實施例7強化傳熱聲學超材料結構單元的第二種構型示意圖。 [0074]圖24為在本發明實施例7強化傳熱聲學超材料結構單元的第三種構型示意圖。
[0075] 圖25為本發明實施例7所述的第一種構型的強化傳熱聲學超材料結構單元面內陣 列形成的聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗測量結果。
[0076] 圖26為本發明實施例8聲學超材料板與普通聲學材料組合構成的聲學復合結構示 意圖。
[0077] 圖27為本發明實施例8所述的聲學超材料板與多孔材料組合構成的聲學復合結構 樣品的法向入射傳聲損失試驗測量結果。
[0078] 圖28為本發明實施例9兩層聲學超材料板中間拉開一定間距后構成的聲學超材料 復合板示意圖。
[0079]圖29為本發明實施例9所述的兩層聲學超材料板中間拉開一定間距后，在該間距 內插入一層多孔材料，最終構成的聲學超材料復合板示意圖。
[0080]圖30為本發明實施例9所述的聲學超材料復合板樣品的法向入射傳聲損失試驗測 量結果。
[0081 ]圖31為本發明實施例10所述的曲面形狀聲學超材料板示意圖。
[0082]其中，1-聲學超材料結構單元，2-邊框，3-有孔約束體，4-約束體孔，5-連接桿，6-穿孔柔性薄膜，7-薄膜孔，8-實施例1所述的基本型聲學超材料板邊框，9-實施例1所述的整 張穿孔柔性薄膜，10-實施例1所述的薄膜孔，11-實施例1所述的有孔約束體，12-實施例1所 述的約束體孔，13-實施例1所述的雙臂連接桿，14-實施例1所述的聲學超材料結構單元， 15-實施例1所述的基本型聲學超材料板，16-熱源室，17-透熱室，18-熱源，19-空氣流入方 向，20-同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板單元，21-同等面密度且具有同樣穿孔 率的微穿孔板單元，22-入射聲腔，23-透射聲腔，24-聲阻抗管聲源，25-聲阻抗管入射聲管， 26-聲阻抗管透射聲管，27-聲阻抗管末端吸音尖劈，28-傳聲器固定端子，29-傳聲器，30-測 試樣品，31-入射聲波，32-實施例2所述的輕薄型聲學超材料板邊框，33-實施例2所述的整 張穿孔柔性薄膜，34-實施例2所述的薄膜孔，35-實施例2所述的有孔約束體，36-實施例2所 述的約束體孔，37-實施例2所述的雙臂連接桿，38-實施例2所述的聲學超材料結構單元， 39-實施例3所述的含不同參數單元的聲學超材料板邊框，40-實施例3所述的整張穿孔柔性 薄膜，41-實施例3所述的薄膜孔，42-實施例3所述的有孔約束體，43-實施例3所述的約束體 孔，44-實施例3所述的雙臂連接桿，45-實施例3所述的聲學超材料結構單元，46-實施例4所 述的含大尺寸孔的聲學超材料板邊框，47-實施例4所述的約束體大尺寸孔，48-實施例4所 述的含小尺寸孔約束體，49-實施例4所述的約束體小尺寸孔，50-實施例4所述的雙臂連接 桿，51-實施例4所述的基本聲學超材料結構單元，52-實施例4所述的整張穿孔柔性薄膜， 53-實施例4所述的薄膜小尺寸孔，54-實施例4所述的薄膜大尺寸孔，55-實施例4所述的廣 義聲學超材料結構單元的邊框，56-實施例4所述的廣義聲學超材料結構單元的有孔約束 體，57-實施例4所述的廣義聲學超材料結構單元的連接桿，58-實施例4所述的廣義聲學超 材料結構單元，59-實施例4派生出的一類廣義聲學超材料結構單元邊框，60-實施例4派生 出的一類廣義聲學超材料結構單元的有孔約束體，61-實施例4派生出的一類廣義聲學超材 料結構單元的約束體孔，62-實施例4派生出的一類廣義聲學超材料結構單元的第一種形式 的連接桿，63-實施例4派生出的一類廣義聲學超材料結構單元的穿孔柔性薄膜，64-實施例 4派生出的一類廣義聲學超材料結構單元的薄膜孔，65-實施例4派生出的一類廣義聲學超 材料結構單元的第二種形式的連接桿，66-實施例5所述的圓形邊框，67-實施例5所述的約 束體孔，68-實施例5所述的約束體，69-實施例5所述的雙臂連接桿，70-實施例5所述的正六 邊形邊框，71-實施例5所述的單臂連接桿，72-實施例5所述的長方形邊框，73-實施例6所述 的雙面貼膜聲學超材料結構單元邊框，74-實施例6所述的第一層穿孔柔性薄膜，75-實施 例6所述的第二層穿孔柔性薄膜，76-實施例6所述的第一層穿孔柔性薄膜孔，77-實施例6所 述的第二層穿孔柔性薄膜孔，78-實施例6所述的有孔約束體，79-實施例6所述的雙臂連接 桿，80-空腔間隙，81-實施例6所述的約束體孔，82-實施例6所述的多孔材料，83-實施例6所 述的多孔材料孔，84-實施例7所述的強化傳熱聲學超材料結構單元邊框，85-實施例7所述 的第一層穿孔柔性薄膜，86-實施例7所述的第二層穿孔柔性薄膜，87-實施例7所述的第二 層穿孔柔性薄膜孔，88-實施例7所述的第二層穿孔柔性薄膜上的附加圓形孔，89-實施例7 所述的第一層穿孔柔性薄膜孔，90-實施例7所述的有孔約束體，91-實施例7所述的約束體 孔，92-實施例7所述的雙臂連接桿，93-實施例7所述的第二層穿孔柔性薄膜上的附加不同 形狀不同大小的孔，94-實施例7所述的彈性膜片，95-實施例8所述的聲學超材料板框架， 96-實施例8所述的聲學超材料板的整塊穿孔薄膜，97-實施例8所述的普通聲學材料，98-實 施例9所述的第一層聲學超材料板框架，99-實施例9所述的第一層聲學超材料板的整塊穿 孔薄膜，100-實施例9所述的第二層聲學超材料板的框架，101-實施例9所述的第二層聲學 超材料板的整塊穿孔薄膜，102-兩層普通聲學材料及其之間的空氣間隙，103-實施例9所述 的多孔材料，104-實施例10所述的曲面形狀聲學超材料基本單元，105-實施例10所述的楔 形連接件。
【具體實施方式】
[0083]為了充分說明本發明解決技術問題所實施使用的技術方案。下面結合實施例和附 圖對發明做詳細說明，但本發明的技術方案、技術方案的實施方式以及保護范圍并不僅僅 限于此。
[0084] 本發明所述聲學超材料一般是指:其是人工設計的一種微觀結構，具有自然界普 通材料無法實現的聲學特性，如控制低頻聲波所需的"負質量"、"負體積模量"特性等，本領 域認為聲學超材料是一種結構形式，其構成材料仍是普通材料，所述聲學超材料是本領域 技術人員公知的。
[0085] 本發明提供一種隔聲透氣且強化傳熱的聲學超材料結構單元，所述的聲學超材料 結構單元包括邊框、至少一個有孔約束體和至少一個側面鋪貼穿孔柔性薄膜。所述的多個 聲學超材料結構單元在面內方向組合拼接分布形成聲學超材料板，優選的是多個聲學超材 料結構單元的構成尺寸及材料參數不一致。所述的聲學超材料板可以與普通聲學材料組合 構成聲學復合結構。所述的多層聲學超材料板可以進行面外縱向堆疊形成聲學超材料復合 板，優選的是多層聲學超材料板的構成尺寸及材料參數不一致。
[0086] 所述的邊框和有孔約束體通過剛性連接桿連接，剛性連接桿不限制形狀和數量， 穿孔柔性薄膜覆蓋在邊框之上，并受有孔約束體的輪廓約束。優選的是，所述的有孔約束體 與邊框的至少一個表面齊平。
[0087]所述的邊框不限制形狀，優選的是矩形、正方形或正六邊形等可以在單元面內周 期陣列時實現最大面積占比的形狀。
[0088] 所述的有孔約束體與所述的穿孔柔性薄膜線接觸或面接觸;優選接觸形成的形狀 是對稱規則的幾何形狀;更優選所述的幾何形狀為圓形、正方形或正多邊形。
[0089] 所述的有孔約束體不限制數量。至少有一個有孔的約束體，該約束體通常安置在 邊框內無約束體時結構單元共振振動模式的振幅最大區域附近。例如:邊框幾何形狀對稱 的無約束體結構單元產生第一個共振振動模式時，中心區域的振幅最大。本發明采用與邊 框剛性相連的約束體調節柔性薄膜的彎曲剛度，進而改變整體單元的振動頻率。換言之，約 束體的引入可以有選擇性的抑制和創造柔性薄膜的特定階振動模式，增加了聲學超材料結 構單元面外方向的設計自由度。
[0090] 所述的約束體上孔的形狀為對稱規則的幾何形狀，優選所述的幾何形狀為圓形， 一方面基于工藝性考慮，另一方面基于流體的通過速率考慮。所述約束體上孔的大小視通 過的流體流量以及隔聲工作頻段而定。例如對通流效率要求較高的場合，孔的大小應足夠 大，從而盡量減少流量損耗和壓降影響;對隔聲工作頻段傾向于低頻的場合，在保證邊框和 薄膜的幾何尺寸和材料參數不變的前提下，小尺寸孔使得隔聲工作頻段趨向于低頻。
[0091 ]所述的邊框和有孔約束體由鋁材、鋼材、木材、橡膠、塑料、玻璃、水泥、高分子聚合 物或復合纖維材料制成，用于滿足結構自身支撐強度及工作頻段的結構剛性要求。
[0092]所述的穿孔柔性薄膜可以是任何適當柔軟的材料，例如類似橡膠的彈性材料或者 類似鋁及鋁合金膜的金屬薄膜，或者類似聚氯乙烯、聚乙烯和聚醚酰亞胺等的高分子聚合 物薄膜材料。
[0093] 所述的穿孔柔性薄膜在與邊框和有孔約束體連接時，不需要施加一定的預拉力， 柔性薄膜在自由伸展狀態下即可完成裝配。柔性薄膜上的孔可以預先加工，或者鋪貼好后 再進行穿孔加工。
[0094] 所述的聲學超材料結構單元可以通過改變所述的邊框、約束體、約束體孔、柔性薄 膜及柔性薄膜孔的結構尺寸或材料參數來實現工作頻率的精確設計，實現材料的流體通過 速率和隔聲工作頻段的可定制。例如：當需要聲學超材料單元工作在低頻段時，選擇小的通 孔或者采用大尺寸的邊框，小直徑的約束體，更薄的柔性薄膜或彎曲楊氏模量更小的柔性 薄膜;反之，當需要聲學超材料單元工作在高頻段時，則選擇大的通孔或者采用小尺寸的邊 框，大直徑的約束體，更厚的柔性薄膜或彎曲楊氏模量更大的柔性薄膜。
[0095] 對于邊框厚度較大的聲學超材料結構單元，為了充分利用現有結構的空間，并且 更好地提高降噪效果。所述的邊框兩個側表面均可覆蓋穿孔柔性薄膜，而且兩層薄膜的厚 度及材料參數均可不同，從而能夠同時實現兩種不同的主要工作頻段。此外，兩層薄膜中間 可填充多孔材料，如玻璃纖維棉、開閉孔泡沫等，進一步提升整體結構的吸聲耗能性能。
[0096] 所述的聲學超材料結構單元，一方面通過自身結構在聲波激勵下的振動提高孔兩 側介質的熱量擴散速率;另一方面，當有流體通過時，結構單元的振動可以阻礙熱邊界層和 速度邊界層的形成，能夠增加熱源貼壁處的流體湍流度，從而加快換熱效率。此外，通過在 一塊聲學超材料結構單元的另一個側面鋪貼具有多個相同大小圓形穿孔、具有多個不同形 狀和尺寸穿孔的柔性薄膜或多個柔性膜片進一步增加附近流場的湍流度。
[0097] 所述的聲學超材料結構單元面內方向組合拼接可形成聲學超材料板。構成聲學超 材料板的聲學超材料結構單元，其幾何尺寸和材料參數不嚴格限制相同。所述的聲學超材 料結構單元邊框可以直接剛性或柔性連接，或者采用楔形連接件組合成具有一定曲度的聲 學超材料板，可滿足實際工程應用中的非平直面的安裝要求。
[0098] 所述的聲學超材料板與普通聲學材料組合可構成聲學復合結構。其中，所述的普 通聲學材料可以為多孔材料(如玻璃纖維棉或開閉孔泡沫），普通穿孔板或微穿孔板，阻尼 材料板等。普通聲學材料的引入可在不同程度上拓寬原聲學超材料板的工作帶寬。
[0099]由多層所述的聲學超材料板面外方向縱向堆疊可形成聲學超材料復合板。所述多 層聲學超材料板的幾何尺寸和材料參數不嚴格限制相同。所述的多層聲學超材料板之間的 空隙可以填充多孔材料，如玻璃纖維棉、開閉孔泡沫等，利用相鄰兩層聲學超材料板產生的 近場波來回反射提高該區域的聲能密度，進而提高多孔材料的吸聲效率，因此所述的多孔 材料自身的吸聲系數在低頻段無需很大，其特征阻抗與薄膜的阻抗盡量匹配，從而避免聲 波無法有效進入多孔材料，并且要考慮填充的多孔材料對薄膜彎曲振動剛度帶來的影響， 修正原有設計的聲學超材料結構單元的工作頻率。
[0100]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行說明。
[0101] 圖1是本發明的一個【具體實施方式】，其是聲學超材料結構單元及其面內陣列形成 的基本型聲學超材料板，作為陣列基本元素的聲學超材料結構單元（1)的幾何尺寸各不相 同，由每個結構單元包含邊框(2)，有孔約束體(3)，有孔約束體與邊框的雙臂連接桿(5)連 接而成。在聲學超材料結構單元的上表面覆蓋有穿孔柔性薄膜(6)，穿孔柔性薄膜(6)有薄 膜孔(7)，有孔約束體(3)上設置有約束體孔(4)。
[0102] 圖2為本發明實施例1所述的聲學超材料結構單元及其面內陣列形成的基本型聲 學超材料板示意圖。其中，作為陣列基本元素的聲學超材料結構單元（14)的幾何尺寸完全 相同，由每個單元內部的約束體（11 )，約束體孔（12 )，約束體與邊框的雙臂連接桿（13)構 成。整張連續的穿孔柔性薄膜(9)在不施加任何預張力條件下，自由伸展平鋪貼在邊框(8) 一側，薄膜上孔(10)的直徑與約束體孔（12)相一致。其中，聲學超材料結構單元(14)的邊框 為正方形，內邊長為27mm，外邊長為29mm，厚度為5mm;有孔約束體（11)的外輪廓直徑為 l〇mm，約束體上孔12的直徑為5mm;穿孔柔性薄膜(9)的厚度為0.05mm，其上孔10的直徑亦為 5_;約束體與邊框的雙臂連接桿(13)為矩形截面，寬4_，高3mm。邊框(8)、有孔約束體(11) 以及雙臂連接桿（13)的材料相同，均為FR-4玻璃纖維；穿孔柔性薄膜(9)的材質為聚醚酰 亞胺（Polyetherimide) 〇
[0103] 圖3為本發明實施例1所述的基本型聲學超材料板（15)在通風對流情況下的穩定 態溫度場分布有限元仿真計算結果。其中，在有限元仿真模型中以白色圓柱體（18)定義為 熱源(Heat Source)，其總功率為10W，白色箭頭（19)表示為空氣入口方向，該截面的初始溫 度設定為20°C，空氣的平均流速為0.2m/s，模型中還包括熱源室（16)和透熱室（17)，兩個室 除了基本型聲學超材料板15所在的面之外，其余面均設置為絕熱壁面。從有限元計算結果 可知，溫度場的最高溫度為25°C，大部分區域的溫度都在室溫（20°C)附近，表明實施例1所 述的基本型聲學超材料板的通風散熱性能良好，熱量不會一直積聚在熱源周圍。因此，在絕 熱封閉腔體的一個側面安裝實施例1所述的基本型聲學超材料板不存在散熱障礙。
[0104] 圖4是本發明實施例1所述的聲學超材料結構單元（14)、同等面密度且具有同樣大 小孔的普通穿孔板單元(20)和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)的法向入射傳 聲損失(Sound Transmission Loss,簡寫為STL)有限元仿真計算模型示意圖。其中，在有限 元建模時，三種結構單元的前后側分別布置入射聲腔(22)和透射聲腔(23)，入射聲波P 1W 入射聲腔的一端打到結構單元之上，產生反射聲波Pr和透射聲波Pt。結構單元的法向入射傳 聲損失則通過STL = 201〇g1Q I PJPt I計算得出。在有限元模型中，同等面密度且具有同樣大 小孔的普通穿孔板單元(20)的厚度為1.2mm，材質為6063牌號鋁合金，孔直徑為5mm。同等面 密度同樣穿孔率的微穿孔板單元21的厚度為1.2mm，材質為6063牌號鋁合金，單個孔的直徑 為1mm。三種結構單元的面密度為3.56kg/m 2，穿孔率均為2.33 %。
[0105] 圖5是本發明實施例1所述的聲學超材料結構單元（14)、同等面密度且具有同樣大 小孔的普通穿孔板單元(20)和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)的法向入射傳 聲損失(Sound Transmission Loss,簡寫為STL)有限元仿真計算結果對比圖。其中，實線對 應聲學超材料結構單元14;虛線對應同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板單元20; 點線對應同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)。據圖可知，在680Hz以下頻段內，聲 學超材料結構單元（14)的法向入射傳聲損失高于同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿 孔板單元(20);在880Hz以下頻段內，聲學超材料結構單元（14)的法向入射傳聲損失高于同 等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21);此外，聲學超材料結構單元（14)的法向入射傳 聲損失曲線在440Hz出現了一個明顯的尖峰，STL值達到17dB，該尖峰對應的STL值高于同等 面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板單元(20)約14dB，高于同等面密度同樣穿孔率的微 穿孔板單元(21)約15.4dB。另外，從圖中還可以看出同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單 元21的低頻隔聲性能最差，其原因在于單純的微穿孔板結構由于缺少背板結構，從而無法 形成亥姆霍茲共振吸聲體，無法實現有效的聲腔共振摩擦耗能。
[0106] 圖6為本發明實施例1所述的聲學超材料結構單元（14)、同等面密度且具有同樣大 小孔的普通穿孔板單元(20)和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)在440Hz頻率聲 波激勵條件下，入射空腔和透射空腔內的空氣粒子速度方向的有限元仿真結果。其中，圖6 (a)對應實施例1所述的聲學超材料單元（14)的結果；圖6(b)對應同等面密度且具有同樣大 小通孔的普通穿孔板單元(20)的結果；圖6(c)對應同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元 (21)的結果。
[0107] 圖7為本發明按照ASTM(美國材料與試驗協會，American Society for Testing and Materials)標準E2611-09: "Standard test method for measurement of normal incidence sound transmission of acoustical materials based on the transfer matrix method"，采用四傳聲器法測試聲學材料樣品的法向入射傳聲損失的聲阻抗管測試 系統示意圖。圖中，聲阻抗管由入射聲管(25)和透射聲管(26)組成，在入射聲管(25)的端部 安置聲源(24)，其產生的寬頻白噪聲激勵聲波(31)在到達測試樣品（30)之前已經發展成波 前幅值趨于一致的平面聲波;而在透射聲管(26)的端部安置足夠長的吸音尖劈(27)以盡量 減少聲波的多次反射對測試結果的影響。此外，位于測試樣品30兩側，共開有四個傳聲器固 定端子(28)，其內插入傳聲器(29)(型號4187，Brii el&Kjier)，兩兩分列于入射聲管（25)和 透射聲管（26)之上。該測試系統的有效測試頻段為70Hz~890Hz，涵蓋中心頻率為80Hz~ 800Hz的三分之一倍頻程頻段，該頻帶以外頻率上隔聲曲線的中心線依然能夠較真實的反 映樣品的隔聲水平。
[0108] 圖8為本發明實施例1所述的基本型聲學超材料板樣品、同等面密度且具有同樣大 小孔的普通穿孔板樣品和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板樣品的法向入射傳聲損失試 驗測量結果與有限元仿真計算結果的對比圖。其中，圖8(a)為實施例1所述的基本型聲學超 材料板樣品對應結果；圖8(b)為同等面密度且具有同樣大小通孔的普通穿孔板樣品對應結 果;圖8(c)為同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板樣品對應結果。
[0109] 圖9為本發明實施例2聲學超材料結構單元及其面內陣列形成的輕薄型聲學超材 料板示意圖。其中，作為陣列基本元素的聲學超材料結構單元38的結構尺寸完全相同，其在 結構形式上與實施例1的最大區別之處在于，該聲學超材料結構單元（38)的有孔約束體 (35)與邊框(32)連接采用的雙臂連接桿(37)與邊框(32)的厚度齊平。由于該聲學超材料結 構單元不再考慮連接桿(37)的沉面設計，不但進一步簡化了加工復雜程度，而且可以將整 體聲學超材料板的厚度做到更薄。
[0110]該實施例中聲學超材料結構單元(38)的邊框為正方形，內邊長為35mm，外框(32) 的寬度為3mm，厚度為1.5mm;有孔約束體(35)的外輪廓直徑為12mm，約束體上孔36的直徑為 7mm;整張連續的穿孔柔性薄膜(33)，厚度為0.05_，在不施加任何預張力條件下，自由伸展 平鋪貼在邊框(32)-側，薄膜上孔(34)的直徑與約束體孔(36)的直徑一致，即7mm;約束體 (35)與邊框(32)剛連所采用的雙臂連接桿(37)為矩形截面，寬度為3mm，厚度為1.5mm。邊框 (32)、有孔約束體(35)以及雙臂連接桿(37)的材料相同，均為Q235A牌號普通碳素鋼；穿孔 柔性薄膜的材質為聚醚酰亞胺。該實施例所述的輕薄型聲學超材料板的面密度為4.20kg/ m2,穿孔率為3.48 %。
[0111] 圖10為本發明實施例2所述的輕薄型聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損失的試 驗測量結果，樣品照片位于圖中右側，其外圓直徑為225_。
[0112] 圖11為本發明實施例3所述的聲學超材料結構單元及其面內陣列形成的含不同參 數單元的聲學超材料板示意圖。其中，作為陣列基本元素的聲學超材料結構單元的結構尺 寸不完全相同，其內部約束體的直徑及約束體上孔的直徑不一。以某一聲學超材料結構單 元(45)為例，該聲學超材料結構單元(45)的有孔約束體(42)與邊框(39)連接采用的雙臂連 接桿(44)與邊框(39)厚度齊平，結構形式與實施例2所述的輕薄型聲學超材料結構單元38 類似。
[0113] 圖12為本發明實施例3所述的含不同參數單元的聲學超材料板樣品的法向入射傳 聲損失的試驗測量結果，樣品照片位于圖中右側，其外圓直徑為225_。
[0114] 圖13為本發明實施例4所述的聲學超材料結構單元及其面內陣列形成的含大尺寸 孔的聲學超材料板示意圖。
[0115] 圖14為本發明實施例4所述的含大尺寸孔的聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損 失試驗測量結果，樣品照片位于圖中左側，其外圓直徑為225_。
[0116] 圖15為本發明實施例4派生出的兩類含大尺寸孔的聲學超材料結構單元示意圖。 其中，圖15(a)中的含大尺寸通孔的約束體為實施例4中對應單元的內邊框僅保留左、右兩 邊與整體單元的邊框連接;圖15(b)中的含大尺寸通孔的約束體則為實施例4中對應單元的 內邊框保留上、下、左、右四邊與整體單元的邊框連接。
[0117] 圖16為本發明實施例5具有不同結構形式邊框及約束體連接桿的聲學超材料結構 單元結構示意圖。其中，圖16(a)中的邊框為圓形，含通孔約束體通過雙臂連接桿與邊框相 連;圖16(b)中的邊框為正六邊形，含通孔約束體通過雙臂連接桿與邊框相連;圖16(c)中的 邊框為圓形，含通孔約束體通過單臂連接桿與邊框相連；圖16(d)中的邊框為正六邊形，含 通孔約束體通過單臂連接桿與邊框相連；圖16(e)中將原本相鄰的兩個正方形單元打通，使 得邊框成為一個長方形結構，所述的兩個含通孔約束體分別通過單臂連接桿與邊框相連。
[0118] 圖17為本發明實施例5所述的具有圓形邊框及單臂約束體連接桿的聲學超材料結 構單元(結構形式如圖16(c)所示)及其面內陣列形成的聲學超材料板樣品的法向入射傳聲 損失試驗測量結果。
[0119] 圖18為本發明實施例6所述的雙面貼膜聲學超材料結構單元示意圖，其中18(a)為 單元側剖視圖；圖18(b)為該單元的爆炸視圖。
[0120] 圖19為在圖18中所述的本發明實施例6的基礎上，在第一穿孔柔性薄膜(74)和第 二穿孔柔性薄膜(75)之間的空隙填充多孔材料(82)的結構示意圖，其中19(a)為單元側剖 視圖；圖19(b)為該單元的爆炸視圖。
[0121] 圖20為本發明實施例6所述的雙面貼膜聲學超材料結構單元面內陣列形成的聲學 超材料板樣品與實施例1所述的單面貼膜的基本型聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損失 試驗測量結果對比圖。其中，空心圓圈代表實施例1所述的單面貼膜的基本型聲學超材料板 樣品的結果;實線代表實施例6所述的雙面貼膜聲學超材料板樣品的結果。
[0122] 圖21為本發明實施例6所述的雙面貼膜聲學超材料結構單元面內陣列形成的聲學 超材料板樣品與實施例6所述的雙面貼膜并填充多孔材料聲學超材料結構單元面內陣列形 成的聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗測量結果對比圖。
[0123] 圖22為在本發明實施例7強化傳熱聲學超材料結構單元的第一種構型示意圖。其 在一塊聲學超材料單元的另一個側面鋪貼穿孔柔性薄膜，其上具有多個相同或不同大小的 圓形通孔，在不影響該聲學超材料單元隔聲性能的同時，通過在柔性薄膜上增加穿孔加強 附近流場的湍流度，其中22(a)為單元等軸測視圖；圖22(b)為該單元的爆炸視圖。
[0124] 圖23為在本發明實施例7強化傳熱聲學超材料結構單元的第二種構型示意圖。其 在一塊聲學超材料單元的另一個側面鋪貼穿孔柔性薄膜，其上具有多個不同形狀和不同大 小的通孔，在不影響該聲學超材料單元隔聲性能的同時，通過在柔性薄膜上穿不同形狀和 不同大小的孔進一步增加附近流場的湍流度，其中23(a)為單元等軸測視圖；圖23(b)為該 單元的爆炸視圖。
[0125] 圖24為在本發明實施例7強化傳熱聲學超材料結構單元的第三種構型示意圖。其 在一塊聲學超材料單元的另一個側面貼有多個彈性膜片，在不影響該聲學超材料單元隔聲 性能的同時，通過彈性膜片在入射聲波激勵下產生的擺動或振動增加附近流場的湍流度或 流體速度，其中24(a)為單元等軸測視圖；圖24(b)為該單元的爆炸視圖。
[0126] 圖25為本發明實施例7所述的第一種構型的強化傳熱聲學超材料結構單元面內陣 列形成的聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗測量結果，樣品照片位于圖中右側， 其外圓直徑為225_。
[0127] 圖26為本發明實施例8所述的聲學超材料板與普通聲學材料組合構成的聲學復合 結構的示意圖。其是在聲學超材料板(包含框架95和穿孔柔性薄膜96)面向入射聲源一側放 置普通聲學材料(97)，包括多孔材料(如玻璃纖維棉或開閉孔泡沫），普通穿孔板或微穿孔 板，阻尼材料等。普通聲學材料的引入可在不同程度上拓寬原聲學超材料板的工作帶寬。
[0128] 圖27為本發明實施例8所述的聲學超材料板與多孔材料組合構成的聲學復合結構 樣品的法向入射傳聲損失試驗測量結果，樣品照片位于圖中右側，其外圓直徑為225mm。其 中，所述的聲學超材料板為實施例1所述的基本型聲學超材料板，其結構參數和材料構成同 圖8(a)所述，所采用的普通聲學材料為玻璃纖維棉，其厚度為10mm，名義流阻率為 19000Nsnf 4。據圖可知，相較于基本型聲學超材料板，該實施例所述的聲學復合結構樣品的 法向入射傳聲損失在除去STL尖峰對應的440Hz頻段附近外均不同程度的高于基本型聲學 超材料板，尤其是在該STL尖峰右側的中高頻段;而在STL尖峰對應的440Hz頻段附近，該實 施例所述的聲學復合結構樣品的STL值略低于基本型聲學超材料板，這是由于玻璃纖維棉 的引入相當于增加了原先基本型聲學超材料板的結構阻尼，而結構阻尼的作用主要體現在 平緩共振及反共振頻率處的振幅。
[0129] 上述提到，對于邊框較厚的聲學超材料結構單元，可以在其另一個側面繼續鋪貼 一層穿孔柔性薄膜，并在兩層薄膜內部填充多孔材料，在充分利用內部空間的同時繼續提 高整體聲學超材料的聲學性能。而對于邊框較薄的聲學超材料結構單元，若在另一個側面 同樣再鋪貼一層穿孔柔性薄膜，其兩層薄膜內部的空間十分狹窄無法填充多孔材料，而且 兩層薄膜由于相靠過近產生強烈的近場耦合，反而破壞原本一層柔性薄膜聲學超材料結構 單元的工作條件，導致隔聲效果變差。此時，可以考慮將多塊薄層邊框的聲學超材料結構單 元面外縱向堆疊，形成兩層或多層聲學超材料復合板。
[0130]圖28為本發明實施例9所述的兩層聲學超材料板中間拉開一定間距后構成的聲學 超材料復合板示意圖。
[0131]圖29為本發明實施例9所述的兩層聲學超材料板中間拉開一定間距后，在該間距 內插入一層多孔材料，最終構成的聲學超材料復合板示意圖。
[0132] 圖30為本發明實施例9所述的聲學超材料復合板樣品的法向入射傳聲損失試驗測 量結果，樣品照片位于圖中左側，其外圓直徑為225mm，由兩塊結構及材料參數相同的聲學 超材料板中間夾持玻璃纖維棉構成。
[0133] 圖31為本發明實施例10所述的曲面形狀聲學超材料板示意圖。單個本發明所述的 聲學超材料結構單元(104)通過楔形連接件（105)組合成具有一定曲度的聲學超材料板。該 實施例尤其適合具有一定曲度要求的殼體或安裝結構。
[0134] 實施例
[0135] 下面對本發明實施例中的測定方法以及材料來源進行說明。
[0136] 通風對流條件下，聲學超材料板的穩定態溫度場分布有限元仿真計算方法:基于 商用有限元軟件COMSOL Multiphysics 5.2的層流共輒傳熱穩態分析模塊(Laminar Flow Conjugate Heat Transfer Interface ,Stationary)建立聲學超材料板的共輒傳熱有限元 仿真計算模型。該仿真模型包括由聲學超材料板組成的"固體傳熱物理場"、入射和透射空 腔構成的"流體傳熱物理場"及"層流物理場"。在入射空腔中設置熱源，并定義熱源(Heat Source)總功率，入射空腔亦稱為"熱源室"。入射空腔一側設置為空氣入口，并在該截面的 設定初始溫度和空氣的層流平均流速，在透射空腔一側設置為空氣出口，透射空腔亦稱為 "透熱室"。兩個室除了放置聲學超材料板的面之外，其余面均設置為絕熱壁面。之后，便可 利用軟件內置的穩態求解器進行穩態求解，當求解完成后，再利用軟件的后處理模塊進行 溫度場分布的可視化。
[0137] 聲學結構單元的法向入射傳聲損失的有限元仿真計算方法:基于商用有限元軟件 COMSOL Multiphysics 5.2的聲-固親合頻域分析模塊(Acoustic-Solid Interaction, Frequency Domain Interface)建立聲學結構單元的有限元仿真計算模型。該仿真模型包 括由三種結構單元構成的"固體力學物理場"及入射和透射聲腔構成的"壓力聲學物理場"， 兩個物理場區域通過聲-固界面連續性條件相互耦合關聯。單元的邊界條件定義為Floquet 周期性邊界條件以模擬實際整體結構單元的安裝條件。在入射聲腔設置入射聲波為平面聲 波(20~1000Hz頻段，掃頻步長為10Hz)，該平面聲波通過入射聲腔垂直激勵結構單元后， 一部分聲能反射，另一部分聲能透射進入透射聲腔，根據入射波及透射波的壓力幅值計算 法向入射傳聲損失(Sound Transmission Loss，簡寫為STL):
[0138] STL = 201ogio|Pi/Px
[0139] 式中，P1為入射聲壓幅值，Pt為透射聲壓幅值，兩者可通過COMSOL軟件的后處理模 塊直接獲取。
[0140] 聲阻抗管樣品法向入射傳聲損失的試驗測試方法:按照ASTM(美國材料與試驗協 會，American Society for Testing and Materials)標準E2611-09: "Standard test method for measurement of normal incidence sound transmission of acoustical materials based on the transfer matrix method"，在聲阻抗管中米用四傳聲器法測試 聲學材料樣品的隔聲量。
[0141] 下述實施例中使用的FR-4玻璃纖維、6063牌號鋁合金、Q235A普通碳素鋼、聚氯乙 烯膜、聚乙烯膜、聚醚酰亞胺膜等高分子聚合物等材料均為市售購買得到的。
[0142] 實施例1基本型聲學超材料板的制備及性能測定
[0143] 下面結合附圖2-8說明基本型聲學超材料板的制備及性能測定。
[0144] 1.基本型聲學超材料板樣品的制備
[0145] 使用FR-4玻璃纖維通過銑削制成如圖2所示的寬度為2mm的邊框(8)，該邊框包含 一系列具有相同幾何形狀的聲學超材料結構單元（14)，每個單元為正方形，其內邊長為 27mm，外邊長為29mm，厚度為5mm;同樣使用FR-4玻璃纖維制成如圖2所示的有孔約束體 (11)，將邊框(8)與有孔約束體(11)通過雙臂連接桿(13)剛性連接，兩者的具體連接方式為 一體成型(銑削加工而成），其中有孔約束體(13的外輪廓直徑為10_，其上孔(12)的直徑為 5mm，將約束體（11)與邊框(8)剛連的雙臂連接桿（13)為矩形截面，其寬度為4mm，厚度為 3mm。整塊厚度為0.05mm的穿孔柔性薄膜(9)自然伸展狀態下鋪貼在邊框(8)及有孔約束體 (11) 一側，其上孔(12)的直徑同樣為5mm，并與約束體上孔(12)-一對應。
[0146] 在實際進行制備操作時，為了避免兩結構的孔無法很好一一對應的情況，穿孔柔 性薄膜(9)上的孔(10)可以在穿孔柔性薄膜(9)鋪貼好后，再采用鉆孔、沖孔、摳挖等方式進 行穿孔操作。穿孔柔性薄膜(9)的材質為聚醚酰亞胺薄膜，其鋪貼方式為膠粘。最終便得到 如圖2所示的基本型聲學超材料板樣品。
[0147] 2.基本型聲學超材料板樣品的性能仿真
[0148] 圖3為本發明實施例1所述的基本型聲學超材料板（15)在通風對流情況下的穩定 態溫度場分布有限元仿真計算結果。其中，在有限元仿真模型中以白色圓柱體（18)定義為 熱源，其總功率為IOW，白色箭頭（19)表示為空氣入口方向，該截面的初始溫度設定為20°C， 空氣的平均流速為〇 . 2m/s，模型中還包括熱源室（16)和透熱室（17)，兩個室除了放置基本 型聲學超材料板(15)的面之外，其余面均設置為絕熱壁面。從有限元計算結果可知，溫度場 中的最高溫度為25°C，大部分區域的溫度都在室溫(20°C)附近，表明實施例1所述的基本型 聲學超材料板的通風散熱性能良好，熱量不會一直積聚下熱源周圍。因此，在絕熱封閉腔體 的一個側面安裝實施例1所述的基本型聲學超材料板不存在散熱障礙。
[0149 ]為了減少計算冗雜度，在計算實施例1所述的聲學超材料板的法向入射傳聲損失 的有限元模型中，僅采用一個聲學超材料結構單元，將該單元的邊界條件設置為Floquet周 期性邊界條件，以此來模擬整塊聲學超材料板的邊界安裝情況。如圖4所示，在有限元建模 時，聲學超材料結構單元（14)的前后側分別布置入射聲腔（11)和透射聲腔（12)，并且兩個 聲腔的端面均設置為聲吸收邊界，避免聲波的多次反射影響計算結果。入射聲波P 1從入射 聲腔（11)的一端打到結構單元之上，產生反射聲波Pr和透射聲波Pt。結構單元的法向入射傳 聲損失則通過STL = 201ogio I Ρι/Ρτ I計算得到。
[0150] 3.基本型聲學超材料板樣品的性能測試
[0151] 按照ASTM頒布的E2611-09標準，采用四傳聲器法測試聲學超材料板樣品的法向入 射傳聲損失，測試系統的示意圖如圖7所示。該測試系統中的聲阻抗管由入射聲管(25)和透 射聲管（26)組成，在入射聲管（25)的端部安置聲源（24)，其產生的寬頻白噪聲激勵聲波 (31)在到達測試樣品（30)之前已經發展成波前幅值趨于一致的平面聲波，垂直打到測試樣 品30的前表面;而在透射聲管26的端部安置足夠長的吸音尖劈(27)以盡量減少聲波的多 次反射對測試結果的影響。此外，位于測試樣品（30)兩側，共開有四個傳聲器固定端子 (28)，其內插入傳聲器(29)(型號4187 ,Briiel&Kji?r )，兩兩分列于入射聲管（25)和透射聲 管（26)之上。通過四個傳聲器測得的聲壓頻譜并作傳遞函數，最終計算得到聲學超材料板 樣品的法向入射傳聲損失。該測試系統的有效測試頻段為70Hz~890Hz，涵蓋中心頻率為 80Hz~800Hz的三分之一倍頻程頻段，該頻帶以外頻率上隔聲曲線的中心線依然能夠較真 實的反映樣品的隔聲水平。因此，樣品隔聲測試結果給出的頻段上限到1600Hz，仍然可以真 實有效反映樣品的隔聲量。
[0152] 4.與現有技術的對比
[0153] 這里主要對比實施例1所述的基本型聲學超材料板與同等面密度同樣穿孔率的普 通穿孔板和微穿孔板的法向入射傳聲損失。參照圖4,其中同等面密度且具有同樣大小孔的 普通穿孔板單元20的厚度為1.2mm，材質為6063牌號鋁合金，孔直徑為5mm;同等面密度同樣 穿孔率的微穿孔板單元(21)的厚度為1.2mm，材質同樣為6063牌號鋁合金，其單個孔的直徑 為1mm。三種結構單元的面密度均為3.56kg/m 2，穿孔率均為2.33 %。
[0154] 圖5是三種結構單元的有限元仿真計算結果的對比圖。其中，實線對應聲學超材料 結構單元（14);虛線對應同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板單元(20);點線對應 同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)。據圖可知，在680Hz以下頻段內，聲學超材料 結構單元（14)的法向入射傳聲損失高于同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板單元 (20);在880Hz以下頻段內，聲學超材料結構單元（14)的法向入射傳聲損失高于同等面密度 同樣穿孔率的微穿孔板單元(21);此外，聲學超材料結構單元（14)的法向入射傳聲損失曲 線在440Hz出現了一個明顯的尖峰，STL值達到17dB，該尖峰對應的STL值高于同等面密度且 具有同樣大小孔的普通穿孔板單元(20)約14dB，高于同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單 元(21)約15.4dB。另外，從圖中還可以看出同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)的 低頻隔聲性能最差，這與其缺少背板結構無法形成亥姆霍茲共振吸聲體直接相關。
[0155] 為了驗證所建有限元模型的正確性，圖8給出了本發明實施例1所述的聲學超材料 板樣品和同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板樣品的法向入射傳聲損失的試驗測 量結果，以及該結果與圖5中的有限元仿真計算結果的對比。其中圖8(a)為實施例1所述的 基本型聲學超材料板樣品對應結果，實線對應有限元仿真計算結果，空心圓圈對應試驗測 試結果，樣品背面及正面照片分別位于圖中左、右側，其外圓直徑為225mm，包含40余個完整 聲學超材料結構單元，在一定程度了消除了整體板的安裝邊界條件影響。從STL頻譜圖中可 知，在IOOHz~1000 Hz頻段內，兩者的吻合程度較好，均在440Hz出現尖峰，說明所建立的有 限元模型在分析聲學超材料結構單元的隔聲特性方面是足信的；圖8(b)為同等面密度且具 有同樣大小孔的普通穿孔板樣品（幾何尺寸及材料參數同圖3所述的20對應的結果，虛線對 應有限元仿真計算結果，實心圓圈對應試驗測試結果，樣品照片位于圖中左側，其外圓直徑 為225mm。在IOOHz~1000Hz頻段內，兩者的吻合程度較好，說明所建立的有限元模型在分析 普通穿孔板結構單元的隔聲特性方面是足信的。圖8(c)為同等面密度同樣穿孔率的微穿孔 板樣品(幾何尺寸及材料參數同圖4所述的21)對應的結果，點線對應有限元仿真計算結果， 空心上三角曲線對應試驗測試結果，樣品照片位于圖中左側，其外圓直徑為225mm。在IOOHz ~1000Hz頻段內，兩者的吻合程度較好，說明所建立的有限元模型在分析微穿孔板結構單 元的隔聲特性方面是足信的。三個樣品的試驗測量結果與有限元仿真計算結果的對比情況 均驗證了所建立的有限元仿真模型的正確性和有效性。
[0156] 5.工作機理分析
[0157] 本實施例所述的基本型聲學超材料結構單元（14)、同等面密度且具有同樣大小孔 的普通穿孔板單元(20)和同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)在440Hz頻率聲波激 勵條件下，入射空腔和透射空腔內的空氣粒子速度方向的有限元仿真結果如圖6所示。其 中，圖6(a)對應實施例1所述的聲學超材料結構單元(14)的結果；圖6(b)對應同等面密度且 具有同樣大小孔的普通穿孔板單元(20)的結果；圖6(c)對應同等面密度同樣穿孔率的微穿 孔板單元(21)的結果。圖中左側的黑色粗箭頭表示聲波的入射方向，該聲波為平面聲波，即 聲波的波前幅值均一致，仿真模型中設置為IPa大小。黑色細箭頭表示空氣粒子的速度方 向。據圖可知，圖6(a)中的聲學超材料結構單元（14)在440Hz頻率的聲波激勵下，其附近出 現了明顯的空氣粒子速度渦旋，空氣粒子的方向出現了與入射聲波方向垂直甚至反向的部 分;與之不同的是，圖6(b)中的同等面密度且具有同樣大小孔的普通穿孔板單元(20)和圖6 (c)中的同等面密度同樣穿孔率的微穿孔板單元(21)在440Hz頻率的聲波激勵下，其兩側空 氣粒子方向均一致，并與入射聲波方向相同。對比之下，直觀上可以看出是空氣粒子產生的 速度渦旋使得該入射頻率對應的聲學超材料結構單元（14)的法向入射傳聲損失曲線出現 了尖峰(結合圖5)。其物理機理:在該頻率下，聲學超材料結構單元（14)產生了非穿孔區域 的柔性薄膜與邊框及約束體反相的振動模式，使得該區域對應的聲場與通過約束體上孔和 柔性薄膜孔的連續聲場反相且大致抵消，從而使得透射空腔的聲壓幅值趨于小值，仿真中 最小值僅〇. 〇323Pa。而在入射空腔中的聲壓經聲學超材料結構單元（14)的部分反彈達到 1.84Pa的最大值，與最小值相差1.8077Pa。而同樣在440Hz頻率的聲波激勵下，其余兩種結 構單元附近沒有產生與之類似的空氣粒子速度渦旋，整體結構單元同相運動，使得附近的 空氣粒子同向運動，入射空腔和透射空腔內部的聲壓幅值的絕對值相差不大。反映到法向 入射傳聲損失的曲線上便無突出的尖峰，量值也不如聲學超材料結構單元(14)。
[0158] 實施例2輕薄型聲學超材料板的制備及性能測定
[0159] 1.輕薄型聲學超材料板樣品的制備
[0160]如圖9所示，使用Q235A牌號普通碳素鋼通過激光切割制成寬度為3mm、厚度為 1.5mm的邊框(32)，該邊框包含一系列具有相同幾何形狀的聲學超材料結構單元(38)，每個 單元為正方形，其內邊長為35mm;同樣使用Q235A牌號普通碳素鋼通過激光切割制成有孔約 束體(35)，將邊框(32)與有孔約束體(35)通過雙臂連接桿(37)剛性連接，兩者的具體連接 方式為一體成型，其中有孔約束體(35)的外輪廓直徑為12mm，其上孔36的直徑為7mm，將約 束體(35)與邊框(32)剛連的雙臂連接桿(37)為矩形截面，其寬度為3mm，厚度為1.5mm。整塊 厚度為0.05mm的穿孔柔性薄膜(33)在自然伸展狀態下鋪貼在邊框(32)及有孔約束體(35) 一側，其上孔(34)的直徑同樣為7mm，并與約束體(35)上的孔(36) -一對應。為了避免兩結 構的孔無法很好一一對應的情況，穿孔柔性薄膜(33)上的孔(34)可以在穿孔柔性薄膜(33) 鋪貼好后，再采用鉆孔、沖孔、摳挖等方式進行穿孔操作。穿孔柔性薄膜(33)的材質為聚醚 酰亞胺薄膜，其鋪貼方式為膠粘。最終便得到如圖9所示的輕薄型聲學超材料板樣品，其在 結構形式上與實施例1所述的基本型聲學超材料板的最大區別之處在于，輕薄型聲學超材 料結構單元(38)的有孔約束體(35)與邊框(32)連接采用的雙臂連接桿(37)與邊框(32)厚 度齊平。由于該聲學超材料結構單元不再考慮連接桿(37)的沉面設計，不但進一步簡化了 加工復雜程度，而且可以將整體聲學超材料板的厚度做到更薄。該實施例所述的聲學超材 料板的面密度為4.20kg/m 2，穿孔率為3.48%。
[0161] 2.輕薄型聲學超材料板樣品的性能測試
[0162] 圖10所示為本發明實施例2所述的輕薄型聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損失 的試驗測量結果，樣品照片位于圖中右側，其外圓直徑為225mm，包含21個完整的聲學超材 料結構單元。據圖可知，在400Hz處出現尖峰，對應的STL值達到約17dB。該聲學超材料板樣 品的法向入射傳聲損失頻譜中STL值高于6dB以上的頻段為300Hz~520Hz。
[0163] 實施例3含不同參數單元的聲學超材料板的制備及性能測定
[0164] 1.含不同參數單元的聲學超材料板的制備
[0165] 實施例3所述的由不同參數單元面內陣列組合形成的聲學超材料板的結構示意如 圖11所示，其作為陣列基本元素的聲學超材料結構單元的結構尺寸不完全相同，其內部有 孔約束體的直徑及約束體上孔的直徑不一。以某一聲學超材料結構單元(45)為例，該聲學 超材料結構單元的有孔約束體(42)與邊框(39)連接采用的雙臂連接桿(44)與邊框(39)厚 度齊平，結構形式與實施例2所述的輕薄型聲學超材料結構單元(38)類似。該實施例中含有 四種不同尺寸參數的聲學超材料結構單元，每塊聲學超材料結構單元的邊框均為正方形， 內邊長均為35mm，外框(35)的寬度為3mm，厚度為1.5mm;有孔約束體(42)的外輪廓直徑有四 種尺寸，由小到大依次為5mm、IOmm、12mm、15mm;約束體上孔(43)的直徑有三種尺寸，由小 至Ij大依次為3mm、5mm、IOmm;整張連續的穿孔柔性薄膜(40)，厚度為0.05mm，在不施加任何預 張力條件下，自由伸展平鋪貼在邊框(39)-側，薄膜上孔(41)的直徑與約束體孔(43)的直 徑對應一致;雙臂連接桿(44)為矩形截面，寬度為3mm，厚度為1.5mm。邊框(39 )、有孔約束體 (42)以及雙臂連接桿(44)的材料相同，均為Q235A牌號普通碳素鋼;穿孔柔性薄膜的材質為 聚醚酰亞胺。該實施例所述的聲學超材料板的面密度為4.40kg/m2，穿孔率為3.22%。
[0166] 2.含不同參數單元的聲學超材料板的性能測試
[0167] 圖12為本發明實施例3所述的由不同參數單元面內陣列組合成的聲學超材料板樣 品的法向入射傳聲損失的試驗測量結果，樣品照片位于圖中右側，其外圓直徑為225mm，包 含21個完整的聲學超材料結構單元。據圖可知，在430Hz處出現尖峰，對應的STL值達到約 21 dB。該聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損失頻譜中STL值高于6dB以上的頻段為2 IOHz ~600Hz，帶寬近400Hz。這是由于在不同的聲學超材料結構單元中采用不同尺寸的約束體 和約束體上的孔，產生了多個STL尖峰，從而顯著拓寬了工作頻帶。
[0168] 實施例4含大尺寸孔的廣義聲學超材料結構單元及其面內陣列組合成的聲學超材 料板的制備及性能測定
[0169] 1.含大尺寸孔的聲學超材料板的制備
[0170]如圖13所示，該實施例是由聲學超材料結構單元(51)在面內方向周期性陣列形成 聲學超材料板后，在每個3X3的單元陣列簇中去除一塊結構單元中的有孔約束體(48)和雙 臂連接桿(50)，使其成為大尺寸孔(47)，由此便形成了一類更廣義的聲學超材料結構單元 (58)。該廣義聲學超材料結構單元(58)包括邊框(55)，含大尺寸孔(47)的約束體(56)以及 連接桿(57)。穿孔柔性薄膜(52)上具有兩種尺寸的孔，即小尺寸孔(53)和大尺寸孔(54)。
[0171 ]該實施例中聲學超材料結構單元(51)的邊框為正方形，內邊長為35mm，外框(46) 的寬度為3mm，厚度為1.5mm;有孔約束體(48)的外輪廓直徑為8mm，約束體上孔(49)的直徑 為3mm;整張連續的穿孔柔性薄膜(52)，厚度為0.05_，在不施加任何預張力條件下，自由伸 展平鋪貼在邊框(46)-側，薄膜上小尺寸孔(53)的直徑與約束體上小尺寸孔(49)的直徑一 致，即3mm;薄膜上大尺寸孔(54)的邊長與約束體上大尺寸孔(47)的邊長一致，即35mm;約束 體(48)與邊框(46)剛連所采用的雙臂連接桿(50)為矩形截面，寬度為3mm，厚度為1.5mm。邊 框(46)、有孔約束體(48)以及雙臂連接桿(49)的材料相同，均為Q235A牌號普通碳素鋼;穿 孔柔性薄膜的材質為聚醚酰亞胺。該實施例所述的含大尺寸孔的聲學超材料板的面密度為 3 · 66kg/m2，穿孔率為21 · 70 %。
[0172] 2.含大尺寸孔的聲學超材料板的性能測試
[0173] 圖14為本發明實施例4所述的含大尺寸孔的聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損 失試驗測量結果，樣品照片位于圖中右側，其外圓直徑為225mm。據圖可知，在950Hz處出現 尖峰，尖峰處對應的STL值達到約23dB。相較于實施例1~3，該實施例所述的聲學超材料板 樣品的有效工作頻率出現在更高頻段，而且帶寬也明顯不如實施例1~3。盡管如此，該實施 例所述的聲學超材料板樣品的穿孔率卻達到了驚人的21.70%，這非常有利于流體的自由 通過。
[0174] 3.含大尺寸孔的廣義聲學超材料結構單元的派生類型
[0175] 在該構型的基礎上，派生出兩類大尺寸孔的聲學超材料結構單元結構，如圖15所 示。其中圖15(a)中所述的含大尺寸孔(61)的約束體(60)為實施例4中所述的廣義聲學超材 料結構單元(5 8)的連接桿(5 7)僅保留左、右兩邊形成新的連接桿(6 2)與整體單元的邊框 (59)相連；圖15(b)中所述的含大尺寸孔(61)的約束體60)則是實施例4中所述的廣義聲學 超材料結構單元(58)的連接桿(57)保留上、下、左、右四邊形成新的連接桿(65)與整體單元 的邊框(59)相連。
[0176] 實施例5其他形狀邊框及約束體連接桿的聲學超材料結構單元及其面內陣列組合 成的聲學超材料板的制備及性能測定
[0177] 1.其他形狀邊框及約束體連接桿的聲學超材料結構單元構型
[0178] 圖16為本發明實施例5所述的具有不同結構形式邊框及約束體連接桿的聲學超 材料結構單元結構示意圖，其中圖16(a)中的邊框(66)為圓形，有孔(67)的約束體(68)通過 雙臂連接桿(69)與邊框(66相連；圖16(b)中的邊框(70)為正六邊形，有孔(67)的約束體 (68)通過雙臂連接桿(69)與邊框(70)相連;圖16(c)中的邊框(66)為圓形，有孔(67)的約束 體(68通過單臂連接桿(71)與邊框(66)相連；圖16(d)中的邊框(70)為正六邊形，有孔(67) 的約束體(68)通過單臂連接桿(71)與邊框(70)相連；圖16(e)中將原本相鄰的兩個正方形 單元打通，使得邊框(72成為一個長方形結構，所述的兩個有孔(67)的約束體(68)分別通過 單臂連接桿(71)與邊框(72)相連。值得指出的是，單臂連接桿(71)尤其適合在邊框尺寸較 小的情況下采用，在保證邊框和約束體的連接剛度前提下進一步降低整個單元的重量。
[0179] 2.圓形邊框及單臂約束體連接桿的聲學超材料板的制備及性能測試
[0180] 實施例5所述的具有圓形邊框及單臂約束體連接桿的聲學超材料結構單元，其邊 框(66)的內徑30mm，厚度為5mm;有孔約束體(68)的外輪廓直徑為10mm，約束體上孔(67)的 直徑為5mm;整張連續的厚度為0.05mm穿孔柔性薄膜在不施加任何預張力條件下，自由伸展 平鋪貼在邊框(66)-側，薄膜孔的直徑與約束體孔(67)的直徑一致，即5mm;約束體(68)與 邊框(66)剛連所采用的單臂連接桿(71)為矩形截面，寬度為3mm，厚度為5mm。邊框(66)、有 孔約束體(68)以及單臂連接桿(71)的材料相同，均為FR-4玻璃纖維；穿孔柔性薄膜的材質 為聚乙烯。該實施例所述的聲學超材料板的面密度為4.57kg/m 2,穿孔率為2.78%。
[0181] 圖17為本發明實施例5所述的具有圓形邊框及單臂約束體連接桿的聲學超材料結 構單元(結構形式如圖16(c)所示)及其面內陣列形成的聲學超材料板樣品的法向入射傳聲 損失試驗測量結果。從圖17中可以看出，在630Hz處出現了明顯的尖峰，其峰值達到約30dB， STL值大于6dB的頻段在300Hz~900Hz。
[0182] 實施例6雙面貼膜聲學超材料結構單元及其面內陣列組合成的聲學超材料板的制 備及性能測定
[0183] 1.雙面貼膜聲學超材料板的制備
[0184] 圖18為本發明實施例6所述的雙面貼膜聲學超材料結構單元示意圖，其中18(a)為 單元側剖視圖；圖18(b)為該單元的爆炸視圖。其在同一塊聲學超材料結構單元的兩個側面 分別貼有第一穿孔柔性薄膜(74)和第二穿孔柔性薄膜(75)。所述的第一穿孔柔性薄膜(74) 上的孔(76)、第二穿孔柔性薄膜(75)上的孔(77)和約束體上（78)的孔(81)，三者的直徑相 同。該實施例尤其適合在邊框(73)的厚度較厚情況下，不但可以充分利用邊框(73)的另一 個表面，而且又形成了一層振動單元。由此形成的兩層振動單元可以實現多種振動模式的 疊加組合，對聲波進行更加有效的隔離。該實施例所述的聲學超材料結構單元是在實施1所 述的基本型聲學超材料結構單元的基礎上，在另一個側面鋪貼第二穿孔柔性薄膜(75)。該 實施例所采用的第二穿孔柔性薄膜(75)的材質為聚氯乙烯，厚度為0.038mm，該實施例其他 構成元素的幾何參數和材料構成同實施例1。
[0185] 圖19為在圖18中所述的本發明實施例6的基礎上，在第一穿孔柔性薄膜(74)和第 二穿孔柔性薄膜(75)之間的空隙填充多孔材料(82)的結構示意圖，其中19(a)為單元側剖 視圖；圖19(b)為該單元的爆炸視圖。填充的多孔材料(82)可以是玻璃纖維棉、開閉孔泡沫 等材料，其不僅能充分利用兩層穿孔薄膜之間的空腔間隙，而且還可對整體聲學超材料結 構單元具有明顯的聲學性能增強。當兩層薄膜互相貼近時，使得兩膜之間衰減波來回反彈 產生強烈耦合，兩膜之間的聲壓急劇升高，聲能密度加大，即便是填充薄層的多孔材料，此 時其吸聲效率也將大幅增加，從而在不增加聲學超材料結構單元的厚度和重量前提下大幅 降低透射聲能，收到更好的降噪效果。值得注意的是，填充的多孔材料(82)的特征阻抗與薄 膜的阻抗應盡量匹配，從而避免聲波無法有效進入多孔材料，并且要考慮填充的多孔材料 對兩側薄膜彎曲振動剛度帶來的影響，修正原有設計的聲學超材料結構單元的工作頻率。 [0186] 2.雙面貼膜聲學超材料板的性能測試
[0187]圖20為本發明實施例6所述的雙面貼膜聲學超材料結構單元面內陣列形成的聲學 超材料板樣品與實施例1所述的單面貼膜的基本型聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損失 試驗測量結果對比圖。兩種實施例的唯一差別是在實施例6所述的雙面貼膜聲學超材料結 構單元的另一個側面鋪貼第二穿孔柔性薄膜。實施例6所述的雙面貼膜聲學超材料板樣品 照片位于圖中右側，其外圓直徑為225mm。據圖可知，實施例6所述的聲學超材料板樣品的 STL尖峰位于650Hz，高于實施例1所述的聲學超材料板樣品；而且，對于實施例6所述的聲學 超材料板樣品，其STL值高于6dB的頻段為500Hz~1300Hz，寬于實施例1所述的基本型聲學 超材料板樣品的300Hz~600Hz。這是由于第二穿孔柔性薄膜的鋪貼改變了原有單層鋪膜的 基本型實施例的系統特性。具體而言，雙層鋪膜及封閉中間空氣間隙的結構形式一方面增 加了原有單層鋪膜實施例的結構剛度，另一方面也增加了系統的振動自由度，使得該實施 例所述的聲學超材料結構單元除了具有負質量特性(運動響應與激勵方向相反），還會具有 負體積模量特性(體積變化與激勵方向相反），進一步強化了其超材料屬性。
[0188] 圖21為本發明實施例6所述的雙面貼膜聲學超材料結構單元面內陣列形成的聲學 超材料板樣品與實施例6所述的雙面貼膜并填充多孔材料聲學超材料結構單元面內陣列形 成的聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗測量結果對比圖。實施例6所述的雙面貼 膜并填充多孔材料聲學超材料板樣品照片位于圖中左側，其外圓直徑為225mm。其中，填充 的多孔材料為厚度I Omm的玻璃纖維棉，其名義流阻為19000Nsnf4。據圖可知，多孔材料的繼 續填入使得原先位于650Hz頻率處的STL尖峰偏移到更高頻段，而且高頻段的有效隔聲帶寬 也進一步拓寬。
[0189] 聲學超材料結構單元本身在聲波或流場激勵下便可以產生多模態的局域共振，可 以在一定程度上改善速度場和溫度梯度場之間的協同程度，實現強化傳熱的效果，而且，同 時還要兼顧到聲學超材料結構單元在低頻段要有足夠的隔聲性能，而共振情況直接對應的 是聲全透結果。基于這樣的考慮，在不改變或較小改變一塊聲學超材料結構單元原來的工 作條件下，在其另一個側面鋪貼一層含多個穿孔的柔性薄膜或彈性膜片，通過這些結構在 聲波或流場激勵下產生的強烈振動實現強化傳熱效果。由此形成了一批可以進一步強化傳 熱的聲學超材料結構單元及其實施例。
[0190] 實施例7進一步強化傳熱的聲學超材料結構單元及其面內陣列組合成的聲學超 材料板的制備及性能測定
[0191 ] 1.進一步強化傳熱的聲學超材料結構單元的三種不同構型
[0192] 圖22為在本發明實施例7強化傳熱聲學超材料結構單元的第一種構型示意圖，其 在一塊聲學超材料結構單元的另一個側面鋪貼穿孔柔性薄膜(86)，其上具有多個相同或不 同大小的圓形孔(88)，在不影響該聲學超材料結構單元隔聲性能的同時，通過在柔性薄膜 上增加穿孔加強附近流場的湍流度，其中22(a)為單元等軸測視圖；圖22(b)為該單元的爆 炸視圖。穿孔柔性薄膜(86)上的附加孔(88)的大小可以與該薄膜上原先孔(87)的大小相同 或不同。
[0193] 圖23為在本發明實施例7強化傳熱聲學超材料結構單元的第二種構型示意圖，其 在一塊聲學超材料結構單元的另一個側面鋪貼穿孔柔性薄膜(86)，其上具有多個不同形狀 和不同大小的孔(93)，在不影響該聲學超材料結構單元隔聲性能的同時，通過在柔性薄膜 上穿不同形狀和不同大小的孔進一步增加附近流場的湍流度，其中23(a)為單元等軸測視 圖；圖23(b)為該單元的爆炸視圖。穿孔柔性薄膜(86)上的附加孔(93)的形狀或大小可隨意 選取，該實施例提供了四種形狀，即圓形、矩形、六邊形、三角形。
[0194] 圖24為在本發明實施例7強化傳熱聲學超材料結構單元的第三種構型示意圖，其 在一塊聲學超材料結構單元的另一個側面貼有多個彈性膜片(94)，在不影響該聲學超材料 結構單元隔聲性能的同時，通過彈性膜片在入射聲波激勵下產生的擺動或振動增加附近流 場的湍流度或流體速度，其中24(a)為單元等軸測視圖；圖24(b)為該單元的爆炸視圖。
[0195] 2.第一種構型的進一步強化傳熱的聲學超材料結構單元及其面內陣列組合成的 聲學超材料板的制備及性能測定
[0196] 圖25為本發明實施例7所述的第一種構型的強化傳熱聲學超材料結構單元面內陣 列形成的聲學超材料板樣品的法向入射傳聲損失試驗測量結果，樣品照片位于圖中右側， 其外圓直徑為225mm。該實施例是在圖18所示的實施例6所述的雙面貼膜聲學超材料結構單 元的第一穿孔柔性薄膜(0.050mm厚度的聚醚酰亞胺)上附加穿孔直徑均為3mm的四個孔而 來，其他單元構成元素的幾何參數和材料構成保持一致。據圖可知，STL的峰值出現頻率在 約850Hz，峰值對應的STL值達到22dB，STL值大于6dB的頻段在300Hz~1100 Hz。
[0197] 實施例8聲學超材料復合結構的制備及性能測定
[0198] 將實施例1所述的聲學超材料結構單元在面內方向（xy平面)陣列分布，形成基本 型聲學超材料板。選用IOmm厚，名義流阻率為19000/Nsnf 4的玻璃纖維棉(97)作為普通聲學 材料板。將聲學超材料板和普通聲學材料板組合，不同的聲學材料板之間直接接觸，并提供 稍許擠壓，也可采用彈性連接方式，如小塊橡膠墊支承并隔離不同聲學材料板，最終構成如 圖26所示的聲學復合結構。對其進行阻抗管法向入射傳聲損失測定，實測曲線如圖27。其 中，圓圈對應本發明實施例1所述樣品結果;虛線對應本實施例所述的聲學復合結構樣品結 果。據圖可知，相較于基本型聲學超材料板，該實施例所述的聲學復合結構樣品的法向入射 傳聲損失在除去STL尖峰對應的440Hz頻段附近外均不同程度的高于基本型聲學超材料板， 尤其是在該STL尖峰右側的中高頻段;而在STL尖峰對應的440Hz頻段附近，該實施例所述的 聲學復合結構樣品的STL值略低于基本型聲學超材料板，這是由于玻璃纖維棉的引入相當 于增加了原先基本型聲學超材料板的結構阻尼，而結構阻尼的作用主要體現在平緩共振及 反共振頻率處的振幅。
[0199] 實施例9多層聲學超材料板面外縱向堆疊的聲學超材料復合結構
[0200] 圖28為本發明實施例9所述的兩層聲學超材料板中間拉開一定間距后構成的聲學 超材料復合板示意圖。其中，兩塊薄層聲學超材料板的結構及材料參數可以相同或不同，分 別包括第一層聲學超材料板框架(98)，第一層聲學超材料板的整塊穿孔薄膜(99)以及第二 層聲學超材料板框架（100)，第二層聲學超材料板的整塊穿孔薄膜（101)。兩塊薄層聲學超 材料板之間具有一定間距的空氣間隙（102)。
[0201] 圖29為本發明實施例9所述的兩層聲學超材料板中間拉開一定間距后，在該間距 內插入一層多孔材料，最終構成的聲學超材料復合板示意圖。其中，兩塊薄層聲學超材料板 的結構及材料參數可以相同或不同，分別包括第一層聲學超材料板框架(98)，第一層聲學 超材料板的整塊穿孔薄膜(99)以及第二層聲學超材料板框架（100)，第二層聲學超材料板 的整塊穿孔薄膜（101)。填充的多孔材料層（103)的特征阻抗與兩塊薄膜的阻抗應盡量匹 配，從而避免聲波無法有效進入多孔材料，并且要考慮填充的多孔材料對兩側薄膜(99)和 (101)的彎曲振動剛度帶來的影響，修正原有設計的聲學超材料板的工作頻率。而且，多孔 材料層（103)上需要穿孔，使之與框架(98)和（100)的約束體孔保證一致，不會造成散熱障 礙。
[0202] 圖30為本發明實施例9所述的聲學超材料復合板樣品的法向入射傳聲損失試驗測 量結果，樣品照片位于圖中右側，其外圓直徑為225mm，由兩塊結構及材料參數相同的聲學 超材料板中間夾持玻璃纖維棉構成。其中，聲學超材料板的結構及材料參數與圖8中所示的 實施例2所述的輕薄型聲學超材料板相同，玻璃纖維棉的厚度為10mm，名義流阻率為 19000Nsnf4。在圖30中，空心方框曲線代表一層實施例2所述的輕薄型聲學超材料板;虛線代 表兩層實施例2所述的輕薄型聲學超材料板中間具有IOmm的空氣間隙構成的聲學超材料復 合板;點線代表兩層實施例2所述的輕薄型聲學超材料板中間填充一層厚度為IOmm的玻璃 纖維棉所構成的聲學超材料復合板。可以看出，兩種聲學超材料復合板樣品的STL值在 IOOHz~1000Hz頻段內均高于單層輕薄型聲學超材料板，而且這種STL值提升量效果主要體 現在尖峰右側的中高頻段。通過比較點線和虛線可知，填充玻璃纖維棉后的聲學超材料復 合板樣品的尖峰頻率移向高頻，有效工作帶寬也是三者之中的最寬者。
[0203] 實施例10曲面結構形式的聲學超材料板及其裝配方法
[0204] 圖31為本發明實施例10所述的曲面形狀聲學超材料板示意圖。單個本發明所述的 聲學超材料結構單元(104)通過楔形連接件（105)組合成具有一定曲度的聲學超材料板。楔 形連接件（105)可以采用橡膠、亞克力、尼龍等材料通過鑄模加工而成，本實施例中采用橡 膠材料，該實施例尤其適合具有一定曲度要求的殼體或安裝結構。
[0205]最后，需要注意的是：以上列舉的僅是本發明的具體實施例子，當然本領域的技術 人員可以對本發明進行改動和變型，倘若這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技 術的范圍之內，均應認為是本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種聲學超材料結構單元，其特征在于，其包括邊框、在所述邊框內設置有約束體， 在邊框的上下表面的至少一個表面上覆蓋有薄膜;所述約束體和薄膜上均設置有至少一個 孔。2. 如權利要求1所述的聲學超材料結構單元，所述邊框內至少設置一個有孔的約束體。3. 如權利要求1或2所述的聲學超材料結構單元，所述約束體和薄膜上孔的形狀、位置 和大小相同或不同；優選所述約束體和薄膜上孔的形狀、位置和大小相同。4. 如權利要求1-3任一項所述的聲學超材料結構單元，所述的約束體上孔的大小根據 通過的流體流量以及隔聲工作頻段確定。5. 如權利要求1-4任一項所述的聲學超材料結構單元，所述約束體上孔的形狀為對稱 的規則幾何形狀，優選所述約束體上孔的形狀為圓形。6. 如權利要求1-5任一項所述的聲學超材料結構單元，所述邊框的上下表面上均覆蓋 有穿孔柔性薄膜;優選兩層穿孔柔性薄膜的厚度及材料不同。7. 如權利要求1-6任一項所述的聲學超材料結構單元，所述有孔的約束體與邊框的至 少一個表面齊平。8. 如權利要求1 _7任一項所述的聲學超材料結構單元，其中，在上下兩層薄膜中間填充 多孔材料;優選所述多孔材料為玻璃纖維棉或開閉孔泡沫。9. 如權利要求1-8任一項所述的聲學超材料結構單元，其中，所述的邊框的形狀使其在 單元面內周期陣列時可實現最大面積占比；優選邊框的形狀是矩形、正方形或正六邊形。10. 如權利要求1-9任一項所述的聲學超材料結構單元，所述約束體與薄膜線接觸或面 接觸;優選接觸形成的形狀是對稱規則的幾何形狀;更優選所述的幾何形狀為圓形、正方形 或正多邊形。11. 如權利要求1-10任一項所述的聲學超材料結構單元，所述的邊框和有孔約束體的 材料分別為鋁材、鋼材、木材、橡膠、塑料、玻璃、石膏、水泥、高分子聚合物或復合纖維材料； 所述薄膜的材料為高分子聚合物薄膜材料、金屬薄膜或彈性薄膜，所述高分子聚合物薄膜 材料優選為聚氯乙烯膜、聚乙烯膜或聚醚酰亞胺膜;所述金屬薄膜優選鋁及鋁合金膜、鈦及 鈦合金膜，所述彈性薄膜優選橡膠膜、硅膠膜或乳膠膜。12. -種包含權利要求1-11任一項所述聲學超材料結構單元的聲學超材料板。13. 如權利要求12所述的聲學超材料板，所述聲學超材料板是聲學超材料結構單元在 面內方向組合拼接而成。14. 一種包含權利要求12或13所述聲學超材料板的聲學超材料復合結構。15. 如權利要求14所述的聲學超材料復合結構，所述的聲學超材料復合結構是通過多 層所述的聲學超材料板面外方向縱向堆疊而成的聲學超材料板陣列。16. 如權利要求14或15所述的聲學超材料復合結構，所述聲學超材料復合結構含有普 通聲學材料制成的普通聲學材料單元或者普通聲學材料板。17. 如權利要求14-16任一項所述的聲學超材料復合結構，所述普通聲學材料是玻璃纖 維棉、開閉孔泡沫等多孔材料以及普通穿孔板、微穿孔板、阻尼材料板等。18. 如權利要求14-17任一項所述的聲學超材料復合結構，所述聲學超材料板之間的空 隙以及聲學超材料板與普通聲學材料板之間的空隙均填充多孔材料。19. 一種調節權利要求1-11任一項所述聲學超材料結構單元、權利要求12-18任一項所 述聲學復合結構的隔聲頻段的方法，其特征在于，所述方法是通過改變所述聲學超材料的 邊框、約束體及薄膜的結構尺寸和材料參數來實現調節聲學超材料的工作頻率。20. -種裝配權利要求1-11任一項所述聲學超材料結構單元的方法，其特征在于，采用 一體成型技術制備得到有孔約束體和邊框，或者制造有孔約束體預制件和邊框預制件，將 有孔約束體預制件通過剛性連接到邊框預制件上組成單元框架，之后將薄膜在自由伸展狀 態下覆蓋在單元框架上，并進行固定連接，最后在薄膜上進行打孔;優選通過銑削、鑄造、沖 壓、激光切割或3D打印技術加工成一體成型的單元框架，或者通過銑削、鑄造、沖壓、激光 切割或3D打印技術制造出有孔約束體預制件和邊框預制件;優選固定連接為膠粘、熱焊接 或機械鉚接。21. -種裝配權利要求12或13所述聲學超材料板的方法，將裝配后的所述的聲學超材 料結構單元邊框進行剛性或柔性連接，或者采用楔形連接件組合成具有一定曲度的聲學超 材料板;或者將有孔約束體和邊框通過一體成型將其加工為整體聲學超材料板框架，之后 將薄膜在自由伸展狀態下覆蓋在整體聲學超材料板框架上，并進行固定連接，最后在薄膜 上進行打孔;優選通過銑削、鑄造、沖壓、激光切割或3D打印技術加工成一體成型的單元框 架或整體聲學超材料板框架，或者通過銑削、鑄造、沖壓、激光切割或3D打印技術制造出有 孔約束體預制件和邊框預制件;優選固定連接為膠粘、熱焊接或機械鉚接。22. -種裝配權利要求14-18任一項所述聲學超材料復合結構的方法，將多孔材料制造 成小塊單元填充進所述的聲學超材料結構單元的邊框與有孔約束體之間的空隙，然后將一 整塊普通聲學材料板預先打孔或將其與所述的聲學超材料板配合打孔后，將其彼此接觸并 固定連接得到;優選通過筑模、剪裁、沖壓方式制成多孔材料小塊單元;優選所述普通聲學 材料板與聲學超材料板之間的接觸方式采用直接接觸或者通過彈性墊支承，以隔離不同聲 學材料板之間的振動傳遞;優選固定連接為膠粘、熱焊接或機械鉚接。
【文檔編號】G10K11/162GK105845121SQ201610242931
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月19日
【發明人】黃禮范, 王術光
【申請人】黃禮范