專利名稱：一種新型低頻隔聲材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及復合材料及聲波超材料技術領域，特別涉及一種新型低頻隔聲材料。
背景技術：
利用材料(構件、結構或系統)來阻礙噪聲的傳播，使通過材料后噪聲能量減小的 方法，稱為隔聲。上述材料(構件、結構或系統)稱為隔聲材料(隔聲構件、隔聲結構或隔 聲系統)。通常用隔聲量來描述材料本身固有的隔聲能力，其定義為噪聲通過材料前后的 聲能量比，即入射聲能與透射聲能之比取對數得到的分貝數，又稱為傳遞損失，通常以符號 R或TL(dB)表示。根據傳統質量定律，對于傳統隔聲材料，通常要求材料尺寸與波長相當，由于高頻 聲波波長較短，并且衰減較快，所以傳統隔聲材料對于高頻聲波的隔波效果較好，對于波長 較長的低頻聲波的隔波效果很差，往往需要相當大厚度和質量密度的材料才能實現較好的 隔聲效果，而在很多工程實際中大尺寸和大密度材料是不能被應用的，所以低頻隔聲成為 聲學領域一大難題。考察平面聲波從圖1中的特征阻抗R1 = P lCl的I介質垂直入射厚度為D，特征阻 抗為R2 = P 2c2的II介質，通過列出各列波表達式，利用界面聲壓連續條件、法向質點速度
連續條件、平磁件，可以翻聲強翻娜=Ysu^k2D經過簡化，得到4
(2R、、2
Ruik2Df
ωp2D從公式可以看出透射系數與材料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 數越小，隔聲效果越好。這便是傳統的質量定律。基于傳統質量定律，經過設計的隔聲材料對于高頻聲波的隔波可以達到很好的效 果，但對于低頻聲波幾乎束手無策，由于日常生活中的低頻噪聲比較普遍，對人們工作和生 活的影響很大，并且低頻聲波衰減比較慢，使得對于低頻聲波的隔聲降噪成為重要工程問 題。通常情況下300Hz以下的噪聲即被稱為低頻噪聲，比如大部分機器噪聲、割草機、 汽車發動機、交通噪聲、中央空調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人體造成巨大傷害，已經 被歸為次聲武器范疇，所以對低頻聲波阻隔的研究刻不容緩。因此，目前本領域科研技術人員迫切需要解決的一個技術問題就是如何能夠創 新地提出一種有效衰減低頻聲波的方法，以解決現有技術存在的問題，有效降低低頻噪聲 給人們生產、生活帶來的不良影響。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種新型低頻隔聲材料，使低頻聲波透過材料 時得到很大程度的衰減，用以有效降低低頻噪聲的干擾。為了解決上述問題，本發明公開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備上的硬質材料；楊氏模量小于IOOMPa的用作填充框架的軟質材料；所述硬質材料與軟質材料的 接觸部分為固定連接。優選的，所述硬質材料包括普通鋼、合金鋼和鋁合金。優選的，所述軟質材料包括丁苯橡膠和硅橡膠。優選的，所述框架為網格狀。優選的，通過黏貼或鉚接的方式實現固定連接。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明通過將一種楊氏模量大于IOGPa的硬質材料的框架固定于外接設備，并用 楊氏模量小于IOOMPa的軟質材料對其進行填充，同時所述的硬質材料與軟質材料的接觸 部分為固定連接，當聲波入射到材料表面時，固定的硬質材料相當于質量無窮大的剛體，在 某一頻率點附近硬質材料和軟質材料發生共振，而在該共振頻率點以下材料的等效質量為 負值，導致在該頻段內通過的聲波能量隨傳播距離的增加呈指數衰減，從而實現了對低頻 聲波的阻隔。
圖1是現有技術中所述的聲波從一種介質垂直入射進入另一種介質的示意圖；圖2是本發明實施例所述的一種新型低頻隔聲材料的示意圖；圖3是本發明實施例所述的低頻隔聲材料對應的彈簧質量系統中一個負質量單 元的力學模型示意圖；圖4是本發明實施例所述的低頻隔聲材料對應的一維無限長彈簧質量離散系統 的示意圖；圖5是本發明實施例所述的低頻隔聲材料通過隔聲測試實驗得到的傳遞損失曲 線示意圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實 施方式對本發明作進一步詳細的說明。實施例參照圖2，本發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備上的硬質材料；優選的，所述硬質材料包括普通鋼、合金鋼和鋁合金。所謂楊氏模量(Young' s modulus)是表征物質材料在彈性限度內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方向、長度方向等)的彈性模量。本實施例中通過選用楊氏模量大于 lOGPa的硬質材料作為框架，并且將所述的框架固定于需要降低低頻噪聲的外接設備上。具 體來說，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 述的硬質材料制作的框架固定于所述交通工具的外殼上。實際應用中，所述的硬質材料可 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材料；所述硬質材料與軟質材料的 接觸部分為固定連接。優選的，所述軟質材料包括丁苯橡膠和硅橡膠。硬質材料作為框架，所述的框架用楊氏模量小于lOOMPa的軟質材料進行填充，并 且填充后所述的硬質材料和軟質材料的接觸部分為固定連接，所謂的固定連接具體來說是 指兩種材料之間不會發生相對運動。優選的，通過黏貼或鉚接的方式實現固定連接。實際應用中，在用軟質材料對硬質材料框架進行填充時，通過將軟質材料和硬質 材料接觸的部分進行黏貼或鉚接從而實現兩者的固定連接。實際應用中，所述的軟質材料 可以選用丁苯橡膠和硅橡膠等。優選的，所述框架為網格狀。假設當前硬質材料為不銹鋼，其框架為網格狀，用丁苯橡膠對不銹鋼的網格狀框 架進行填充時，將網格的內邊緣涂抹黏貼劑后將橡膠填充進去，通過黏貼實現丁苯橡膠和 不銹鋼接觸部分的固定連接。需要說明的是，實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格上，通過黏貼或鉚接等方式進行固定也是可以的，只要能 夠實現振動中兩者相對固定，不發生滑動就可以。這里為了簡要說明僅選取已做出樣品的 圖2的實例進行介紹。需要說明的是，本實施例中對應用中常用的硬質材料和軟質材料進行了舉例介 紹，實際中可以按照本實施例中所述的楊氏模量值的范圍選取硬質材料和軟質材料，當然 由于材料選擇的不同隔聲效果也會有一定的變化。同時，圖2中給出了一些具體尺寸，所涉 及到數字僅是為了直觀而進行的舉例介紹，實際中可以經過設計選取其他的尺寸。并且，所 介紹硬質材料的框架為網格狀，實際應用中還可以為其他多種形狀，如孔洞狀等等。通過固定硬質材料的框架以及保持軟質材料和硬質材料之間的固定連接，實現 聲波入射到材料表面時，硬質材料和軟質材料在某一頻率點附近發生共振，在該共振頻率 點以下材料的等效質量為負，導致在該頻段內通過的聲波能量隨傳播距離的增加呈指數衰 減，從而實現了對低頻聲波的阻隔。這里進一步說明本實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 對應的彈簧質量系統中一個負質量單元的力學模型示意圖；其中，F為聲波傳播過程中單 元所受的力，G為單元內部彈簧(對應軟質材料)的彈性系數，u為外圈質量塊(對應軟質 材料)的位移，！^為軟質材料的質量。根據牛頓第二定律，外圈所受的合力等于加速度力， 則有F-Gu = -% 、，又可以寫成F= (G-m0co2)Uo如果我們把整個復合質量單元看成是 一個沒有內部結構的實心質量塊，定義其等效質量為mrff，那么運動方程即為F = -mrff 2u。等效原理要求兩種結構服從同樣的運動方程，就要求_mrff co2 = G-m0 2，最終得到等效質量 為 meff = m。-G/w2，或式中(0。為共振角頻率，Co為激勵角頻率，可以發現當(0 < 。時，等效質量為負值。基于實際應用中所述的低頻隔聲材料是一個連續體，連續體模型可以認為是無窮 多個離散體的集合，因此在用離散體模型對其進行描述時，需要用彈簧將無窮多個負質量 單元進行連接，如圖4所示。當平面聲波在該具有負質量單元的離散體系統中傳播時，其位 移通解可以寫作(假設沿x方向傳播)u = U(leXp(ikX-i t)，其中A =其中P是 質量密度，k是體積模量，傳統介質的質量密度均為正值，所以k是一個實數，而如果介質 的質量為負(如上述負質量單元結構)，那么k就是一個純虛數，如果將其寫成這樣的形式 k = ih，其中h是實數，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衰減，所以透過的聲波能量就會很少，從 而達到了隔聲的效果。基于以上原理，圖2所示也即本文中的實施例，是經過設計的具有低頻隔聲效果 的連續體模型，與負質量單元模型的對應關系為外圈大質量及單元內部彈簧對應軟質材 料部分，單元內部固定質量塊對應硬質材料部分，從而實現了共振頻率以下等效質量為負 值，達到了低頻隔聲的目的。實驗測試中，白噪聲進入內徑100毫米的阻抗管內形成平面波，入射到實施例所 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 穿過材料。圖5給出了實施例所述的低頻隔聲材料的傳遞損失的實驗測試曲線，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 以達到70dB，在共振頻率以下平均隔聲量也可以達到40dB，并且在共振頻率以下頻率越低 隔聲效果越好，正好與傳統材料隔聲效果相反，使得低頻聲能被大大削減，從而達到了降低 噪聲的目的。需要說明的是，實施例材料的共振頻率在1100Hz附近僅是一個舉例，應用中 可以根據實際需求進行相應的設計，以滿足具體的隔聲要求。以上對本發明所提供的一種新型低頻隔聲材料進行了詳細介紹，本文中應用了具 體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發 明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，可以在具 體實施方式及應用范圍上進行調整以滿足實際需求，綜上所述，本說明書內容不應理解為 對本發明的限制。
權利要求
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備上的硬質材料；楊氏模量小于100MPa的用作填充框架的軟質材料；所述硬質材料與軟質材料的接觸部分為固定連接。
2.根據權利要求1所述的低頻隔聲材料，其特征在于 所述硬質材料包括普通鋼、合金鋼和鋁合金。
3.根據權利要求2所述的低頻隔聲材料，其特征在于 所述軟質材料包括丁苯橡膠和硅橡膠。
4.根據權利要求3所述的低頻隔聲材料，其特征在于 所述框架為網格狀。
5.根據權利要求4所述的低頻隔聲材料，其特征在于 通過黏貼或鉚接的方式實現固定連接。
全文摘要
本發明提供了一種新型低頻隔聲材料，通過將一種楊氏模量大于10GPa的硬質材料的框架固定于外接設備，并用楊氏模量小于100MPa的軟質材料對其進行填充，同時所述的硬質材料與軟質材料的接觸部分為固定連接，當聲波入射到材料表面時，固定的硬質材料相當于質量無窮大的剛體，在某一頻率點附近硬質材料和軟質材料發生共振，而在該共振頻率點以下材料的等效質量為負值，導致在該頻段內通過的聲波能量隨傳播距離的增加呈指數衰減，從而實現了對低頻聲波的阻隔。
文檔編號G10K11/168GK101908338SQ201010226308
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月6日 優先權日2010年7月6日
發明者周蕭明, 姚姍姍, 胡更開 申請人:北京理工大學