專利名稱：聲能吸收超材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及全新的能量吸收材料，特指吸收聲能并提供屏蔽或聲障礙。具體而言，本發明涉及一種用作聲波吸收系統的暗聲學超材料，盡管該系統是幾何上開放的。
背景技術：
低頻聲波的衰減一直都是一個頗具挑戰性的任務，因為耗散系統的動力學特性通常由線性響應函數所描述，摩擦力和摩擦流均正比于響應變量隨時間變化的速率。所以能量的耗散或吸收功率正比于響應變量時間變化率的平方，這也是均勻材料對低頻聲波微弱吸收性的原因。為了提高低頻下的耗散，通常需要增大有關材料中的能量密度，比如通過共振的方式。
發明內容
本發明包括以下方面:I) 一種聲能吸收超材料，包括:封閉的平面框架；固定于所述框架上的彈性薄膜；附著于所述彈性薄膜上的至少一個硬片，該硬片具有非對稱形狀，且該硬片的一條直邊附著于所述彈性薄膜上，該硬片構成了一個結構單元并具有事先確定的質量，該結構單元的振動包含有若干個頻率可調的振動模式。2)上述第I)項所述的聲能吸收超材料，其中所述硬片的振動模式提供了可調的頻率，所述頻率近似按照所述硬片的質量平方根的倒數變化。3)上述第1)-2)項中任一項所述的聲能吸收超材料，其中所述硬片的振動模式提供了可調的頻率，所述頻率可隨著所述不對稱硬片之間距離的改變而變化。4)以上第I) -3)項中任一項所述的聲能吸收超材料，還包含至少I個鋁反射板，該鋁反射板放置于所述薄膜之后，且該鋁反射板與所述薄膜之間的距離為事先約定的近場距離。5)以上第I)-4)項中任一項所述的聲能吸收超材料，可包含2個硬片。6)以上第I)-5)項中任一項所述的聲能吸收超材料，其中由所述結構單元所確定的本征頻率至少有2個，并且所述框架安排所確定的共振頻率介于所述2個本征頻率之間。7)以上第I)-6)項中任一項所述的聲能吸收超材料，其中所述結構單元所帶有的所述硬片由于振動的原因具有可調的共振頻率，可通過增大或減小相鄰的所述硬片之間的距離來調節所述共振頻率，因此允許挑選該共振頻率作為所述結構單元之間的有損耗的內核。8) —種包含以上第1)-7)項中任一項所述的聲能吸收超材料的聲能吸收面板，其中相鄰的所述框架間的距離與所述框架的大小具有事先確定的關系。
圖1A是一個單元吸收性能的圖形描述。圖1B是圖1A中的樣品在172赫茲處振幅-位置的圖形描述。圖1C是圖1A中的樣品在340赫茲處振幅-位置的圖形描述。圖1D是圖1A中的樣品在710赫茲處振幅-位置的圖形描述。圖1E是圖1A-1D中樣品單元的相片。圖2顯示了楊氏模量的數值。圖3是一個樣品的吸收-薄膜振幅的圖形描述。圖4包含一系列的圖，顯示了計算得到的彈性勢能能量密度的分布(左欄)、應變張量的跡(中欄)、以及xy平面內的位移w (右欄)。圖5A顯示了測量得到的2層樣品的吸收系數。圖5B是結構的相片。圖6A和6B顯示了 172赫茲(圖6A)和813赫茲(圖6B)下的吸收峰與質量平方根倒數和鐵片距離倒數的關系。圖7顯示了 I層薄膜(圖7A)和5層薄膜(圖7B)的吸收。圖8是45°斜入射實驗裝置的相片。圖9顯示了不同入射角時測得的吸收系數，其入射角為:0° (圖9A)、15° (圖9B)、30。(圖 9C)、45° (圖 9D)和 60。(圖 9E)。
具體實施例方式概沭“超材料”一詞是指通過共振方式與入射波耦合的材料。在開放系統中，共振的輻射耦合是另一種有效減小吸收的方式。盡管聲學超材料的出現極大地拓寬了材料參數的可能空間，但迄今為止，還沒有一種亞波長共振結構能夠有效地吸收低頻聲波。與此對應的是，為了能夠有效地吸收電磁波，多種電磁波超材料已被設計出來，“光學黑洞”也已經實現。通過在彈性薄膜上鑲嵌特定款式的硬質金屬片而制成的聲學超材料在170赫茲的低頻處可吸收86%的入射聲波，雙層超材料在最低和稍高些的若干共振頻率處可以吸收高達99%的入射聲波。因此，這些超材料在這些頻段對聲波是“暗”的。共振模式的空間分布函數及共振頻率的有限元數值模擬的結果和實驗數據符合得非常好。尤其是，在共振模式中，測量得到的位移場剖面分布函數的斜率在金屬片的邊界附近是不連續的，意味著在這些細小的空間內蘊藏著顯著增強的彈性曲率能量，而這些能量又與聲波的輻射模式幾乎沒有耦合，這就導致了入射聲波的強烈吸收。這類似于一個共振腔系統，只不過這里的共振腔是幾何上開放的。需要注意的是，本發明的薄膜型超材料與之前的反共振頻率工作機制是不同的。反共振頻率處于兩個本征共振頻率之間，此時結構與聲波沒有耦合(伴隨著動態質量密度在此頻率附近的發散行為)，因而產生了強烈的反射。沒有耦合，自然也就沒有吸收。但即使在共振頻率附近，測量得到的吸收系數仍然較低，這是由于與聲波的輻射模式之間有較強的耦合作用，從而產生了較高的透射。與此相反，在暗聲學超材料中高能量密度區域僅僅與輻射模式有微弱的耦合，從而導致了在開放式共振腔中的幾乎完全吸收。在這樣的安排下，反共振模式并沒有多大作用。反共振本質上是阻擋聲波的，而不是吸收聲波。例子圖1A給出了圖1E所示的一個結構單元的吸收性能的圖形描述。在圖1A中，111曲線表示測量得到的樣品A 的吸收系數。有3個吸收峰，分別位于172、340和813赫茲，用實線箭頭標記于曲線111附近。172、340和710赫茲的虛線箭頭標記出了有限元模擬預測的吸收峰位置。813赫茲的峰是實驗觀測到的曲線111上“D”點的頻率位置。710赫茲的箭頭顯示了數值計算給出的頻率位置。理想情況下，710赫茲和813赫茲這兩個數值應該是相等的，此處的差異顯示由于物理性質的原因，對樣品A的理論計算并不能完全準確。圖1A的結構單元含有一塊長度為31毫米、寬度為15毫米、厚度為0.2毫米的矩形彈性薄膜，其四周用硬質邊框固定住。每塊薄膜的表面都鑲嵌有2片半圓形的金屬鐵片，其半徑為6毫米，厚度為I毫米。為了有利于“拍動”模式的產生，鐵片有意設計為非對稱的半圓形，原理見后文。這就產生了一個相對較硬網格，可看作是一個封閉的平面框架，覆蓋幾十厘米到幾十米的范圍。此外，鐵片可用非對稱形狀的其它的硬或半硬的材料(包括但不局限于各種常見金屬，如鋁、鉛、鋼等；以及各種塑料，如聚苯乙烯、聚氯乙烯、亞克力等)代替。這種構型的樣品稱之為樣品A，在圖1A中薄膜位于xy平面內，2塊金屬片布置于y軸的兩側，聲波沿z方向入射。這種相對簡單的結構單元有利于我們理解有關的物理機制，也方便了實驗測量與理論模型的比較和分析。樣品A的3個剖面分布函數分別畫在圖1B、1C和ID中。該函數給出了圖1A中
B、C和D點處薄膜的法向位移w沿著結構單元中線(X軸)的剖面分布。其中的直線部分(7.5mm ^ x彡13.5mm)即為鐵片的位置，可認為是剛性的。圖1B、IC和ID中的圓圈鏈131、132、133代表激光測振儀得到的實驗數據。實線141、142、143表示有限元數值模擬的結果。樣品A的相片顯示在圖1E中。實驗測量得到的樣品A的吸收系數頻譜如圖1A所示，一共有3個共振吸收峰，分別位于172赫茲、340赫茲和813赫茲附近，也許最讓人吃驚的莫過于172赫茲附近的第I個吸收峰，超過70%的入射聲波的能量被樣品吸收了。這是一個令人驚異的結果，因為薄膜的厚度只有200微米，而該頻率處聲波在空氣中的波長約為2米。圖1A顯示這一現象直接起源于彈性薄膜共振時的振動模式。圖1A中位于172、340和710赫茲處的箭頭指示了計算得到的吸收峰頻率位置。橡膠薄膜的楊氏模量和柏松比分別是1.9X IO6Pa和0.48。實驗中用到的薄膜是用型號為Silastic 3133的娃橡膠(得自DowCorning或旭日成化工)制成的，其楊氏模量和泊松比是測量得到的。圖2顯示了楊氏模量的數值。圓圈211、222、223表示楊氏模量在幾個頻率處的實驗數據。虛線表示1.9X IO6Pa,其為相關頻率范圍取值區間內的平均值。
測量時采用了 ASTM E-756夾層梁配置法:薄膜的彈性參數是根據無膜(只有兩塊鋼板)和有膜(兩塊鋼板中間夾著一層薄膜)時系統動力學性質的變化而得到的。通過這種方法，可得到薄膜的剪切模量在若干個頻率處的數值。同時，測量發現薄膜的泊松比約為
0.48。因此，根據彈性常數之間的關系式，Ε=2μ (1+V), (0.1)我們 可以得到在這幾個頻率處楊氏模量的數值，如圖2中圓圈211、222、223所示。對于我們所采用的硅橡膠材料，其楊氏模量在相關頻率范圍內的取值區間是從
1.2 X IO6Pa到2.6 X IO6Pa0為了簡化模型，我們采用了一個與頻率無關的楊氏模量，其值為E=L 9 X IO6Pa,如圖2中虛線所示。楊氏模量的虛部為Im(E) ^ ω xQ，其中x。=7.96 X IO2Pa.s是通過擬合實驗吸收譜而得到。模擬計算時，發現了多個本征態，我們從中挑選出了具有左右對稱性(即關于y軸對稱)的本征態，因為非對稱的本征態不能被正入射的平面聲波所激發。這樣挑選出來的吸收峰分別位于172赫茲、340赫茲和710赫茲附近，在圖1A中用虛線箭頭標出，它們與實驗觀測到的3個吸收峰的位置符合得很好。圖1B、IC和ID中，畫出了在3個共振吸收峰附近，樣品A的一個結構單元中z方向位移分量w沿著X軸的剖面分布函數。圓圈鏈131、132和133表示用激光測振儀得到的實驗數據，實線141、142和143表示有限元數值模擬的結果，它們符合得非常好。其中最顯著的特征是:盡管z方向位移w在鐵片的邊界上是連續的(金屬鐵片位于w的直線部分，其相應的曲率為零)，但w沿著垂直于鐵片邊界方向上的一階空間導數卻有一個急劇的不連續性。對于最低頻的吸收峰的共振模式，這一不連續性是由于2塊半圓形鐵片相對y軸作對稱性的“拍動”所引起的，此時2塊鐵片就像鳥的“兩翼”一樣來回拍動。而對于712赫茲吸收峰的共振模式，這一不連續性則是由中央薄膜(位于結構單元中央的那部分薄膜)的大幅振動所引起的，此時2塊鐵片起著“錨”的作用。拍動使得鐵片的運動并不是沿著z方向(薄膜法線方向)的純平動。參與拍動的鐵片，其不同部分有不同的法向位移(相對于平衡位置而言)。從物理上說，鐵片的拍動可看作是沿著Z方向的純平動和繞著平行于X軸的轉動的疊加。這些本征模式的特征提示了其共振頻率如何去調節:對于“拍動”模式,其本征頻率正比于鐵片質量平方根的倒數；而對于中央薄膜振動模式，其本征頻率會隨著2塊鐵片之間距離的改變而變化，如圖2所示。介于兩者之間的第2個吸收峰的振動模式，仍然是一種“拍動”，只不過作為兩翼的鐵片，其兩端的運動是反相的。鐵片非對稱的形狀增強了拍動模式。另一組樣品B，其結構單元中每塊彈性薄膜的長度增加到159毫米，寬度和厚度則保持不變。每塊薄膜的表面鑲嵌有8片相同的半圓形的金屬鐵片。這些鐵片分為左右兩組，每組4片。兩組鐵片對稱地布置于y軸的兩側，相距32毫米。在每組內部，相鄰鐵片之間的周期為15毫米。樣品B用來實現在多個頻率幾乎百分之百地吸收低頻聲波。圖3給出了樣品B的吸收系數-薄膜位移之間的關系，顯示了通過在薄膜后方的近場距離內放置一個或多個鋁反射板來調節阻抗的影響。圓圈321-325表示當薄膜與鋁板之間的距離從7毫米逐漸增加到42毫米(步長為7毫米)時，實驗測量得到的172赫茲處的吸收系數。水平虛線341表示將鋁板去掉，即鋁板移到無限遠處時的吸收系數。
圖3給出了當入射聲波的壓強振幅為0.3Pa時，172赫茲的吸收系數隨著薄膜最大法向位移振幅的測量值之間的函數關系。圓圈321-325中的每一個對應于薄膜-鋁板距離從7毫米變化到42毫米的一種情況，步長為7毫米。可以看出，在薄膜后增加一層空氣墊可以增強聲波的吸收，對于42毫米的膜-板距離(此長度約為空氣中波長的2%)吸收系數可達到86%。然而，若將鋁板移到無限遠的地方，最終反而會減小吸收系數，如圖中虛線341所示。通過考察在彈性固體薄板中傳播的彎曲波所滿足的雙調和方程，可以找到強烈吸收的一個解釋:
權利要求
1.一種聲能吸收超材料，包括: 封閉的平面框架； 固定于所述框架上的彈性薄膜； 附著于所述彈性薄膜上的至少一個硬片，該硬片具有非對稱形狀，且該硬片的一條直邊附著于所述彈性薄膜上，該硬片構成了一個結構單元并具有事先確定的質量， 該結構單元的振動包含有若干個頻率可調的振動模式。
2.權利要求1中所述的聲能吸收超材料，其中所述硬片的振動模式提供了可調的頻率，所述頻率近似按照所述硬片的質量平方根的倒數變化。
3.權利要求1中所述的聲能吸收超材料，其中所述硬片的振動模式提供了可調的頻率，所述頻率可隨著所述不對稱硬片之間距離的改變而變化。
4.以上權利要求中任意一項所述的聲能吸收超材料，還包含至少I個鋁反射板，該鋁反射板放置于所述薄膜之后，且該鋁反射板與所述薄膜之間的距離為事先約定的近場距離。
5.以上權利要求中任意一項所述的聲能吸收超材料，可包含2個硬片。
6.以上權利要求中任意一項所述的聲能吸收超材料，其中由所述結構單元所確定的本征頻率至少有2個，并且所述框架安排所確定的共振頻率介于所述2個本征頻率之間。
7.以上權利要求中任意一項所述的聲能吸收超材料，其中所述結構單元所帶有的所述硬片由于振動的原因具有可調的共振頻率，可通過增大或減小相鄰的所述硬片之間的距離來調節所述共振頻率，因此允許挑選該共振頻率作為所述結構單元之間的有損耗的內核。
8.一種包含有權利要求1中所述的聲能吸收超材料的聲能吸收面板，其中相鄰的所述框架間的距離與所述框架的大小具有事先確定的關系。
全文摘要
本發明提供了一種聲能吸收超材料，包括至少一個帶有彈性薄膜的封閉平面框架，該薄膜上附著有一個或多個硬片。所述硬片具有非對稱的形狀，且有一條直邊附著于所述薄膜上，因此所述硬片構成了具有事先確定的質量的結構單元。此結構的振動包含有若干個頻率可調的共振模式。該聲能吸收超材料盡管是幾何上開放的，但能夠有效地吸收低頻聲波。
文檔編號G10K11/162GK103137118SQ201210490610
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月27日 優先權日2011年11月30日
發明者沈平, 楊志宇, 溫維佳, 梅軍, 馬冠聰 申請人:香港科技大學