本發明涉及聲學降噪，具體是一種基于金屬泡沫的低頻寬帶吸聲超材料結構及超構聲屏障。
背景技術：
1、隨著城市化進程的加速和工業化的深入發展，環境噪聲污染問題日益嚴重，特別是在交通、工業和建筑等領域產生的低頻噪聲，由于其穿透力強、傳播距離遠的特點，對人類生活質量和健康產生了顯著影響。為了有效控制這些噪聲，開發高性能的吸聲材料和技術顯得尤為重要。
2、傳統的吸聲材料主要包括多孔材料如泡沫塑料、玻璃棉等，它們通過內部微孔結構消耗聲波能量來達到吸聲效果，對于500hz以上的中高頻噪聲具有較好的吸收效果。然而，這類材料對于頻率低于500hz的低頻噪聲的吸收效率較低。此外，還存在一些基于共振原理設計的吸聲結構，如亥姆霍茲共振器、迷宮型通道吸聲結構、薄膜共振吸聲結構，通過在特定頻率下產生共振效應能夠針對特定頻率范圍提供良好的吸聲性能，但其吸聲頻帶帶寬較窄，難以同時滿足寬頻帶尤其是低頻段高效吸聲的需求。
3、在現有吸聲技術中，盡管已有多種吸聲材料和結構被提出并且在不同的實際場景中得到廣泛應用，但在薄層條件下普遍難以實現低頻范圍的高效吸聲性能。近年來，超材料的出現為解決這一問題提供了新思路，基于超材料思想設計的吸聲超材料結構，可以在薄層條件下實現低頻高效吸聲，在低頻噪聲控制方面顯示出巨大潛力。然而，現有的吸聲超材料結構在兼顧低頻寬帶高效吸聲性能、高承載性能以及復雜環境適應性方面仍面臨挑戰。特別是，在防火性能、耐久性和經濟性等方面的綜合要求使得現有吸聲超材料結構的應用受到限制。現有的吸聲超材料結構在面對現代復雜聲學環境時，普遍存在以下幾方面的不足：一、在嚴苛厚度約束下的吸聲性能仍然有限，特別是對于低頻噪聲的寬帶高效吸聲難以實現，無法滿足日益增長的低頻寬帶降噪需求。二、結構承載力差，許多高性能吸聲超材料結構缺乏足夠的機械強度以承受外部荷載，作為獨立結構使用時，在承受較大風壓或其他外力的情況下表現不佳。三、耐候性和防火性不佳，部分吸聲超材料結構的構成材料易受環境因素（如濕度、溫度變化）的影響而老化失效，并且在火災情況下可能存在安全隱患。四、經濟性較差，一些高效吸聲超材料結構的成本高昂而不適合大規模工程應用，同時維護成本也可能相對較高。因此探索新的解決方案以克服現有技術的局限性，實現更高效、更可靠的噪聲控制，具有重要意義。
4、與此同時，金屬泡沫作為一種輕質高強的新型功能材料，承載能力高，耐候性和防火性好等優點，在多個工程領域都有廣泛的應用前景。當應用于聲學領域時展現出獨特的優勢：由于其獨特的三維網絡狀結構特征，不僅能夠提供足夠的表面積用于聲波能量的耗散，而且還可以通過調整孔隙尺寸、形狀等因素來優化不同頻率下的吸聲性能。然而，單純依靠金屬泡沫本身難以同時滿足低頻寬帶吸聲的要求。如何有效地將金屬泡沫與吸聲超材料結構技術相結合形成穩定、可靠、經濟的整體解決方案是一個需要解決的技術難題。
5、綜上所述，針對實際工程應用中各種復雜惡劣的環境，進一步研發實現低頻寬帶高效吸聲且結構簡單可批量化生產的高可靠高承載新型超材料結構，具有重要的研究價值和應用前景。
技術實現思路
1、針對上述現有技術中的不足，本發明提供一種基于金屬泡沫的基于金屬泡沫的低頻寬帶吸聲超材料結構及超構聲屏障，實現了低頻且寬帶的高效吸聲性能，并且兼具高剛度與強度和優良的環境適應性，可承載、環境耐受性好、防火性能極佳，適用于各種復雜惡劣的環境，確保了長期穩定的工作狀態。此外，相對簡單的構型便于低成本批量化制造，提高了經濟可行性，有利于大規模工程化應用。
2、為實現上述目的，本發明提供一種低頻寬帶吸聲超材料結構，包括金屬泡沫層與復合共振聲腔層，所述金屬泡沫層與所述復合共振聲腔層層疊設置；
3、所述復合共振聲腔層包括母腔結構與子腔結構，所述子腔結構嵌于所述母腔結構內，且所述母腔結構、所述子腔結構均具有朝向所述金屬泡沫層的開口，以使得入射聲波傳播經過所述金屬泡沫層后可進入所述母腔結構、所述子腔結構；
4、所述母腔結構、所述子腔結構的腔體均為單向等截面腔體。
5、在其中一個實施例，所述復合共振聲腔層包括第一底板、第二底板、矩形圍板與側板；
6、所述矩形圍板連接在所述第一底板上，并與所述第一底板圍合連接形成所述母腔結構，所述金屬泡沫層連接在所述矩形圍板頂端；
7、所述側板的數量為兩個，兩所述側板連接在所述矩形圍板內，且所述第二底板連接在兩所述側板的底部，并配合所述側板、所述矩形圍板圍合連接形成所述子腔結構；
8、所述矩形圍板、所述側板設置連接子結構，如翻邊結構或掛耳結構等，用于連接所述金屬泡沫層。
9、在其中一個實施例，其中一所述側板與所述矩形圍板可一體成型，即所述母腔結構的腔體可為l型腔。
10、在其中一個實施例，所述第一底板、所述第二底板、所述矩形圍板、所述側板均為均質板、加筋板、壓筋板、夾芯板中的一種或兩種以上的組合。
11、在其中一個實施例，所述復合共振聲腔層上還可以并聯或嵌入有至少一個矩形腔、u型腔和/或l型腔；
12、并聯或嵌入的矩形腔、u型腔和/或l型腔均為單向等截面腔體，且均具有朝向所述金屬泡沫層的開口，以提高吸聲頻段的調節自由度、提高吸聲能力。
13、在其中一個實施例，所述金屬泡沫層為薄層輕質多孔材料或結構，其優選的其孔隙率大于或等于60%。
14、為實現上述目的，本發明還提供一種低頻寬帶吸聲超材料模組，包括兩個以上的上述低頻寬帶吸聲超材料結構，各所述低頻寬帶吸聲超材料結構依次并聯。
15、在其中一個實施例，任意兩所述低頻寬帶吸聲超材料結構的結構形式、參數相同或不同。
16、為實現上述目的，本發明還提供一種低頻寬帶吸聲超構聲屏障，包括聲屏障殼體結構、上述的低頻寬帶吸聲超材料結構和/或上述的低頻寬帶吸聲超材料模組；
17、所述低頻寬帶吸聲超材料結構和/或所述低頻寬帶吸聲超材料模組設在所述聲屏障殼體結構上。
18、在其中一個實施例，所述聲屏障殼體結構包括骨架、背板、穿孔或穿縫護面板；
19、所述背板設在所述骨架的第一側面上，所述穿孔或穿縫護面板設在所述骨架的第二側面上，且所述穿孔或穿縫護面板與所述背板之間圍成空腔；
20、所述低頻寬帶吸聲超材料結構和/或所述低頻寬帶吸聲超材料模組設在空腔內，且所述低頻寬帶吸聲超材料結構和/或所述低頻寬帶吸聲超材料模組上的金屬泡沫層朝向所述穿孔或穿縫護面板。
21、在其中一個實施例，所述低頻寬帶吸聲超材料結構和/或所述低頻寬帶吸聲超材料模組的第一底板由所述聲屏障殼體結構的背板替代，或與其一體成型，同時，所述低頻寬帶吸聲超材料結構和/或所述低頻寬帶吸聲超材料模組的矩形圍板由所述聲屏障殼體結構的骨架替代，或與其一體成型。
22、與現有技術相比，本發明具有如下有益技術效果：
23、1.本發明在具有優異聲學性能和優良環境適應性的金屬泡沫的基礎上，結合超材料結構設計思想，構造出基于金屬泡沫的低頻寬帶吸聲超材料結構。復合共振聲腔層中的子腔結構和母腔結構均包括一個朝向所述金屬泡沫層的開口，使得入射聲波傳播經過金屬泡沫層后可進入母腔結構和子腔結構，由于母腔和子腔的腔體參數顯著不同，特別是等效深度有顯著差異，從而使得金屬泡沫層與母腔結構和子腔結構可分別耦合形成具有不同諧振頻率的并聯共振吸聲體，進而實現低頻寬帶高效吸聲；此外，金屬泡沫層本身具有良好的中高頻吸聲特性，通過合理的參數設計，可實現兼顧低頻及中高頻帶范圍的超寬帶高效吸聲性能；
24、2.本發明中的金屬泡沫層本身具有高強度、高剛度特性，與復合共振聲腔層的側壁結構連接后，一起構成了具有高承載能力的組合結構，在需要承受較大風壓或其他外力的情況下仍能作為獨立結構使用；此外，金屬泡沫層由于材質為金屬，環境耐受性非常好，防火性能極佳，適用于高壓力、高溫、潮濕、磨損等各種復雜惡劣的環境，堅固耐用的特點確保了長期穩定的工作狀態；
25、3.本發明中的金屬泡沫層為薄層輕質多孔材料結構，和傳統多孔材料吸聲結構相比，本發明需要的多孔材料用量大幅減少，從而顯著降低結構重量，大幅減少造價成本，經濟性得到顯著改善；同時，本發明中復合共振聲腔層包含的子腔結構和母腔結構的腔體均為單向等截面腔體，構型相對簡單，使得子腔結構和母腔結構均便于低成本批量化制造，為基于金屬泡沫的低頻寬帶吸聲超構聲屏障大規模工程化應用鋪平了道路。