消震隔音屏障的制作方法

本專利申請要求于2014年8月20日提交的第62/070,274號臨時專利申請的優先權，該臨時申請已由發明人提交并轉讓給申請人，其內容以引用的方式并入本文。

技術領域

本公開涉及一種能量吸收材料，具體地，涉及聲能量的吸收并提供使用基本不透氣板的屏障或聲音屏蔽以及聲音吸收系統。

背景技術：

因為耗散系統的動力學通常由線性響應規則控制，其中線性響應規則規定摩擦力和能量流與速率成線性比例關系，所以低頻聲音和振動的衰減是一項具有挑戰性的任務。因此，耗散功率與速率的平方成正比，由此說明均勻材料對低頻聲波的固有的弱吸收性。為了提高低頻下的耗散，通常需要增加相關材料內的能量密度，例如通過共振的方式。

期望提供一種便攜式消音器，其利用超材料結構并且易于搬運和使用。

技術實現要素：

包括聲/振動能量吸收超材料件的聲音吸收板構造在聲學薄板上。多個消震器固定到聲學薄板，至少部分消震器包括支撐件和柔性膜。柔性膜具有附接至其的一個或多個質量塊或小片。消震器與板組合，吸收由穿過板的聲音透射或振動引起的板的運動能量。

在一種構造中，結構的振動運動包括具有可調諧的共振頻率的多個共振模式。

附圖說明

圖1是示出包括安裝在膜上的一組小片的消震器的圖，其中膜由框架支撐。

圖2是示出具有安裝在板上的一列消震器的消震隔音屏障的圖。

圖3是示出使用多個圖2的消震隔音屏障構成的消音籠的圖。

圖4是示出圖3中描繪的消音籠的聲波透射衰減與頻率的函數關系的圖形化描述。

具體實施方式

概述

術語“超材料(metamaterial)”表示通過共振的方式與入射波耦合的材料。在開放系統中，輻射耦合到共振是可有效地減少耗散的替代方式。雖然聲學超材料的出現已拓寬了可能的材料特性領域，但是迄今為止仍然沒有針對低頻聲音的有效和亞波長吸收的特定共振結構。相比之下，人們已經設計了用于吸收電磁波的各種電磁超材料，并且通過使用超材料將入射波引導到損耗核中，從而實現了“光學黑洞”。

已經發現，通過使用由剛性片的設計圖案裝飾或增強的薄彈性膜得到的聲學超材料可以在給定頻率處以及在較高頻率共振模式處吸收顯著部分的聲波。因此，該結構至少在特定頻率下在聲學上是“暗的”。共振模式形態和頻率的有限元模擬與實驗結果非常一致。具體地，激光多普勒測量顯示共振模式的位移在圍繞小片(platelet)周邊的斜率上的不連續性，這意味著顯著增強的曲率能量集中在最小耦合到輻射模式的這些小體積中，從而產生類似于共振腔系統的強吸收，盡管該系統是幾何上開放的。當應用于聲音吸收系統時，反共振不起重要作用。這是因為反共振在聲音阻擋中是必要的，但在聲音吸收方面效果是不顯著的。

“薄板”中的“薄”是指聲學意義上薄的板，即薄板能夠跟隨穿過板的聲波或振動而彎曲。這種板可以具有相當大的厚度并且仍然是聲學意義上薄的。因此，吸聲效果是通過結合薄板的結構的特性而不是由于板自身的厚度實現的。在本文中描述的薄板的情況下，消震器與板或膜相結合提供了通過板或膜無法單獨實現的吸聲效果。除了“薄板”描述之外，所描述的配置使用了消震器，該消震器使用薄膜。與薄板的情況一樣，膜能夠跟隨聲波或振動而彎曲。此外，膜能夠允許安裝在膜上的小片的運動。

在包括形成消震器的剛性片材或小片增強的薄彈性膜的裝置中，振動能量可高度集中在某些部位，例如小片的邊緣，并通過膜的內部摩擦耗散成熱量。因此，裝置可有效地吸收傳遞到其上的振動能量；即，對固體中的彈性波起到消震器的作用。在空氣聲波和固體中的彈性波的兩種情況中，振動將激勵增強的膜，并且振動能量將被裝置極大地耗散。裝置的工作頻率范圍可通過適當設計來定制，以使它們可以在不同情況下吸收來自各個源的振動。當這種裝置附接到需要減震的固體主體結構，例如梁，板(例如，汽車門或底盤)等時，主體結構的振動被傳遞到框架上，引起所附接的裝置中膜的共振，并引發機械能的耗散。例如，當它們安裝在埋在地下的腔室中時，它們可以減小可能來自過往火車產生的地下彈性波的振幅，甚至地震波的振幅。用于建筑物的振動保護的現有技術需要把建筑物建造在具有大塊鋼增強的橡膠墊和/或消震彈簧的隔振器上。隔振器和建筑物的設計和施工必須一起進行。本發明公開的裝置可以埋入現有建筑物附近的地下而不改變建筑物的基礎。例如可以圍繞火車站構造隔離帶，用于減少來自火車運行的振動。

所公開的構造使用與消震器組合的不透氣板。每個消震器包括安裝在框架中的至少一片膜。膜還具有安裝到膜的振動吸收質量塊或小片。這些小片與膜結合，產生消震器的減振功能。當聲波激發板的振動時，由于消震器與板附接，振動被傳遞到消震器。這種布置使板的激發被消震器吸收，因此板不能傳遞聲音。應注意，由于消震器附接或固定在板上，所以消震器的消震效果是通過將消震器附接到板上而不是通過單獨的消震器來實現的。因此，只有通過板和消震器的組合才能實現全部吸聲。

消震器附接到相對薄的板上以形成具有高聲音傳輸衰減的有效聲音屏障。板可以是相當剛性的，或柔性的不透氣的布料或塑料板材。剛性板的非限制性示例是由聚氯乙烯(PVC)聚合物形成的～1mm厚的硬塑料。柔性布料的非限制性示例是涂覆了不透氣材料的織物、或布料、增強布或非布類篷布材料。塑料板材的非限制性示例是用于浴簾或壁紙的塑料板材、或用于構造為永久或臨時覆蓋材料的塑料板材。

在一個非限制性構造中，板具有接近零的透氣率，否則屏障的聲傳播衰減將隨著透氣率的增加而下降。然而，板可以具有一些透氣率并且仍然具有吸聲功能。

屏障的工作原理依賴于聲波與不透氣板的耦合以及為了聲音穿過板，板必須振動的事實。當聲波入射到不透氣板上時，它們激發板的振動，板然后成為次級聲源并且向板的兩側發射聲波。當消震器附接到板時，板中的大量振動能量被消震器吸收，使在入射側產生反射聲波的由板發射的聲波以及在背側作為透射波的唯一源頭的由板發射的聲波均大大地減少。這種效果在很大程度上獨立于板的相對剛性或高度柔性，例如一塊布料。由于相對剛性，具有消震器的剛性板顯然比具有消震器的柔性板具有更高的聲音傳播衰減。

在許多應用中，能夠像卷簾那樣卷起以便于運輸和展開后屏蔽噪聲源的隔音屏障比大塊板形式的非柔性隔音屏障更有優勢。例如，由柔性屏障制成的便攜式帳篷更方便運輸、組裝和拆卸，并可以用于覆蓋道路/鐵路維修中的噪聲源，特別是在夜間。

實施例

圖1是示出在所述技術的示例性構造中使用的消震器101的圖。消震器101包括框架支撐件或框架103、膜105和塊或小片107。膜105安裝在框架103上，小片107固定在膜105上。小片107類似于第2014/0060962號美國公開專利申請中描述的小片或重物，該美國申請已授權且專利號為8,960,365，該申請通過引用并入本文。在本申請的構造中，小片107特別用作消震器101的一部分，消震器101又用作聲音吸收元件。在非限制性示例中，膜105的厚度小于1mm，并且膜105可以是透氣的。

小片107可以固定到膜或者可以鉸接到膜105。在一個非限制性示例中，小片107有意地制成為不對稱的形狀，以便誘發如在第2014/0060962號專利申請中描述的“拍動”式運動。小片可以由具有非對稱形狀的任何其它剛性或半剛性片材替代。

強吸收的解釋可以通過考慮滿足雙調和方程的薄固體彈性膜的彎曲波(或撓曲波)來找到：

其中D＝Eh³/12(1-ν²)是撓曲剛度，

h膜的厚度。

每單位面積的相應彈性曲率能量由下式給出：

由于Ω是w的二階空間導數的函數，當w的一階導數在小片的邊緣處是不連續時，容易推斷出面積能量密度Ω在邊緣區域應當具有非常大的數值(在薄殼厚度趨向于零時發散)。此外，由于二階導數是二次方的，所以總勢能的積分值也一定非常大。在h趨向無窮小時，系統的振動模式可以被認為是殼模型的弱形式解。在這種意義上，盡管在小片的邊界處不滿足雙調和方程(由于高階導數不存在)，但是除了具有測度為零的點集之外，弱形式解仍然能使相關的拉格朗日達到最小值。

在傳統開放系統中，高能量密度除了被吸收，也同樣可能通過透射和反射波向外輻射。應注意，在當前情況下，彈性能量集中的小體積可以被認為是“開放腔”，其中在膜平面中的橫向限制通過沿法線方向的限制來補充，因為小片和膜之間的相對運動對膜的平均法向位移幾乎沒有貢獻。通過空氣中聲波的色散關系其中下標(||)和(⊥)表示平行或垂直于膜平面的波矢量分量，可以看出小片和膜之間的相對運動(其必須在小于樣本大小d<<λ的尺度上)只能耦合到瞬逝波，因為相關的只有對應于活塞狀運動的膜的平均法向位移才具有k_||分量為零的峰值并因此可以輻射。高能量密度區域由于橫向尺寸小而幾乎對法向位移的平均分量沒有貢獻。

根據彈性波的坡印亭定理，膜內的耗散功率可以計算為：

Q＝2ω²(χ_o/E)∫UdV (2)

吸收的定義為Q/(PS)，其中P＝p²/(ρc)表示入射聲波的坡印亭矢量，S是膜的面積，p是壓強振幅。

圖2是示出消震隔音屏障201的圖。消震隔音屏障201包括板203，其具有固定在板上的消震器101的陣列。消震器101在板203移動時吸收能量。作為非限制性示例，消震器101在其框架103(圖1)處通過粘合劑固定到板203；然而，也可以使用其它附接裝置，例如鉚釘或膨脹材料。

在一個非限制性示例中，塑料板203是從新的浴簾上切割下來的。塑料板203可以是相當剛性的或柔性的。剛性板的非限制性示例可以是～1mm厚的硬塑料，例如聚氯乙烯(PVC)聚合物，但是也可以使用其它塑料和其它材料，例如金屬板和金屬箔。柔性板的非限制性示例是用于浴簾或壁紙類型的塑料板。雖然沒有精確地測量厚度，但是這種類型的板的典型厚度為0.04mm、0.05mm、0.08mm、0.10mm和0.15mm的PVC或聚乙烯乙酸乙烯酯(PEVA)、聚乙酸乙烯酯(PVA)和聚乙烯醇縮丁醛(PVB)聚合物塑料。

可以通過相應結構的楊氏模量和泊松比的組合來描述消震器101與板203的耦合，以及消震器101上的小片107與板203的耦合。這種耦合部分地通過膜105和板203的材料來實現，其余部分通過膜105和板203之間的空氣的壓縮來實現。

返回參考圖1和圖2，雖然描述了單獨的框架支撐件或框架103，但是也可通過將膜結合到支撐結構(例如板203)使支撐結構成為與膜結合的框架。在該構造中，膜除了附接處外，其余部分可以脫離板，或與板齊平。膜脫離板的構造可以通過使板或膜的材料拱起來得以實現，或者可以通過使用在板與膜之間形成的密封腔內的空氣來實現。

在每個消震器101內的小片107可以基本上相似，或者可以具有不同的質量。另外，在單個板203中可以使用具有不同小片107的消震器101，其質量不同于在同一個板203上的其他消震器101中的小片107的質量。

圖3是示出使用多個圖2的消震隔音屏障201構造的示例性消音籠300的圖。該結構被構造為具有開口頂部的立方體籠。該籠的每側邊長約80cm，并且由12個金屬條作為框架和5個消震隔音屏障201覆蓋5個表面構成，留下一個表面為敞開的頂部。屏障的質量面密度約為2.5kg/m²。將厚的環氧樹脂玻璃板安裝在光學臺上，并且在玻璃板上安裝揚聲器(未示出)。然后通過測量在具有和不具有覆蓋住揚聲器的籠的揚聲器上方的聲波來測量籠的聲音傳輸衰減。

圖4是示出用于圖3的籠的聲學透射衰減與頻率的函數關系的圖形化描繪。圖4中所示的曲線圖示出了在國際標準IEC 61672:2003中定義的A權重測量。吸聲籠使A權重平均聲音傳播衰減超過35dB。

為了比較，構造了具有與籠300相同尺寸的對照籠(未示出)，其表面由類似的塑料板覆蓋，但是用鋼片代替消震器101。通過使用與消震隔音屏障的籠相同的方式，測試對照籠上被均勻且致密地覆蓋有直徑約為5cm且厚度為2mm的鋼片的板。對照籠面板的質量面密度為約10kg/m²，或為消震隔音屏障的4倍。測到的A權重平均聲音傳輸衰減略低于20dB。可以看出，消震隔音屏障201的優越聲音透射衰減不是簡單地由質量密度定律決定，而是由消震器101的有效的振動消震能力來決定的。

結論

應當理解，本領域技術人員在所附權利要求中表達的本發明的原理和范圍的情況下，可以對已在本文描述和示出以解釋主題的性質的部件的細節、材料、步驟和布置方面作出許多其它改變。