基于分形结构的低频隔声人工材料

摘要

本发明公开一种基于分形结构用于低频隔声的人工声学材料，该低频隔声人工声学材料包括基底材料以及位于该基底材料上的分形结构单元阵列，该分形结构单元阵列由多阶分形周期单元排列构成，由3D打印制成。由于人工声学分形结构存在自相似性及较强的空间折叠特性，当声波入射到该材料结构中声波传播路径被分形路径大大加长，同时会在低频声波段产生多谐振，导致在低频声频段内通过的声波能量随传播距离的增加而急剧衰减，从而实现了对低频声波的阻隔。本发明具有轻质、阻隔低频噪声良好效果，可为低噪声的工作生活环境提供一种全新的隔声材料。

说明书

技术领域

本发明涉及低频隔声材料技术领域，特别涉及一种基于分形结构的新型人工低频隔声材料。

背景技术

在亚波长空间低频声阻隔是一个具有挑战性的任务，因为一般情况下，要隔离低频段的声波，根据质量定律就需要隔声部件的厚度尺寸足够大，质量定律表明，当隔声材料选定后，为增加其隔声量，唯一的办法是增加隔声材料厚度，厚度增加一倍，单位面积质量即增加一倍，隔声量仅仅增加6dB；该定律还表明，低频的隔声比高频的隔声要困难。实际工程经验表明，靠增加厚度所能获得的隔声量的增加比理论值低，厚度加倍，隔声量大约只增加4.5dB，因此需要开发新型的低频隔声材料。

随着人们对新型人工电磁材料理论研究和应用开发的深入，超材料在声学方向的应用也引起了众多研究人员的兴趣。超材料在声学和在电磁学上的类似对应关系已经在前人的研究当中得以证实，将超材料的概念扩展到声波段的可能性也在被该领域的专家研究。声学超材料是自然界没有的、与传统声学材料完全不同的、具有特殊性质的用于声学工程的人工材料。在过去十几年，一些基于声学超材料概念的特殊性能已经被设计和实验验证，如低频率声音阻隔、声音的负折射、超透镜成像及声学隐身斗篷等。作为声学工程的重要应用，人工吸声材料及器件逐渐被研究开发，诸如以增强声音衰减和吸收，包括膜型声学超材料吸收器、多孔薄片晶体、气球样软体谐振器、声学黑洞、超薄及超宽带声学超材料等。然而，该领域仍存在诸多缺陷，比如低频声吸收效率低、声传输损耗的带宽太小，这些都明显阻碍了他们的实际应用。

分形结构常见于自然界地形上的分形地貌特征，经常应用于建筑设计、天线、微波器件设计。目前可见已被广泛应用于电磁学领域的分形超材料，具有许多独特的优点比如小型化、多共振、多模式、自匹配等。同样，由于分形结构的自相似性质，应用于声学工程中也会产生多频声的特性响应，使其成为一种声阻隔与吸收的新型材料。我们发明的一种基于分形结构的低频隔声人工声学材料是由希尔伯特分形单元构成，能够实现宽带低频声阻隔。通过精心设计分形单元结构，可以实现从225至1175赫兹宽带低频声波阻隔与吸收。声传输损耗与吸收系数的测量结果与仿真结果吻合很好，证实了基于分形结构的低频隔声人工声学材料的可行性。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种基于分形结构的低频隔声人工声学材料。为声学工程提供了设计新材料的新方式，通过分形的方式增加声波在单元结构中传播的实际路线长度，提高隔声效果。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种基于分形结构用于低频隔声的人工声学材料，采用如下技术方案：所述低频隔声人工声学材料包括基底材料以及位于该基底材料上的分形结构单元阵列，该分形结构单元阵列由一阶分形单元、三阶分形单元、四阶分形单元构成的多阶分形周期单元排列构成；最外层为一阶分形单元，第二层为三阶分形单元，内层为四阶分形单元；四阶分形单元在入射声波方向沿中心垂直线成对称结构。

所述三阶分形单元，是由四个相互连接的二阶分形单元构成的。

所述一阶至四阶分形单元的结构和尺寸由计算机分形结构程序自动生成(参见：Addison Wesley出版社于2002年出版的《Hacker′s Delight》(作者：Henry S.Warren)书中公布的希尔伯特分形程序：A Recursive Algorithm for Generating the HilbertCurve)，其分形周期单元周期及尺寸与其谐振频率成反比，当分形周期单元尺寸增大时其谐振频率会往低频方向移动，反之，则向高频移动。

所述基底材料和分形结构单元阵列由光敏树脂材料经3D打印而成。

所述一阶至四阶分形周期单元为希尔伯特分形结构。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明首次采用分形单元用于形成低频隔声人工材料，为声学工程提供了设计新材料的新方式，通过分形的方式增加声波在单元结构中传播的实际路线长度，提高了隔声效果；

(2)本发明试件的模型在225Hz至1175Hz频率范围内可以连续实现声传输损耗10dB以上，且平均吸声系数达到0.8以上；

(3)本发明试制的隔声材料满足宽频隔声的要求；

(4)本发明的低频隔声人工材料无需另外增加吸声或隔声材料；

(5)本发明的低频隔声人工材料样品，制备方法简单快捷，而且原材料采用光敏树脂，制得的样品试件具有轻质量和低成本的特点。

附图说明

图1为本发明的基于分形结构的低频隔声人工声学材料；

图2a为实施例中一阶分形单元的结构示意图；

图2b为实施例中二阶分形单元的结构示意图；

图2c为实施例中三阶分形单元的结构示意图；

图2d为实施例中四阶分形单元的结构示意图；

图3a为实施例中一阶分形单元结构的等效折射率、等效阻抗、等效密度的等参数变化曲线；

图3b为实施例中二阶分形单元结构的等效密度参数变化曲线；

图3c为实施例中三阶分形单元结构的等效密度参数变化曲线；

图3d为实施例中三阶分形单元结构的等效密度参数变化曲线；

图4a为319Hz时分形结构人工隔声材料吸声时的声场分布图；

图4b为624Hz时分形结构人工隔声材料吸声时的声场分布图；

图4c为965Hz时分形结构人工隔声材料吸声时的声场分布图；

图4d为1125Hz时分形结构人工隔声材料吸声时的声场分布图；

图5a为仿真和测试对比的分形结构人工隔声材料吸声系数；

图5b为仿真和测试对比的分形结构人工隔声材料传输损耗。

具体实施方式

本发明的一种基于分形结构的低频隔声人工声学材料，包括基底材料以及位于该基底材料上的分形结构单元阵列，该分形结构单元阵列由多阶分形周期单元排列构成。

基底材料和分形结构单元阵列可采用光敏树脂或ABS工程塑料等轻质3D打印材料制成。

本发明的低频隔声人工材料样品整体的长宽为200mm×200mm，样品的高度为15mm。

分形单元结构的壁厚为0.4mm，分形单元构成的空腔为3.6mm。

低频隔声样品的最外层由一阶分形单元构成。

低频隔声样品的第二层由三阶分形单元构成。

低频隔声样品的内层由四阶分形单元构成，样品在入射声波方向沿中心垂直线成对称结构。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的基于分形结构的低频隔声人工声学材料，如图1，是本发明用3D打印技术制备的用于低频隔声人工结构材料实施实例示意图，包括基底材料以及位于该基底材料上的分形结构单元阵列，该分形结构单元阵列由多阶分形周期单元排列构成，该实例的长宽高尺寸分别为：200mm×200mm×15mm。

首先为了获得低频隔声所需要的分形单元，对用到的一阶至四阶分形单元进行等效参数提取。如图3a所示，是对一阶分形单元提取其等效密度、相对折射率及相对阻抗等参数的提取，有参数曲线特点可见一阶分形单元表现出弱色散和相对于空气良好阻抗匹配的特点。利用该特点，将一阶分形单元设计在隔声材料的最外层，因材料与空气阻抗匹配良好，有助于增加材料隔声的工作带宽。

对于隔声材料人工材料的第二层为三阶分形单元，而三阶分形单元可分解为四个连通二阶分形单元，如图3b和3c所示，我们分布提取了二阶和三阶分形单元的等效密度特性曲线，可见，二阶分形单元在950Hz至1200Hz之间表现出8个谐振峰，而三阶分形单元则从550Hz至750Hz表现出6个谐振峰。如图3d所示为四阶分形单元等效密度参数曲线，在200Hz至500Hz频率范围内，显示出8个谐振峰。

在约200Hz至2000Hz频率范围内，我们将一阶至四阶分形单元结构由外到内按序排列，组成本发明的实施实例，当入射声波频率和结构自身特征频率一致时，会产生共振现象。在共振峰附近会产生声波能量局域现象，这会导致结构中的声场强烈谐振，使大部分能量都被转换为热能、机械能以及声粘滞损耗，从而达到隔声性能。在实际应用中，也可以将此结构按照需求进行有目的的周期性排列，以满足工程环境的安装要求。

为了验证本发明的基于分形结构的低频隔声人工声学材料实施效果，我们对该实施实例运用COMSOL软件声学模块进行全波仿真，得到如图4a-4d所示的该分形人工材料对319Hz、624Hz、965Hz和1125Hz时的入射声波的局域效果声场分布图。

我们进一步测量了该人工材料实施实例的吸声系数和声传输损耗，由图5a和图5b所示，实验和仿真吻合的比较好，验证了本实施实例的正确性。

本发明的具体制备过程如下：

(1)利用AutoCAD或者UG等专业软件，根据实际应用需求，确定本发明结构的大致工作参数要求，利用已知的计算机分形图形程序(Addison Wesley出版社于2002年出版的《Hacker′s Delight》(作者：Henry S.Warren)书中公布的希尔伯特分形程序：ARecursiveAlgorithm for Generating the Hilbert Curve)自动生成分形结构；

(2)将分形模型导入声学仿真软件COMSOL，利用其声结构模块，计算出超材料相对于空气的等效参数，然后根据等效参数，优化分形结构模型参数；

(3)用优化后的结构参数在AutoCAD或CST中建立三维实体模型，导出可用于3D打印的加工文件，利用3D打印制备声人工材料；

(4)对打印完成的结构进行后续处理，主要包括静置、固化、洗粉、包覆等。

(5)为验证本发明的材料可靠性，可取样进行实验验证其吸声系数及声传输损耗等参数，观察到实验测得参数与设计参数一致时，制备完毕。