專利名稱：聲能吸收超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(fā)明涉及一種用作聲波吸收系統(tǒng)的暗聲學(xué)超材料，盡管該系統(tǒng)是幾何上開放的。
背景技術(shù)：
低頻聲波的衰減一直都是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)楹纳⑾到y(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性通常由線性響應(yīng)函數(shù)所描述，摩擦力和摩擦流均正比于響應(yīng)變量隨時(shí)間變化的速率。所以能量的耗散或吸收功率正比于響應(yīng)變量時(shí)間變化率的平方，這也是均勻材料對(duì)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(guān)材料中的能量密度，比如通過共振的方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(gè)硬片，該硬片具有非對(duì)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(gòu)成了一個(gè)結(jié)構(gòu)單元并具有事先確定的質(zhì)量，該結(jié)構(gòu)單元的振動(dòng)包含有若干個(gè)頻率可調(diào)的振動(dòng)模式。2)上述第I)項(xiàng)所述的聲能吸收超材料，其中所述硬片的振動(dòng)模式提供了可調(diào)的頻率，所述頻率近似按照所述硬片的質(zhì)量平方根的倒數(shù)變化。3)上述第1)-2)項(xiàng)中任一項(xiàng)所述的聲能吸收超材料，其中所述硬片的振動(dòng)模式提供了可調(diào)的頻率，所述頻率可隨著所述不對(duì)稱硬片之間距離的改變而變化。4)以上第I) -3)項(xiàng)中任一項(xiàng)所述的聲能吸收超材料，還包含至少I個(gè)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(chǎng)距離。5)以上第I)-4)項(xiàng)中任一項(xiàng)所述的聲能吸收超材料，可包含2個(gè)硬片。6)以上第I)-5)項(xiàng)中任一項(xiàng)所述的聲能吸收超材料，其中由所述結(jié)構(gòu)單元所確定的本征頻率至少有2個(gè)，并且所述框架安排所確定的共振頻率介于所述2個(gè)本征頻率之間。7)以上第I)-6)項(xiàng)中任一項(xiàng)所述的聲能吸收超材料，其中所述結(jié)構(gòu)單元所帶有的所述硬片由于振動(dòng)的原因具有可調(diào)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(diào)節(jié)所述共振頻率，因此允許挑選該共振頻率作為所述結(jié)構(gòu)單元之間的有損耗的內(nèi)核。8) —種包含以上第1)-7)項(xiàng)中任一項(xiàng)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(guān)系。


圖1A是一個(gè)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(shù)值。圖3是一個(gè)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(jì)算得到的彈性勢(shì)能能量密度的分布(左欄)、應(yīng)變張量的跡(中欄)、以及xy平面內(nèi)的位移w (右欄)。圖5A顯示了測(cè)量得到的2層樣品的吸收系數(shù)。圖5B是結(jié)構(gòu)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(zhì)量平方根倒數(shù)和鐵片距離倒數(shù)的關(guān)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(shí)驗(yàn)裝置的相片。圖9顯示了不同入射角時(shí)測(cè)得的吸收系數(shù)，其入射角為:0° (圖9A)、15° (圖9B)、30。(圖 9C)、45° (圖 9D)和 60。(圖 9E)。
具體實(shí)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(tǒng)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(xué)超材料的出現(xiàn)極大地拓寬了材料參數(shù)的可能空間，但迄今為止，還沒有一種亞波長(zhǎng)共振結(jié)構(gòu)能夠有效地吸收低頻聲波。與此對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)出來，“光學(xué)黑洞”也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。通過在彈性薄膜上鑲嵌特定款式的硬質(zhì)金屬片而制成的聲學(xué)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(dá)99%的入射聲波。因此，這些超材料在這些頻段對(duì)聲波是“暗”的。共振模式的空間分布函數(shù)及共振頻率的有限元數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得非常好。尤其是，在共振模式中，測(cè)量得到的位移場(chǎng)剖面分布函數(shù)的斜率在金屬片的邊界附近是不連續(xù)的，意味著在這些細(xì)小的空間內(nèi)蘊(yùn)藏著顯著增強(qiáng)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(dǎo)致了入射聲波的強(qiáng)烈吸收。這類似于一個(gè)共振腔系統(tǒng)，只不過這里的共振腔是幾何上開放的。需要注意的是，本發(fā)明的薄膜型超材料與之前的反共振頻率工作機(jī)制是不同的。反共振頻率處于兩個(gè)本征共振頻率之間，此時(shí)結(jié)構(gòu)與聲波沒有耦合(伴隨著動(dòng)態(tài)質(zhì)量密度在此頻率附近的發(fā)散行為)，因而產(chǎn)生了強(qiáng)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(cè)量得到的吸收系數(shù)仍然較低，這是由于與聲波的輻射模式之間有較強(qiáng)的耦合作用，從而產(chǎn)生了較高的透射。與此相反，在暗聲學(xué)超材料中高能量密度區(qū)域僅僅與輻射模式有微弱的耦合，從而導(dǎo)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(zhì)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(gè)結(jié)構(gòu)單元的吸收性能的圖形描述。在圖1A中，111曲線表示測(cè)量得到的樣品A 的吸收系數(shù)。有3個(gè)吸收峰，分別位于172、340和813赫茲，用實(shí)線箭頭標(biāo)記于曲線111附近。172、340和710赫茲的虛線箭頭標(biāo)記出了有限元模擬預(yù)測(cè)的吸收峰位置。813赫茲的峰是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的曲線111上“D”點(diǎn)的頻率位置。710赫茲的箭頭顯示了數(shù)值計(jì)算給出的頻率位置。理想情況下，710赫茲和813赫茲這兩個(gè)數(shù)值應(yīng)該是相等的，此處的差異顯示由于物理性質(zhì)的原因，對(duì)樣品A的理論計(jì)算并不能完全準(zhǔn)確。圖1A的結(jié)構(gòu)單元含有一塊長(zhǎng)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(zhì)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(dòng)”模式的產(chǎn)生，鐵片有意設(shè)計(jì)為非對(duì)稱的半圓形，原理見后文。這就產(chǎn)生了一個(gè)相對(duì)較硬網(wǎng)格，可看作是一個(gè)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(duì)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(gòu)型的樣品稱之為樣品A，在圖1A中薄膜位于xy平面內(nèi)，2塊金屬片布置于y軸的兩側(cè)，聲波沿z方向入射。這種相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元有利于我們理解有關(guān)的物理機(jī)制，也方便了實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論模型的比較和分析。樣品A的3個(gè)剖面分布函數(shù)分別畫在圖1B、1C和ID中。該函數(shù)給出了圖1A中
B、C和D點(diǎn)處薄膜的法向位移w沿著結(jié)構(gòu)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(rèn)為是剛性的。圖1B、IC和ID中的圓圈鏈131、132、133代表激光測(cè)振儀得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)線141、142、143表示有限元數(shù)值模擬的結(jié)果。樣品A的相片顯示在圖1E中。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的樣品A的吸收系數(shù)頻譜如圖1A所示，一共有3個(gè)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(gè)吸收峰，超過70%的入射聲波的能量被樣品吸收了。這是一個(gè)令人驚異的結(jié)果，因?yàn)楸∧さ暮穸戎挥?00微米，而該頻率處聲波在空氣中的波長(zhǎng)約為2米。圖1A顯示這一現(xiàn)象直接起源于彈性薄膜共振時(shí)的振動(dòng)模式。圖1A中位于172、340和710赫茲處的箭頭指示了計(jì)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(shí)驗(yàn)中用到的薄膜是用型號(hào)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(cè)量得到的。圖2顯示了楊氏模量的數(shù)值。圓圈211、222、223表示楊氏模量在幾個(gè)頻率處的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。虛線表示1.9X IO6Pa,其為相關(guān)頻率范圍取值區(qū)間內(nèi)的平均值。
測(cè)量時(shí)采用了 ASTM E-756夾層梁配置法:薄膜的彈性參數(shù)是根據(jù)無膜(只有兩塊鋼板)和有膜(兩塊鋼板中間夾著一層薄膜)時(shí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)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(gè)頻率處的數(shù)值。同時(shí)，測(cè)量發(fā)現(xiàn)薄膜的泊松比約為
0.48。因此，根據(jù)彈性常數(shù)之間的關(guān)系式，Ε=2μ (1+V), (0.1)我們 可以得到在這幾個(gè)頻率處楊氏模量的數(shù)值，如圖2中圓圈211、222、223所示。對(duì)于我們所采用的硅橡膠材料，其楊氏模量在相關(guān)頻率范圍內(nèi)的取值區(qū)間是從
1.2 X IO6Pa到2.6 X IO6Pa0為了簡(jiǎn)化模型，我們采用了一個(gè)與頻率無關(guān)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(shí)驗(yàn)吸收譜而得到。模擬計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)本征態(tài)，我們從中挑選出了具有左右對(duì)稱性(即關(guān)于y軸對(duì)稱)的本征態(tài)，因?yàn)榉菍?duì)稱的本征態(tài)不能被正入射的平面聲波所激發(fā)。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(biāo)出，它們與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的3個(gè)吸收峰的位置符合得很好。圖1B、IC和ID中，畫出了在3個(gè)共振吸收峰附近，樣品A的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元中z方向位移分量w沿著X軸的剖面分布函數(shù)。圓圈鏈131、132和133表示用激光測(cè)振儀得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)線141、142和143表示有限元數(shù)值模擬的結(jié)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(xù)的(金屬鐵片位于w的直線部分，其相應(yīng)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(dǎo)數(shù)卻有一個(gè)急劇的不連續(xù)性。對(duì)于最低頻的吸收峰的共振模式，這一不連續(xù)性是由于2塊半圓形鐵片相對(duì)y軸作對(duì)稱性的“拍動(dòng)”所引起的，此時(shí)2塊鐵片就像鳥的“兩翼”一樣來回拍動(dòng)。而對(duì)于712赫茲吸收峰的共振模式，這一不連續(xù)性則是由中央薄膜(位于結(jié)構(gòu)單元中央的那部分薄膜)的大幅振動(dòng)所引起的，此時(shí)2塊鐵片起著“錨”的作用。拍動(dòng)使得鐵片的運(yùn)動(dòng)并不是沿著z方向(薄膜法線方向)的純平動(dòng)。參與拍動(dòng)的鐵片，其不同部分有不同的法向位移(相對(duì)于平衡位置而言)。從物理上說，鐵片的拍動(dòng)可看作是沿著Z方向的純平動(dòng)和繞著平行于X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)的疊加。這些本征模式的特征提示了其共振頻率如何去調(diào)節(jié):對(duì)于“拍動(dòng)”模式,其本征頻率正比于鐵片質(zhì)量平方根的倒數(shù)；而對(duì)于中央薄膜振動(dòng)模式，其本征頻率會(huì)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(gè)吸收峰的振動(dòng)模式，仍然是一種“拍動(dòng)”，只不過作為兩翼的鐵片，其兩端的運(yùn)動(dòng)是反相的。鐵片非對(duì)稱的形狀增強(qiáng)了拍動(dòng)模式。另一組樣品B，其結(jié)構(gòu)單元中每塊彈性薄膜的長(zhǎng)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(duì)稱地布置于y軸的兩側(cè)，相距32毫米。在每組內(nèi)部，相鄰鐵片之間的周期為15毫米。樣品B用來實(shí)現(xiàn)在多個(gè)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(shù)-薄膜位移之間的關(guān)系，顯示了通過在薄膜后方的近場(chǎng)距離內(nèi)放置一個(gè)或多個(gè)鋁反射板來調(diào)節(jié)阻抗的影響。圓圈321-325表示當(dāng)薄膜與鋁板之間的距離從7毫米逐漸增加到42毫米(步長(zhǎng)為7毫米)時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的172赫茲處的吸收系數(shù)。水平虛線341表示將鋁板去掉，即鋁板移到無限遠(yuǎn)處時(shí)的吸收系數(shù)。
圖3給出了當(dāng)入射聲波的壓強(qiáng)振幅為0.3Pa時(shí)，172赫茲的吸收系數(shù)隨著薄膜最大法向位移振幅的測(cè)量值之間的函數(shù)關(guān)系。圓圈321-325中的每一個(gè)對(duì)應(yīng)于薄膜-鋁板距離從7毫米變化到42毫米的一種情況，步長(zhǎng)為7毫米。可以看出，在薄膜后增加一層空氣墊可以增強(qiáng)聲波的吸收，對(duì)于42毫米的膜-板距離(此長(zhǎng)度約為空氣中波長(zhǎng)的2%)吸收系數(shù)可達(dá)到86%。然而，若將鋁板移到無限遠(yuǎn)的地方，最終反而會(huì)減小吸收系數(shù)，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(diào)和方程，可以找到強(qiáng)烈吸收的一個(gè)解釋:
權(quán)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(gè)硬片，該硬片具有非對(duì)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(gòu)成了一個(gè)結(jié)構(gòu)單元并具有事先確定的質(zhì)量， 該結(jié)構(gòu)單元的振動(dòng)包含有若干個(gè)頻率可調(diào)的振動(dòng)模式。
2.權(quán)利要求1中所述的聲能吸收超材料，其中所述硬片的振動(dòng)模式提供了可調(diào)的頻率，所述頻率近似按照所述硬片的質(zhì)量平方根的倒數(shù)變化。
3.權(quán)利要求1中所述的聲能吸收超材料，其中所述硬片的振動(dòng)模式提供了可調(diào)的頻率，所述頻率可隨著所述不對(duì)稱硬片之間距離的改變而變化。
4.以上權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的聲能吸收超材料，還包含至少I個(gè)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(chǎng)距離。
5.以上權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的聲能吸收超材料，可包含2個(gè)硬片。
6.以上權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的聲能吸收超材料，其中由所述結(jié)構(gòu)單元所確定的本征頻率至少有2個(gè)，并且所述框架安排所確定的共振頻率介于所述2個(gè)本征頻率之間。
7.以上權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的聲能吸收超材料，其中所述結(jié)構(gòu)單元所帶有的所述硬片由于振動(dòng)的原因具有可調(diào)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(diào)節(jié)所述共振頻率，因此允許挑選該共振頻率作為所述結(jié)構(gòu)單元之間的有損耗的內(nèi)核。
8.一種包含有權(quán)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(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種聲能吸收超材料，包括至少一個(gè)帶有彈性薄膜的封閉平面框架，該薄膜上附著有一個(gè)或多個(gè)硬片。所述硬片具有非對(duì)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(gòu)成了具有事先確定的質(zhì)量的結(jié)構(gòu)單元。此結(jié)構(gòu)的振動(dòng)包含有若干個(gè)頻率可調(diào)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(hào)G10K11/162GK103137118SQ201210490610
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者沈平, 楊志宇, 溫維佳, 梅軍, 馬冠聰 申請(qǐng)人:香港科技大學(xué)