粘彈性聲子晶體制造技術

本發明專利技術公開一種音障和隔音方法。本發明專利技術的一個方面，音障包括第一固體介質，例如粘彈性固體，和第二介質，例如空氣。兩個介質中的至少一個形成設置在另一介質中的周期陣列。固體介質具有縱向聲波傳播速度和橫向聲波傳播速度，縱向聲波的傳播速度是橫向聲波的傳播速度的至少３０倍。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種音障。具體的布置還涉及采用聲子晶體(phononic crystals)的 音障(sound barrier)。
技術介紹
隔音材料和結構在聲學應用領域或工業中具有重要的應用。用在工業中的傳統材 料，例如阻尼器或吸收體、反射器以及音障通常在寬的頻率范圍上起作用，而不能提供頻率 選擇的聲音控制。主動的噪音消音設備允許頻率選擇的聲音減弱，但通常在限定的空間內 是最有效的并且需要電子設備的投入或授權以及電子設備的運行以便提供功率和控制。聲子晶體，即周期性的非均勻介質，已經被用作具有聲學通帶(acoustic passbands)和帶隙的音障。例如，空氣中的銅管的周期性排列、具有覆蓋軟的彈性材料的高 密度中心的復合元件的周期性排列以及空氣中的水的周期性排列已經被用于形成具有頻 率選擇特性的音障。然而，這些方法通常存在缺點，例如形成窄的帶隙或形成對于聲學應用 太高的頻率處的帶隙，和/或需要大的物理結構。因此，需要一種改進的音障，其削弱了傳統技術中的缺點。
技術實現思路
本專利技術大體涉及音障，并且在具體的方面更具體地涉及用粘彈性材料構建的聲子 晶體。在本專利技術的一個方面，音障包括(a)具有第一密度的第一介質，和(2)設置在第一 介質內的基本上周期陣列的結構，該結構由具有與第一密度不同的第二密度的第二介質形 成。所述第一和第二介質中的至少一個是具有縱向聲波傳播速度和橫向聲波傳播速度的諸 如固體粘彈性硅橡膠的固體介質，其中所述縱向聲波傳播速度是所述橫向聲波傳播速度的 至少大約30倍。正如在本專利技術中應用的，“固體介質”是在有限長的時間內穩定弛豫模量傾向于有 限的、非零值的介質。本專利技術的另一方面涉及一種制作音障的方法。在一種配置中，該方法包括(a)選 擇第一候選介質，其包括具有縱向聲波的傳播速度、橫向聲波的傳播速度、多個弛豫時間常 數的粘彈性材料；(b)選擇第二候選介質；(c)至少部分地基于所述多個弛豫時間常數，確定包括嵌入在所述第一和第二候選介質中的另一個中的所述第一和第二候選介質中的一 個的基本上周期陣列的音障的聲學透射性質；和至少部分地基于確定所述聲學透射性質的 結果確定所述第一和第二介質是否用于構建音障。附圖說明圖1示出馬克斯韋爾(Maxwell)模型和開爾文-伏葛脫(Kelvin-Voigt)模型；圖2示出馬克斯韋爾_威切爾特(Maxwell-Weichert)模型；圖3示意地示出根據本專利技術的一方面嵌入在聚合物基體中的空氣圓柱的二維陣 列。所述圓柱平行于笛卡爾坐標系統(0XYZ)的Z軸線。點陣常數a = 12mm;圓柱直徑D = 8mm。圖4示意地示出根據本專利技術的另一方面的位于嵌入在空氣中的蜂巢晶格上的聚 合物圓柱的二維陣列。圓柱平行于笛卡爾坐標系統(0XYZ)的Z軸線。垂直點陣常數b = 19. 9mm ；水平點陣常數a = 34. 5mm ；圓柱直徑D = 11. 5mm。圖5(a)示出對聚合物基體中的空氣圓柱陣列計算的光譜透射系數。圖5(b)示出圖5(a)中示出的曲線的更詳細的部分。圖6示出對聚合物基體中的空氣圓柱陣列測量的透射能量光譜。圖7示出在由嵌入在聚合物基體中填充比f = 0. 349的空氣圓柱構成的二維方格 點陣中使用時域有限差分(FDTD)方法計算的帶結構，波矢方向垂直于圓柱軸線。圖8(a)示出在由嵌入在聚合物基體中填充比f = 0. 349的空氣圓柱構成的二維 方格點陣中單模型(僅縱向聲波)的色散關系曲線。波矢方向垂直于圓柱軸線。圖8(b)示出在圖8(a)中的曲線中的更詳細區域。圖9是對應于縱向激勵(stimulus)信號的透射橫波的剪切透射系數(shear transmission coefficient)的曲線。圖10示出對嵌入在聚合物基體中的空氣圓柱陣列所計算的橫波的透射系數光譜 曲線。圖11示出嵌入在硅橡膠基體中的空氣圓柱陣列的對應于橫波速度的不同值的縱 波的透射系數的光譜曲線。圖12(a)示出具有弛豫時間T = 10_5s的嵌入在硅橡膠基體中的空氣圓柱陣列的 對應于^^的不同值的縱波的透射系數的光譜曲線。圖12(b)示出圖12(a)中的曲線的部分的細節。圖13示出具有弛豫時間T = 10_6s的嵌入在硅橡膠基體中的空氣圓柱陣列的對 應于^^的不同值的縱波的透射系數的光譜曲線。圖14示出具有弛豫時間T = 10_8s的嵌入在硅橡膠基體中的空氣圓柱陣列的對 應于^^的不同值的縱波的透射系數的光譜曲線。圖15(a)示出具有a ^ = 0. 5的無量綱平衡拉伸模量(tensile modulus)的嵌入 在硅橡膠基體中的空氣圓柱陣列的對應于弛豫時間的不同值的縱波的透射系數的光譜曲 線。圖15(b)示出圖15(a)中曲線的部分的細節。圖16(a)示出在嵌入在硅橡膠基體中的空氣圓柱陣列中縱波的基于廣義的8元馬克斯韋爾(Maxwell)模型計算的透射系數的光譜曲線。圖16(b)示出在彈性橡膠、硅粘彈性橡膠以及硅橡膠_空氣中空氣圓柱復合結構 中的透射譜振幅對比圖。圖17示出位于空氣中蜂巢點陣上的接觸的聚合物圓柱陣列(圓柱直徑5. 75mm, 六邊形點陣常數19. 9mm)的光譜透射系數。沿正交于波傳播方向的結構的總的厚度為 103. 5mm。圖18示出對具有弛豫時間10_4s的位于空氣中的蜂巢點陣上的接觸的聚合物圓柱 的陣列所測得的對應于^^的不同值的不同透射系數的對比圖。圖19示出對位于空氣中的蜂巢點陣上的接觸的聚合物圓柱的陣列(圓柱半徑 5. 75mm，六邊形點陣常數19. 9mm)基于廣義的8元馬克斯韋爾(Maxwell)模型計算與彈性 模型計算的光譜透射系數的對比圖。沿正交于波傳播方向的結構的總厚度為103.5mm。具體實施例方式I.概述本專利技術涉及用于聲波、尤其是可聽頻率范圍內的聲波的頻率選擇阻塞的聲子晶 體。隔音的挑戰在于設計阻止聲音在空氣中在小于或波長量級的距離上的傳播的結 構。至少已經有兩種方法已經用于發展這種材料。第一種依賴于由基體內的包含物的周期 陣列帶來的彈性波的布拉格散射(Braggscattering)。帶隙的存在依賴于包含物和基體材 料的物理和彈性性質的差異、包含物的填充比、陣列和包含物的幾何結構。在具有大的周期 (和大的包含物)和具有低音速的材料的陣列的情況下，可以獲得在低頻率處的光譜間隙。 例如，對于沿平行于方格單胞的邊緣方向傳播的聲波，在空氣中的空的銅圓柱(28mm直徑) 的方形陣列(30個周期)獲得位于4-7kHz范圍內的明顯的聲學間隙。參見J. 0. Vasseur， P. A. Deymier，A.Khelif, Ph. Lambin, B.Dajfari—Rouhani，A.Akjouj, L.Dobrzynski, N. Fettouhi, and J. ZemmouriPhys. Rev. E 65,056608(2002)中的文章“Phononic crystal with low fillingfraction and absolute acoustic band gap in the audible frequency range :Atheoretical and experimental study，，。對于厘米尺寸結構，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種音障，包括：具有第一密度的第一介質；和設置在所述第一介質內的基本上周期陣列的結構，所述結構由具有與所述第一密度不同的第二密度的第二介質形成，所述第一和第二介質中的至少一個是具有縱向聲波傳播速度和橫向聲波傳播速度的固體介質，所述縱向聲波傳播速度是所述橫向聲波傳播速度的至少大約３０倍。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：阿里貝爾克，馬尼斯賈因，馬克D普蓋特，薩納特莫漢蒂，皮埃爾A戴米耶，巴薩姆邁爾赫比，
申請(專利權)人：三M創新有限公司，亞利桑那大學董事會，
類型：發明
國別省市：US[美國]