一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料及制作方法与流程

本申请涉及降噪材料技术领域，尤其涉及一种阻隔变电站低频噪声的声学超材料及其相应的制作方法。

背景技术：

变电站的低频噪声污染不可避免地影响周围环境中人们的正常生活，降低噪声污染来对改善人们的生活环境具有重要的意义。

目前，由于声学超材料的特性，开始利用声学超材料制作隔音板，可有效治理低频噪声的污染。

如中国发明专利cn00106033.3公开了一种具有负弹性常数的组合材料及其制法，其通过在一些在基体材料内的软弹性材料区和镶嵌在软弹性材料内的密度相当高和刚度高的坚硬材料区。使得可以有一个或一个以上的共振频率，在这些频率上，声波的传输大大受阻。基体材料可以形成结构性能良好的组合材料，也可以用相当薄的组合材料对相当低频的声音提供屏蔽。但这种组合材料对于低频噪声的阻隔效果不佳，难以达到噪声污染防治良好的效果。

技术实现要素：

本申请提供了一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料及制作方法，用于解决现有技术对低频噪声的阻隔效果不佳的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料，包括基材；

所述基材内填充有结构单元a与结构单元b，所述结构单元a包括内部具有气泡的液体球，所述结构单元b包括金属球以及包覆所述金属球的硬硅橡胶。

优选地，所述基材采用软硅橡胶、环氧树脂、海绵或泡沫。

优选地，所述气泡内填充空气或氮气或氢气，所述液体球内的液体为水或硅油。

优选地，所述液体球外部包裹有薄膜，所述薄膜采用明胶。

优选地，所述液体球的直径为3～10mm，所述气泡的直径为1～3mm，所述薄膜的厚度为30～100um。

优选地，所述金属球为铁球或铜球。

优选地，所述金属球的直径为1～3mm，所述金属球经所述硬硅橡胶包覆后的直径为3～10mm。

优选地，所述结构单元a与所述结构单元b均为若干个，所述结构单元a和所述结构单元b的填充率为10％～50％。

优选地，所述结构单元a和所述结构单元b在所述基材的立方晶格体心或面心交错分布。

另一方面，本申请还提供了一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料的制作方法，基于上述的用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料，包括以下步骤：

步骤一：向滴制机中的料斗进入掺有镁粉的水溶液，向所述滴制机中的胶浆斗加入明胶浆，并保持恒温；向软胶囊器中放入冷却液，然后，先通过所述滴制机将所述明胶浆滴到所述冷却液上从而进行扩散并冷却形成胶皮，再通过所述滴制机将所述掺有镁粉的水溶液滴到在所述胶皮上，从而使胶皮下沉，经过静置后，所述胶皮完全包裹所述掺有镁粉的水溶液，从而形成球型结构的胶丸，并使所述胶丸冷却形成软胶囊；然后，将所述胶丸在室温环境下进行干燥，再经石油醚洗涤，然后，再经过95％乙醇洗涤后，放置于温度为30～35℃的环境下烘干，从而使得镁粉与水溶液反应产生气体，并包裹在所述胶丸内，从而获得结构单元a；

步骤二：通过硅酮胶涂覆在预先经水和盐酸洗涤过的金属球的表面，所述金属球的直径为1～3mm，再经过静置后，所述硅酮胶发生固化，然后，重复涂覆硅酮胶，以使经所述硬硅橡胶包覆的所述金属球直径为3～10mm，从而获得结构单元b；

步骤三：将基材原料、所述结构单元a、所述结构单元b与固化剂进行混合搅拌直至混合均匀后，置于室温下进行静置固化，从而获得用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例提供的一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料及制作方法，其声学超材料包括基材；所述基材内填充有结构单元a与结构单元b，所述结构单元a包括内部具有气泡的液体球，所述结构单元b包括金属球以及包覆所述金属球的硬硅橡胶。本实施例通过结构单元a与结构单元b使得该声学超材料在同一频带内具有负等效质量密度与负等效体积模量，能够在低频处产生禁带，对低频噪声的传播进行双重阻隔或改变低频噪声传播路径，从而提高了低频噪声的阻隔效果。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料中结构单元a的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料中结构单元b的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料的能带结构示意图；

图5为本申请实施例提供的结构单元a、结构单元b以及结构单元和结构单元b组合三种模型的理论吸声系数示意图；

图6为本申请实施例提供的一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料的制作方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了便于理解，请参阅图1～图3，本申请提供的一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料，包括基材1；

基材1内填充有结构单元a2与结构单元b3，结构单元a2包括内部具有气泡20的液体球21，结构单元b3包括金属球30以及包覆金属球30的硬硅橡胶31。

需要说明的是，当入射声场小于材料结构散射所引起的散射声场时，单元体积变化与动态声压变化相反，即单元体积变小时则动态声压增大或单元体积变大时则动态声压减小，使得材料出现负等效模量，而具体到本实施例中的结构单元a2来说，当入射声场小于材料结构散射所引起的散射声场时，其结构单元a2中的声场能量集中在其中的气泡20内部，从而产生较低的声能量透过率，即在低频处产生一定的禁带，从而实现阻隔低频噪声。

另外，对于结构单元b3而言，在局域共振声子晶体理论中，金属球30相充当质量块，而硬硅橡胶31起到弹性作用，将金属球30与硬硅橡胶31结合在一个结构中时，则声波通过结构单元b3，声波能量传递到金属球30，从而让金属球30产生动能，当结构单元b3内的偶极共振频率与声波频率一致时，结构单元b3中的金属球30运动方向与激励方向相反，从而产生负等效质量密度效应，同时，声波所传递的能量转化成了金属小球的动能，能量被消耗后，声波就不能继续向前传播，因此，通过金属球30运动可以吸收声波所传递的能量，即在低频处产生了禁带。

因此，本实施例通过结构单元a2与结构单元b3的合理设计，使得该声学超材料在同一频带内具有负等效质量密度与负等效体积模量，能够在低频处产生禁带，对低频噪声的传播进行双重阻隔或改变低频噪声传播路径，从而提高了低频噪声的阻隔效果。

以上为本申请提供的一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料的一个实施例，以下为本申请提供的一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料的另一个实施例。

为了方便理解，请参阅请参阅图1～图3，本申请提供的一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料，包括基材1；

基材1内填充有结构单元a2与结构单元b3，结构单元a22包括内部具有气泡20的液体球21，结构单元b3包括金属球30以及包覆金属球30的硬硅橡胶31。

其中，基材1采用软硅橡胶、环氧树脂、海绵或泡沫。

可以理解的是，其基材1还可以采用其他软物质，同时，基材1的结构形状不限定。

其中，气泡20内填充空气或氮气或氢气，液体球21内的液体为水或硅油。

其中，液体球21外部包裹有薄膜22，薄膜22采用明胶。

其中，液体球21的直径为3～10mm，气泡20的直径为1～3mm，薄膜22的厚度为30～100um。

其中，金属球30为铁球或铜球。

其中，金属球30的直径为1～3mm，金属球30经硬硅橡胶31包覆后的直径为3～10mm。

其中，结构单元a2与结构单元b3均为若干个，结构单元a2和结构单元b3的填充率为10％～50％。

其中，如图3所示，结构单元a2和结构单元b3在基材1的立方晶格体心或面心交错分布。

可以理解的是，将结构单元a2和结构单元b3采用立方晶格体心或面心交错分布，可以将结构单元a2和结构单元b3分别进行周期性排列分布，形成广义的声子晶体，该声子晶体可以产生多重散射效应，即当声波通过该声子晶体时，发生多重散射效应，声波被不断反射，反射声波发生干涉，声波能量由于干涉作用则会被大大消耗。而基材1声速是由基材1材料决定的，根据bragg散射原理，该声子晶体的最低声波带隙的中心频率f可由基体声速c和晶格常数a确定，即中心频率f＝c/2a。因此，可根据不同噪声环境的预先获得的主要频率范围确定不同的晶格常数来达到阻隔低频噪音的最佳效果。

以下为本实施例中一个示例的详细描述。

如图3所示，本示例中提供的一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料，包括基材1；基材1内填充有结构单元a2与结构单元b3，结构单元a2包括内部具有气泡20的液体球21，结构单元b3包括金属球30以及包覆金属球30的硬硅橡胶31，结构单元a2与结构单元b3在基材1的立方晶格体心或面心交错分布，且填充率为30％。

其中，基材1采用软硅橡胶，结构单元a2中的气体为氢气，液体球21内的液体为水，液体球21的直径为5mm，气泡20直径为2mm；结构单元b3中的金属球30为铜球，铜球的直径为2mm，铜球经硬硅橡胶31包覆后的直径为5mm。

采用多重散射理论(mst)方法计算该声学超材料的能带结构，如图4所示，其中，频率单位为2πvt/a，vt为材料中横波速度，a为立方晶格的晶格常数，从图4中可知，在归一化频率0.4～0.5之间出现一个禁带，这也就使得在归一化频率为0.4～0.5时，其频率相应的声音难以通过该禁带，使得该声学超材料具有良好的低频噪声的阻隔效果，而通过不同噪声环境可以设置立方晶格的晶格常数a值。

另外，对本示例中结构单元a2、结构单元b3以及结构单元a2+结构单元b3组合共三种模型进行理论吸声系数计算，如图5所示。从图5中可知结构单元a2在550～800hz频率范围内有较好的吸声系数(吸声系数为0.7～0.8)，功能结构b在300～600hz频率范围内有较好的吸声系数(吸声系数为0.6～0.7)。而当整个材料结构中同时包含功能结构a+功能结构b组合时，与上述两个模型相比，在300～800hz频率范围内有更好的吸声系数(吸声系数为0.8～0.98)，其中，在频率为550hz对应的吸声系数接近1，达到了最高。这说明在频率为550hz处的降噪效果非常优异。由此可见，结构单元a2和结构单元b3分别在各自的范围内有着较好的吸声系数，而当两者的某部分范围组合时，其吸声系数显著性地优于两者单独时产生的阻隔效果。

以上为本申请提供的一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料的另一个实施例，以下为一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料的制作方法的一个实施例。

为了方便理解，请参阅图6，本申请提供了一种用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料的制作方法，基于上述实施例的用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料，包括以下步骤：

步骤一：向滴制机中的料斗进入掺有镁粉的水溶液，向滴制机中的胶浆斗加入明胶浆，并保持恒温；向软胶囊器中放入冷却液，然后，先通过滴制机将明胶浆滴到冷却液上从而进行扩散并冷却形成胶皮，再通过滴制机将掺有镁粉的水溶液滴到在胶皮上，从而使胶皮下沉，经过静置后，胶皮完全包裹掺有镁粉的水溶液，从而形成球型结构的胶丸，并使胶丸冷却形成软胶囊；然后，将胶丸在室温环境下进行干燥，再经石油醚洗涤，然后，再经过95％乙醇洗涤后，放置于温度为30～35℃的环境下烘干，从而使得镁粉与水溶液反应产生气体，并包裹在胶丸内，从而获得结构单元a；

需要说明的是，其中，掺有镁粉的水溶液、明胶浆与冷却液的用量均可根据实际情况自行设定，而冷却液可采用液体石蜡。

同时，在通过滴制机将掺有镁粉的水溶液滴到在胶皮上时，其由于重力作用，其胶皮会进行下沉，经过一段时间的静置，由于冷却作用，使得胶片完全封口，会使得胶皮完全包裹掺有镁粉的水溶液，并由于表面张力作用，使得胶皮形成球型结构的胶丸，由于不断冷却下，使得胶丸凝固形成软胶囊。

步骤二：通过硅酮胶涂覆在预先经水和盐酸洗涤过的金属球的表面，金属球的直径为1～3mm，再经过静置后，硅酮胶发生固化，然后，重复涂覆硅酮胶，以使经硬硅橡胶包覆的金属球直径为3～10mm，从而获得结构单元b；

可以理解的是，本实施例中步骤一与步骤二先后顺序不受限定。

步骤三：将基材原料、结构单元a、结构单元b与固化剂进行混合搅拌直至混合均匀后，置于室温下进行静置固化，从而获得用于阻隔变电站低频噪声的声学超材料。

需要说明的是，基材原料为单体原料，在混合搅拌过程中需要轻微搅拌。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：read-onlymemory，英文缩写：rom)、随机存取存储器(英文全称：randomaccessmemory，英文缩写：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

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