薄膜低頻隔聲性能的張力依賴性

張煒權(quán) 吳九匯 馬富銀 陳喆

摘要： 研究了膜內(nèi)張力對其聲學(xué)特性的影響，通過數(shù)值計算和實驗測試得到了以下結(jié)論：剛度控制區(qū)內(nèi)隨張力的增加，隔聲量曲線整體“抬高”了，20～100 Hz的這段區(qū)域內(nèi)隔聲量最大提高了30 dB，呈現(xiàn)非線性增長特性；阻尼控制區(qū)內(nèi)隔聲谷對應(yīng)的頻率隨著張力的增加而按照一定的規(guī)律增大，且張力形成的“繃緊”效應(yīng)大大降低了膜面振動，增加了隔聲量峰值，100 kPa張力對應(yīng)的隔聲量峰值明顯超過10 kPa的134.7%，對小的張力很敏感；質(zhì)量控制區(qū)1000 Hz以上的頻率段內(nèi)張力對薄膜隔聲性能基本無影響，質(zhì)量定理能夠很好的預(yù)測。張力對隔聲量的影響都集中在剛度控制和阻尼控制區(qū)的中低頻范圍內(nèi)，且影響巨大。關(guān)鍵詞： 隔聲量； 傳聲損失； 薄膜； 低頻； 張力

中圖分類號： TB535文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：10044523（2016）04061607

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.008

引言

低頻聲波的控制長期以來都是一個很有挑戰(zhàn)性的課題，由于普通材料在低頻附近耗散率比較低，低頻噪聲傳播過程中穿透力強(qiáng)，難以衰減。特別是20 Hz以下頻段的次聲易與機(jī)體器官發(fā)生共振，對身體造成危害。所以低頻噪聲的治理一直都備受關(guān)注。

2000年，劉正猷[1]提出了局域共振聲子結(jié)構(gòu)的概念，并拉開了聲子晶體的研究序幕；2010年梅軍、Z Yang [23]等提出了一種薄膜型聲學(xué)超材料，采用柔軟膜類和小質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)，使得在100～1000 Hz的頻率范圍內(nèi)有著良好的隔聲量TL（transmission loss）；同年，Christina J Naify[4] 等提出一種基于局域共振機(jī)理的膜類聲學(xué)超材料，在100～1000 Hz的一些頻率打破了質(zhì)量定理的預(yù)測，而且可以通過調(diào)節(jié)共振質(zhì)量塊的大小來改變隔聲量峰值；Z Yang[5]也展示了相似的膜類聲學(xué)超材料，在特定的頻率處存在著全反射節(jié)點面，研究了不同的薄膜厚度和面密度下有較好的隔聲量；2012年梅軍[6]針對之前的聲學(xué)超材料又提出了在薄膜上鑲嵌新的非對稱性金屬片，在低頻區(qū)域100～1000 Hz能夠有效地吸收低頻聲波；Naify也做了相應(yīng)的研究并得到了類似的結(jié)果，而且指出薄膜聲學(xué)超材料的傳聲損失與膜的張力及附加質(zhì)量單元大小有關(guān)[7]；2013年作者設(shè)計了新型螺旋局域共振單元聲子晶體結(jié)構(gòu)[89]，該結(jié)構(gòu)在250 Hz以下的低頻范圍具有較寬的振動帶隙，最低帶隙頻率能夠低至42 Hz，但此板類構(gòu)件的應(yīng)用受重量的限制，而且在一些需要密封的場合不太適用。大量的理論和實驗研究都說明聲子晶體具有非常豐富的聲學(xué)特性，膜類聲學(xué)超材料所具有的“負(fù)等效質(zhì)量密度”也使得薄膜材料具有潛在的應(yīng)用前景，同時這也是未來聲學(xué)材料的發(fā)展趨勢：隔聲材料既又薄又輕，且擁有良好的聲學(xué)特性，能夠廣泛應(yīng)用于各種場合且不附加過重的材質(zhì)，適用于航空航天和汽車等需要輕質(zhì)材料的領(lǐng)域。但是根據(jù)質(zhì)量定理的預(yù)測結(jié)果，由于膜類材料的面密度很小，在低頻段內(nèi)其隔聲特性非常差，這就限制了膜類材料在隔聲性能方面的應(yīng)用。且現(xiàn)階段膜類聲學(xué)超材料的研究都僅針對材料的屬性參數(shù)和聲學(xué)結(jié)構(gòu)方面，關(guān)于膜內(nèi)的張力對其聲學(xué)特性影響的研究還很少，Naify[4]針對膜類聲學(xué)超材料提到了薄膜張力的增加引起了第一階共振頻率、TL峰值和第二階共振頻率的增加，但并沒有詳細(xì)做出規(guī)律性研究；Zhang Y[7]在2012年也提到了薄膜張力對于膜類聲學(xué)材料隔聲量的影響，并針對阻尼控制區(qū)的隔聲特性進(jìn)行了規(guī)律性分析，包括共振頻率及隔聲峰值的改變隨張力變化規(guī)律，但并沒有考慮到全頻域內(nèi)（包括薄膜的三個隔聲控制區(qū)）的影響，也沒有相應(yīng)的實驗驗證。他們的研究給出了一些直觀且有意義的結(jié)果，但是沒有揭示張力依賴性關(guān)系，還是值得深入進(jìn)行探索。

本文在參考相關(guān)學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，以膜類聲學(xué)材料為研究對象，從張力的影響機(jī)理、數(shù)值仿真和相關(guān)的實驗驗證三方面研究分析膜面低頻隔聲特性的張力依賴性， 通過一系列的規(guī)律來描述此特性，期望后續(xù)的研究工作可根據(jù)需要在膜類聲學(xué)材料的張力設(shè)計中實現(xiàn)正向優(yōu)化。

Abstract： The low frequency sound attenuation is a challenging issue and membrane-type acoustic material is a method to deal with it. However， membranes have low TL （transmission loss）owing to membranes low density at low frequencies. We present the membrane tension affecting its acoustic characteristics based on the membranetype materials. Conclusion is drew through numerical simulation and impedance tube test： the transmission loss curve is integrally lifted due to the increase of tension in the stiffness control zone， increasing to 30 dB in a range of 20 Hz to 100 Hz and a nonlinear grow properties of TL curve is displayed； In the damping control zone， the frequencies corresponding to its TL valleys increase with the development of the tension and membrane surface vibration is deeply reduced by tenseness effect caused by tension which increase the TL peak value. A 134.7% peak value augment is displayed in 100 kPa tension compared to 0 kPa acting on the membrane. And the TL shows high sensitivity to low tension. In the density control zone （above 1 000 Hz）， the tension demonstrates little impact on membrane transmission loss properties which can be commendably predicted by mass law. The tremendous TL effect of tension based on membrane-type materials are concentrated in stiffness and damping control zones. The middle and low frequency transmission loss properties can be improved by this meaningful research.

Key words： acoustic insulation mass； transmission loss； membrane； low frequency； tension