薄膜低频隔声性能的张力依赖性

2023.02.27

张炜权吴九汇马富银陈喆

摘要：研究了膜内张力对其声学特性的影响，通过数值计算和实验测试得到了以下结论：刚度控制区内随张力的增加，隔声量曲线整体“抬高”了，20～100 Hz的这段区域内隔声量最大提高了30 dB，呈现非线性增长特性；阻尼控制区内隔声谷对应的频率随着张力的增加而按照一定的规律增大，且张力形成的“绷紧”效应大大降低了膜面振动，增加了隔声量峰值，100 kPa张力对应的隔声量峰值明显超过10 kPa的134.7%，对小的张力很敏感；质量控制区1000 Hz以上的频率段内张力对薄膜隔声性能基本无影响，质量定理能够很好的预测。张力对隔声量的影响都集中在刚度控制和阻尼控制区的中低频范围内，且影响巨大。关键词：隔声量；传声损失；薄膜；低频；张力

中图分类号： TB535文献标志码：A文章编号：10044523（2016）04061607

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.008

引言

低频声波的控制长期以来都是一个很有挑战性的课题，由于普通材料在低频附近耗散率比较低，低频噪声传播过程中穿透力强，难以衰减。特别是20 Hz以下频段的次声易与机体器官发生共振，对身体造成危害。所以低频噪声的治理一直都备受关注。

2000年，刘正猷[1]提出了局域共振声子结构的概念，并拉开了声子晶体的研究序幕；2010年梅军、Z Yang [23]等提出了一种薄膜型声学超材料，采用柔软膜类和小质量块的结构，使得在100～1000 Hz的频率范围内有着良好的隔声量TL（transmission loss）；同年，Christina J Naify[4] 等提出一种基于局域共振机理的膜类声学超材料，在100～1000 Hz的一些频率打破了质量定理的预测，而且可以通过调节共振质量块的大小来改变隔声量峰值；Z Yang[5]也展示了相似的膜类声学超材料，在特定的频率处存在着全反射节点面，研究了不同的薄膜厚度和面密度下有较好的隔声量；2012年梅军[6]针对之前的声学超材料又提出了在薄膜上镶嵌新的非对称性金属片，在低频区域100～1000 Hz能够有效地吸收低频声波；Naify也做了相应的研究并得到了类似的结果，而且指出薄膜声学超材料的传声损失与膜的张力及附加质量单元大小有关[7]；2013年作者设计了新型螺旋局域共振单元声子晶体结构[89]，该结构在250 Hz以下的低频范围具有较宽的振动带隙，最低带隙频率能够低至42 Hz，但此板类构件的应用受重量的限制，而且在一些需要密封的场合不太适用。大量的理论和实验研究都说明声子晶体具有非常丰富的声学特性，膜类声学超材料所具有的“负等效质量密度”也使得薄膜材料具有潜在的应用前景，同时这也是未来声学材料的发展趋势：隔声材料既又薄又轻，且拥有良好的声学特性，能够广泛应用于各种场合且不附加过重的材质，适用于航空航天和汽车等需要轻质材料的领域。但是根据质量定理的预测结果，由于膜类材料的面密度很小，在低频段内其隔声特性非常差，这就限制了膜类材料在隔声性能方面的应用。且现阶段膜类声学超材料的研究都仅针对材料的属性参数和声学结构方面，关于膜内的张力对其声学特性影响的研究还很少，Naify[4]针对膜类声学超材料提到了薄膜张力的增加引起了第一阶共振频率、TL峰值和第二阶共振频率的增加，但并没有详细做出规律性研究；Zhang Y[7]在2012年也提到了薄膜张力对于膜类声学材料隔声量的影响，并针对阻尼控制区的隔声特性进行了规律性分析，包括共振频率及隔声峰值的改变随张力变化规律，但并没有考虑到全频域内（包括薄膜的三个隔声控制区）的影响，也没有相应的实验验证。他们的研究给出了一些直观且有意义的结果，但是没有揭示张力依赖性关系，还是值得深入进行探索。

本文在参考相关学者的研究基础上，以膜类声学材料为研究对象，从张力的影响机理、数值仿真和相关的实验验证三方面研究分析膜面低频隔声特性的张力依赖性，通过一系列的规律来描述此特性，期望后续的研究工作可根据需要在膜类声学材料的张力设计中实现正向优化。

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