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CN115335897A - 超材料声音绝缘装置 - Google Patents

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CN115335897A
CN115335897A CN202180016404.8A CN202180016404A CN115335897A CN 115335897 A CN115335897 A CN 115335897A CN 202180016404 A CN202180016404 A CN 202180016404A CN 115335897 A CN115335897 A CN 115335897A
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CN
China
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layer
sound insulation
insulation device
protrusions
metamaterial sound
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Application number
CN202180016404.8A
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English (en)
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G·莱萨格
M·塔雷洛
M·蒂恩戈
L·达历山德罗
G·卡佩拉里
S·梅杜里
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Phonon Vibration Co ltd
Adler Evo SRL
Original Assignee
Phonon Vibration Co ltd
Adler Evo SRL
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Publication date
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Abstract

本发明描述了一种超材料声音绝缘装置，相比于具有相当尺寸和重量的传统声音绝缘装置，该超材料声音绝缘装置在抑制穿过其的声音传播方面具有改善效率。该装置特别地适于机动车领域的声音绝缘。

Description

超材料声音绝缘装置
技术领域
本发明涉及一种声音绝缘装置，即，一种具有抑制穿过其的声音传播的效果的装置。该装置特别地适于机动车领域的声音绝缘。
背景技术
在多种静态或移动应用中，需要声音绝缘来确保和/或增强人们的舒适度；例如，可期望的是，使建筑物中的相邻单元房、办公室的邻近房间，或生产车间的部段隔离；并且通常必需的是，使得汽车和卡车以及运输工具的驾驶舱或乘客舱与不同噪音源隔离，诸如发动机舱、轮胎噪音或空气动力(空气传播)噪音。
因为机动车领域对于声音绝缘的要求相比于其它行业为更严格的和苛刻的，所以下文描述将特别地指代前者，但本发明在需要噪音绝缘的任何情形具有普遍适用性。
由于可用于声音隔离部件的有限空间和质量，实现机动车领域的良好声音绝缘为挑战性的。
机动车应用的隔离部件通常通过以下项来制备：联接件(根据广泛的架构变化)，不同材料的层，诸如纤维(可为天然的，例如棉花、聚合物纤维，或无机的，例如玻璃纤维)的聚集体、泡沫、致密聚合物层和聚合物膜(可能为多层)；这些层的一者或多者可加载填料(诸如矿物粉末)以改变基础材料的性质。
这些部件可包括具有弹性性质(即，能够在压缩或膨胀之后恢复其初始形状和尺寸)的所述层的至少一者，和至少刚性的基本不可压缩层。这些部件根据弹簧-质量原理进行操作，其中弹性层(通常还称为“减震层”，当存在时，通常为泡沫)作用为弹簧，并且刚性层作用为质量(并且因此其在本领域称为“质量层”)。
这些部件的一个问题在于，当需要改善其绝缘性质时，唯一可能策略是以无差别方式增加质量层的厚度和重量，从而导致部件的相关重量增加。例如，这种方式用于专利申请US2004/0150128A1中，其中通过首先将热塑性材料的箔或平坦块进行热成形，和然后在成形箔或块的所选区域(优选地，在空腔中)添加额外量的相同热塑性材料，制备了刚性层，从而形成该刚性层中的增加厚度区域。本文档未提供关于这些添加的热塑性材料的几何特征的教导内容，即，其厚度(绝对厚度或相对于起始箔或块的厚度)、其面积(相比于刚性层的面积)，或其在该面积上的分布。此外，本文档未提供关于完全绝缘部件的声学性质的数据，该完全绝缘部件以所描述过程来获得。
机动车行业正致力于尽可能减少车辆的重量，以使其动力消耗和因而其环境影响最小化。重量减少的趋势在电动车辆中表现得更为明显，其中较低重量提供了增加自主性的机会，这要归功于使用相同电池组移动较低质量或因为重量增益可采用增加尺寸的安装电池。
为减少噪音衰减部件的整体重量，数个文档建议在其层的至少一者中制备空隙，该空隙为通孔、凹陷部、凹痕或类似的形式。例如，根据这种方式的部件描述于专利US 5,013,597、US 7,182,172B2和专利申请WO 2018/091301 A1中。
专利申请US 2012/0155688 A1公开了多种不同构造的声学吸收器和换能器。这些声学吸收器和换能器的一者(参考该文档的图5所描述)将不连续刚性层直接地施加于弹簧层上；该刚性层的图案可设定为网格(该文档的图5)或设定为一系列平行且邻接的长菱形(图5B)。
已知噪音衰减部件的一个问题在于，它们在高频率范围内通常具有良好绝缘性能，而绝缘性质在约200Hz至1000Hz的范围内绝缘性能较差，这对于机动车应用有关的噪音源为非常相关的。
目前，在声学舒适度相关频率的质量-弹簧-质量机构中，实现重量减少和频谱范围内的良好绝缘之间的良好折衷的部件关于谐振频带为尚未可用的。
本发明的目标是提供一种特别地用于机动车领域的声音绝缘装置，该声音绝缘装置克服了现有技术的问题。
发明内容
该目标以本发明来实现，本发明涉及一种超材料声音绝缘装置，包括：
-第一材料构成的第一层，非必然地具有均匀厚度，该第一材料具有在1kPa和1MPa之间的静态杨氏模量；
-第二材料构成的第二层，该第二层具有第一表面和第二表面，该第一表面粘附至第一层的表面，该第二表面背离所述第一表面，该第二材料具有10MPa和2500MPa之间的静态杨氏模量以及0.5kg/m2和20kg/m2之间的单位面积重量；
-网状物形式的一个突起部或多个独立突起部，该一个突起部或多个独立突起部粘附至第二层的所述第一或第二表面的至少一者或与之一体，该一个突起部或多个独立突起部由一种材料制成，该材料具有10MPa和2500MPa之间的静态杨氏模量以及0.5kg/m2和20kg/m2之间的单位面积重量，其中所述独立突起部的每一者的占用面积不高于第二层的所述第一或第二表面的面积的2％，并且所述一个突起部或多个突起部的整体占用面积在第二层的所述第一或第二表面的面积的10％和60％之间。
附图说明
本发明将在下文参考附图进行描述，其中：
-图1以剖视图(图的上部部分)和顶视图(图的下部部分)示出了本发明的声音绝缘装置的第一可能实施例，该声音绝缘装置包括多个独立突起部，这些独立突起部以二维周期性阵列布置于第二层的第二表面上；
-图2以顶视图和剖视图示出了独立突起部的可能可替代形状，该独立突起部可存在于图1的装置中；
-图3以侧视图(图的上部部分)和顶视图(图的下部部分)示出了本发明的另一可能声音绝缘装置，该声音绝缘装置包括多个独立突起部，这些独立突起部随机地布置于第二层的第二表面上；
-图4以类似于图1那些的剖视图和顶视图示出了本发明的另一可能声音绝缘装置，该声音绝缘装置包括多个独立突起部，这些独立突起部以二维周期性阵列布置于第二层的第一表面上，其中突起部具有不同形状；
-图5以类似于图1那些的剖视图和顶视图示出了本发明的另一可能声音绝缘装置，该声音绝缘装置包括多个独立突起部，这些独立突起部以二维周期性阵列布置于第二层的第二表面上；
-图6至图8以类似于图1那些的剖视图和顶视图示出了本发明的其它不同可能声音绝缘装置，该声音绝缘装置包括多个独立突起部，这些独立突起部以二维周期性阵列布置于第二层的第二表面上，并且其中第一层具有凹陷部或通孔，所述通孔具有与所述突起部相同的布置；
-图9和图10以类似于图1那些的剖视图和顶视图示出了本发明的两种可能声音绝缘装置，这两种声音绝缘装置分别包括规则网状物形式的一个突起部和非规则网状物形式的一个突起部；
-图11以类似于图1那些的剖视图和顶视图示出了本发明的一种可能声音绝缘装置，该声音绝缘装置包括多个独立突起部，这些独立突起部以二维周期性阵列布置于第二层的第二表面上，其中第一层和第二层为非平坦的并且具有非恒定厚度；
-图12示出了本发明的特定装置的几何形状，该特定装置在实例中已测试；
-图13示出了图表，其中比较了本发明的装置和现有技术的装置的声音绝缘性质。
具体实施方式
本发明的声音绝缘装置为现有技术的弹簧-质量系统的改进。发明人已观察到，可能的是通过将局部独立突出元件或单个突出元件(网状物形式)添加至质量层而改善传统系统的声学绝缘性质；这可在无需噪音衰减系统的整体质量的增加的情况下来实现。
通过塑形而具有修改性质(相比于其固有特性)的材料在材料科学和工程中称为“超材料”；该定义在本说明书和权利要求书中用于指代由上文所描述的第二层和突起部所构成的组件。
第一层和第二层在下文描述中还将分别称为“减震层”和“质量层”。
“与质量层的表面一体的突起部”意指，所述一个或多个突起部和层形成为单独部分，如例如通过模具铸造或注入模制所获得。
本发明的超材料声音绝缘装置的特征在于，质量层在其表面的至少一者上具有网状物形式的连续突起部或多个独立突起部。
在网状物形式的单个突起部的情况下，该单个突起部可具有规则布置，从而限定例如方形、矩形、三角形或六边形图案；或者，该布置可为不规则的，其中网状线的相交部(或节点)随机地分布于质量层表面上。
类似地，多个独立突起部可根据规则和周期性图案(从而限定阵列)或随机地设置于质量层表面上。
独立突起部的每一者可在质量层的表面上具有所述表面的至多2％的占用面积；网状物形式的单个突起部或多个独立突起部在质量层的表面上的整体占用面积在所述表面的10％和60％之间。
减震层由一种材料制成，该材料具有在1kPa和1MPa之间范围内的静态杨氏模量，以及1kg/m3至500kg/m3，优选地在50kg/m3和100kg/m3之间范围内的密度。这种材料可为例如松散毛毡；优选地，其为泡沫(尤其是聚氨酯(PU)泡沫)，该泡沫通过二异氰酸酯或多异氰酸酯单体与二元醇或多元醇单体在催化剂的存在下的反应或通过紫外线的激活而在合适形状的模具中制备。
质量层由一种材料制成，该材料具有在50MPa和2500MPa之间，优选地在50MPa和300MPa之间范围内的静态杨氏模量，以及0.5kg/m3至20kg/m3之间，优选地在2kg/m3和7kg/m3之间范围内的单位面积重量。用于制备该层的材料可选自毛毡(天然或合成纤维)，或优选地，致密聚合物；用于制备该层的优选聚合物为致密PU(即，非泡沫形式)、PVC、聚酯(PET)、聚烯烃(特别是聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP))，以及聚酰胺(PA，通常还称为尼龙)。
一个或多个突起部由一种材料制成，该材料具有在10MPa和2500MPa之间的静态杨氏模量，以及在500kg/m3和8000kg/m3之间的密度。用于制备突起部的材料方便地选自用于制备质量层的相同材料。
质量层和一个或多个突起部可单独地制备，并且例如通过胶粘粘附在一起。然而，在本发明的一个优选实施例中，质量层和突起部通过注入模制制造为独特件，并且因此由相同材料构成。
本发明的超材料声音绝缘装置的各种可能实施例在图1至图12中表示。在附图中，突起部表示为接触质量层的独立元件，但应当理解，这些附图还代表对应结构的装置，其中突起部和质量层制备为单个件；此外，图中相同标号所指示的元件和特征在所有实施例中为相同的。
图1以顶视图(图的下部部分)和沿着顶视图的线A-A’的剖视图(图的上部部分)示出了本发明的装置10。装置10由减震层11、质量层12和质量层12的第二表面13上的突起部制成，该突起部累积地指示为14a。在该实施例中，质量层和弹簧层为平坦的，并且具有恒定厚度。突起部14a为独立元件(彼此分开)，并且根据规则周期性图案(在这种情况下，为矩形网格)而布置于表面13上；然而，二维(2D)规则图案的基础单元还可为方形、菱形、六边形或三角形。
图2示出了突起部14b至14f的可能不同形状，这些突起部可用于取代图1的装置中的突起部14a。在附图中，上部行示出了突起部的顶视图，并且下部行示出了沿着顶视图所示的虚线的对应元件的横截面。非常简约地，突起部14b为实心圆柱体；突起部14c为中空圆柱体，其中空腔延伸横穿突起部的完整厚度；突起部14d为具有凹陷部的圆柱体；突起部14e为恒定厚度但形状不规则的实心本体；并且突起部14f为恒定厚度和规则但复杂形状的实心本体。
图3以顶视图(图的下部部分)和侧视图(图的上部部分)示出了本发明的另一可能装置30。装置30具有与装置10相同的结构，唯一区别在于，突起部31随机地布置于表面13上。图中的突起部31在顶视图中表示为具有圆形横截面，但这些突起部可明显地具有任何形状，例如，图2所示那些的一者。
本发明的装置的质量层上的突起部无需为均等同的。图4以类似于图1那些的剖视图和顶视图示出了本发明的这种类型的装置的一个实例：该实施例的装置40具有装置10的相同一般几何形状，但以数字41所累积指示的突起部具有不同形状和高度。
图5以顶视图(图的下部部分)和沿着顶视图的线A-A’的剖视图(图的上部部分)示出了本发明的装置的另一可能实施例。装置50由减震层51制成，减震层51在接触质量层12的表面中具有凹陷部；突起部52粘附至质量层的第一表面53或与之一体，并且精确地适配减震层中的凹陷部。顶视图中的虚线矩形表示突起部52在质量层12的第二(上部)表面上的投影。
图6、图7和图8示意性地示出了本发明的装置的其它可能实施例，其中减震层具有孔。在这三个图中，顶视图中的虚线矩形表示在减震层中的孔的质量层上的投影。
装置60(图6)在质量层和突起部的构造上类似于装置10；减震层61替代地具有横穿其完整厚度的孔62。
装置70(图7)类似于装置10，唯一区别在于，减震层71具有接触质量层的表面中的凹陷部72。
装置80(图8)类似于装置70，但在这种情况下，减震层81具有与接触质量层的表面相对的表面中的空腔82。
如同上文在图6至图8中所表示的其它实施例，质量层上的突起部(通常指示为元件14)已表示为实心圆柱体，并且减震层中的孔(62,72或82)具有矩形横截面，但将明显的是，两种元件可具有任何形状，例如，突起部可具有图2所表示形状的任一者，而在顶视图中，减震层中的孔可具有任何形状，例如，方形、六边形、圆形、椭圆形等。此外，装置50,60,70和80已在图5至图8中以质量层之中/之上的突起部和减震层中的孔的有序周期性布置来表示，但还在这些实施例的情况下，这些元件在顶视图中的布置可为随机的，如在装置30中。最后，在顶视图的附图中(图6、图7和图8的下部部分)，质量层中的突起部表示为与减震层中的孔同心，但这不是本发明的必要条件；并且在本发明的可能装置的顶视图中，表示突起部的图(矩形、圆形等)的中心可以不与表示孔的图的中心重合。
图9表示本发明的另一可能装置90；装置90在图中以顶视图(图的下部部分)和沿着顶视图的线A-A’的剖视图(图的上部部分)来示出。在该实施例中，减震层11和质量层12类似于装置10的那些，但在这种情况下，单个突起部91(有序网状物的形式)而非多个突起部14a(或14b至14f)存在于层12的第二表面上；在附图所示的情况下，网状物91限定了矩形网格，但其可为例如方形、三角形或六边形。
图10示出了本发明的另一可能装置100。这种类似于装置90，区别在于，在该实施例中，突起部101为不规则网格的形式。
最后，图11示意性地示出了本发明的装置的另一可能实施例。装置110在厚度和形状方面为不规则的：减震层111和质量层112的厚度为非恒定的，并且装置的横截面为非平坦的；在附图中，突起部114示为均等同的，并且根据规则图案进行布置，但也在这种情况下，这些突起部可为非均等同的，并且不规则地布置(如图3)；此外，在该图的实例中，突起部114示出于质量层的第二表面13上，但这些突起部可存在于质量层的第一表面上，如图5所示；并且质量层的任一表面上的突起部还可与减震层中的孔相组合，如在装置60,70和80中。
本发明将还通过下述实例来示出。
实例1
制备了根据本发明的声音绝缘装置，该声音绝缘装置具有图12所示的几何形状以及下文所描述的尺寸和物理特征。装置具有横向尺寸1000mm×1200mm；在图12中，仅示出了装置的代表性部分。
装置120由减震层121制成，减震层121由聚氨酯泡沫制成，具有10mm的厚度和80kPa的静态杨氏模量。减震层具有方形形状并根据方形周期性阵列所布置的一系列凹陷部122(在装置的顶视图中)。凹陷部具有横向尺寸15mm×15mm和厚度8mm，即，未穿过减震层的厚度；两个邻近凹陷部的中心之间的距离为30mm。
质量层12由具有矿物填料的热塑性聚合物制成，具有厚度0.6mm，密度2000kg/m3和静态杨氏模量300MPa。在质量层的表面13(背离减震层)上存在突起部14，突起部14由质量层的相同材料制成；质量层和突起部通过注入模制一起制备为单个件。突起部14具有棱柱体形状，其横向侧的方形基部为7mm并且高度为10mm；并且根据方形阵列进行布置，与凹陷部122的痕迹同心，如图所示。
实例2(比较装置)
制备现有技术的声音绝缘装置，该声音绝缘装置具有与实例1的装置相同的横向尺寸。
该装置包括减震层，该减震层由与实例1相同的聚氨酯泡沫制成，具有10mm的恒定厚度(无凹陷部)。这种比较装置的质量层由与实例1相同的聚合物制成，但具有1mm的恒定厚度，无突起部。因此，所获得的装置具有与如实例1所描述制备的本发明的装置几乎等同的整体单位面积重量。
实例3
测量如实例1和2所描述制备的装置的声音绝缘性质。
测试根据标准ISO 15186-1来执行；根据该标准，测量通过将待测试样品放置于室内来执行，该室分成混响室(其中设置有声音源)和接收室(其中存在声音检测器)。两个室竖直地设置，接收室处于混响室上方；两个室通过支撑框架来分开，该支撑框架具有与待测试样品基本相同的尺寸的孔。样品的边缘铺设于框架上，并且以胶泥密封至框架来避免两个室之间的任何声音泄露。
混响室中的激发声压水平和接收室中的水平的差值(以dB为单位进行测量)为传输损耗R，传输损耗R根据下述公式进行计算：
R＝L激发-L接收10.log(S/A)
其中：
L为测量水平；
S为面积测试窗口(支撑框架中的孔)；和
A为接收室的等同吸收面积。
测量以不同频率值来执行，即，200Hz、250Hz、315Hz、400Hz、500Hz、630Hz、800Hz、1000Hz、1250Hz、1600Hz和2000Hz。测量值记录于图13中，作为频率的函数的传输损耗TL；在本发明的样品上所测量的值由实线来表示，而在现有技术的样品上所测量的值由虚线来表示(即使上述频率的频谱仅以给定值进行取样，结果也表示为折线)。
根据图13的两个曲线，明显的是，本发明的装置在部分的频谱中具有与现有技术的装置相当的声音绝缘性质，并且在630Hz和1000Hz之间的频率范围中改善了性质。

Claims (16)

1.超材料声音绝缘装置(10、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120)，包括：
-第一材料构成的第一层(11、51、61、71、81、111、121)，所述第一材料具有1kPa和1MPa之间的静态杨氏模量以及1kg/m3至500kg/m3，优选地50kg/m3和100kg/m3之间范围内的密度；
-第二材料构成的第二层(12、112)，所述第二层(12、112)具有第一表面和第二表面(13)，所述第一表面粘附至所述第一层的表面，所述第二表面(13)背离所述第一表面，所述第二材料具有10MPa和2500MPa之间的静态杨氏模量以及0.5kg/m2和20kg/m2之间，优选地2kg/m2和7kg/m2之间的单位面积重量；
-网状物形式的一个突起部或多个独立突起部(14、14a、14b、14c、14d、14e、14f、31、41、52、91、101、114)，所述一个突起部或多个独立突起部粘附至所述第二层的所述第一表面或第二表面的至少一者或与之一体，所述一个突起部或多个独立突起部由一种材料制成，所述材料具有10MPa和2500MPa之间的静态杨氏模量、500kg/m3和8000kg/m3之间的密度以及0.5kg/m2和20kg/m2之间的单位面积重量，其中所述独立突起部的每一者的占用面积不高于所述第二层的所述第一表面或第二表面的面积的2％，并且所述一个突起部或多个独立突起部的整体占用面积在所述第二层的所述第一表面或第二表面的面积的10％和60％之间。
2.根据权利要求1所述的超材料声音绝缘装置，其中所述第一材料为聚氨酯泡沫。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的超材料声音绝缘装置，其中所述第二材料为天然或合成纤维或聚合物的毛毡，所述聚合物选自聚氨酯、聚氯乙烯、聚酯、聚烯烃和聚酰胺。
4.根据前述权利要求中任一项所述的超材料声音绝缘装置，其中所述突起部通过胶粘而粘附至所述第二层。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的超材料声音绝缘装置，其中所述突起部为与所述第二层一体的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的超材料声音绝缘装置(10、40、50、60、70、80、110、120)，其中多个独立突起部(14、14a、14b、14c、14d、14e、14f、41、52、114)根据规则和周期性图案设置于所述第二层的第一表面或第二表面上。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的超材料声音绝缘装置(30)，其中多个独立突起部(31)以随机布置而设置于所述第二层的第一表面或第二表面上。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的超材料声音绝缘装置(90)，包括具有规则布置的网状物形式的单个突起部(91)，限定了方形、矩形、三角形或六边形图案。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的超材料声音绝缘装置(100)，包括具有不规则几何形状的网状物形式的单个突起部(101)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的超材料声音绝缘装置，其中所述第一层具有穿过其完整厚度的孔，或接触所述第二层(12)的第一表面的所述表面中的凹陷部，或与接触所述第二层(12)的表面相对的表面中的空腔。
11.根据权利要求10所述的超材料声音绝缘装置(50、60、70、80、120)，其中所述孔(62)、凹陷部(72)或空腔(82、122)根据规则和周期性图案而布置于所述第一层(51、61、71、81、121)中。
12.根据权利要求11所述的超材料声音绝缘装置(50)，其中与所述第二层(12)接触的所述第一层(51)的表面中具有凹陷部，所述凹陷部由存在于所述第二层(12)的第一表面上的突起部(52)完全地占用。
13.根据权利要求10所述的超材料声音绝缘装置，其中所述孔、凹陷部或空腔以随机设置而布置于所述第一层中。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的超材料声音绝缘装置(50、60、70、80)，其中在所述装置的顶视图中，所述第二层(12)上的所述突起部(14、52)处于与所述第一层(51、61、71、81、121)中的所述孔(62)、凹陷部(72)或空腔(82、122)的位置基本上对应的位置。
15.根据前述权利要求中任一项所述的超材料声音绝缘装置(10、30、40、90、100)，其中所述第一层(11)具有均匀厚度。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的超材料声音绝缘装置(50、60、70、80、110、120)，其中所述第一层(51、61、71、81、111、121)具有非均匀厚度。
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