本发明涉及可以表现出被动材料和超构性质(即，混合性质)两者的超构单元(meta cell)以及包括至少一个混合超构单元的多功能声学超构材料面板的开发，以便在期望的窄频带或宽频带中减少声波的传输和/或衰减声波。
背景技术：
1、声音或噪声隔音/降低/控制基本上通过两种技术实现：主动和被动。此外，这种降低或控制通常以两种不同的方式执行：声音吸收(sound absorption)和声音传输损失(sound transmission loss)。在声音吸收方面，主动隔音和被动隔音可以被描述为：
2、主动隔音：通常，是利用与期望减少的源声波相互干扰的控制声波来执行的，而无需应用隔音材料。控制声波被调整为与期望被抑制的声波相位相反且频率相同。该方法非常昂贵。此外，由于其需要受控的体积，因此在实践中其应用范围有限。在该方法中，控制声波可以使用声源在外部产生，或者可以在没有声源的情况下借助于被称为谐振器的各种元件产生。然而，这种类型的控制通常可以在窄频带(也称为音调)中操作，并且仍然需要受控的体积。需要更多的谐振器来加宽频带。这意味着可以放置谐振器的区域增加。为了吸收较低频率，需要较大体积或长度的谐振器。
3、被动隔音：是通过将隔音元件(诸如海绵、毡、玻璃棉、岩棉、纺织废料等)放置在噪声源与接收器之间来实现的。被动隔音材料由于其内部空间、不连续性、物理和化学结构而通过粘性和热效应提供声音吸收。除此之外，它们可以增加声音通过材料的传播路径(也称为曲折度)，从而减少遵循较长路径的声波的能量。这些可以通过将声能转换成热能而吸收的材料不足以吸收其中声波具有大波长的低频噪声。因为为了使这些类型的材料有效地起作用，材料特征厚度必须是要控制的声音/噪声的波长的至少四分之一。例如，为了吸收100hz的声波(声速：343m/s)，需要使用特征厚度为343/100/4≈86cm的隔音材料。由于这在实践中在物理上和经济上都是不可能的，因此这使得常规材料在低频下不能高效使用。此外，这些材料在诸如需要空气循环、食品和卫生设备、易燃和热环境的区域的系统中的使用是相当有限的。
4、在声音传输降低/损失方面，主动隔音本质上在声音吸收或声音传输之间不存在差异。然而，声音传输损失可以通过增加具有各种基于声学体积的几何不连续性(即，膨胀室)的反射来实现。同样，在低频下，对较大体积的需求持续存在。
5、当在被动控制的上下文中评估声音传输损失时，其取决于材料质量和频率(称为质量-频率法则)而发生。因此，随着材料的质量增加，声音传输损失增加。同样，随着频率增加，声音传输损失增加。因此，为了实现较低频率下的较高声音传输损失，必须使用较大重量的隔音材料。为此，通常优选诸如石棉或玻璃棉增强混凝土和砖等材料。
6、尤其是在过去的15年中，已经密集开发了人造隔音材料(被称为声学超构材料(acoustic metamaterial))，代替用于低中频区域的传统材料。声学超构材料主要在物理和工程技术领域具有广泛的用途，涉及汽车、航空航天、工业机械、白色家电、家用电器、空调和通风系统、防御行业、建筑和建筑部门等众多领域。利用声学超构材料，通过不遵守质量-频率法则，可以在某些单一低频下通过负有效质量、负有效体积模量或两者实现高声音吸收和/或声音传输损失。单元通常通过周期性地并排排列或连续排列来形成。在这些材料中，虽然材料厚度是重要的参数，但是主要技术是设计和适当地定位通常具有小尺寸(具有小于声音波长的特性长度，即，亚波长)的谐振单元。然而，也在现有技术中的声学超构材料在窄频带中吸收，并且在特定区域(在频带中)中提供传输损失，这取决于单元的谐振频率。因此，有必要开发声学超构材料，以便提供期望的广谱吸收和声音损失。通常使用多个调谐和周期性排列的单元的组合来加宽频带。
7、在现有技术中，文献号为cn112728275的专利中提到一种特别适用于非单一低频噪声吸收、具有超开放通风和可调节的声音吸收性能的声音吸收单元。在此单元设计中，频率是可调节的，其允许空气通过，并且旨在通过将声波捕获在迷宫式死胡同中来进行声音吸收。所讨论的文献中提到的单元旨在增加低频的声音路径，使得其可以吸收腔谐振。在该上下文中指定的单元可以仅在单一但可调整的频率上具有局部负体积模量。此外，内部的移动部件可以提供频率调谐(调谐)过程。通过这种方式，其通过设计具有更大的厚度。然而，它不具有可以进行声音传输减少的单元功能，即具有负质量效应。
8、在另一项已知现有技术中，文献号为cn111883093(a)的专利中提到了3层单元，包括1-微穿孔板、2-双螺旋盘绕结构、3-背板。在这种单元类型中，第一板包括两个微尺寸孔。在这些孔的正后方，有两个螺旋形式的通道以增加曲折度。利用这两个通道，旨在同时在两个不同频率下提供吸收。利用后面上的板，旨在根据质量法则切断传输。前面和后面的这两个板没有示出超构特征。通过微穿孔的前面板和被动包括的双通道来实现声音衰减。同样，其仅在音调频率下用作声音吸收器。尽管路径被设计为螺旋形以便增加曲折度，但是在所提及的文献中描述的组合和超构材料技术是已知技术。
9、在另一项已知现有技术中，编号为wo2017093690 a1提到了声学超构材料的单位单元。该单元在法布里珀罗(fabry perot)频率下提供高声音传输，其中多次添加典型的赫姆霍兹(helmholtz)谐振单元。换言之，它并非为减少由噪声源产生的声波传输并吸收声波而开发的单元。
10、在另一项已知现有技术中，编号为us2021237394(a1)的专利文献保留了另一种声学超构材料。这种超构材料：具有包括膜的经典几何形式的单元由后部刚性腔或质量块组成。这是经典的偶极型超构材料。经典超构材料停止声音传输，直到其膜的固有频率。所讨论的超构材料根据膜的材料性质提供少量的声音吸收。因此，根据目的，在现有技术中考虑的所述单元中的一些单元执行声音抑制，并且一些单元执行声音吸收。
11、有必要开发将现有技术中列出的缺点变成优点的声学超构单元。
技术实现思路
1、本发明包括至少一个部件，其既是被动材料又是超构特征(混合)，以独特的几何形式开发以通过调谐到期望的窄或宽频带来停止和/或吸收声波的传输，本发明的目的在于，实现一种多功能声学超构材料面板，其包括至少一个声学混合超构单元和所述至少一个混合超构单元。
2、本发明的另一个目的在于，开发可以根据所应用的领域或地点成形或形成的声学隔音面板，包括上述混合声学超构单元的面板可以在期望的窄带和/或某个宽频带中操作，可以提供高声音吸收和高声音传输损失，并且它们可以是非常薄的、柔性的或刚性的(非柔性的、实心的)。
3、所开发的单元和包括这些单元的面板可以表现出被动隔音材料性质以及声学超构材料性质。为此，它被称为混合声学超构单元和声学混合超构隔音面板/板。
4、此外，单元还具有可以在中高频下用作谐振器的形式。因此，获得了可以包括超构、被动材料两者和谐振器的组合单元。在现有技术中，这些特征不以这种方式一起存在。这些面板可以在广泛领域中用作声音(声学、噪声)隔音材料。
5、另外，由于隔音板可以是穿孔形式，因此本发明创建了允许空气循环但不允许声音/噪声传输的创新隔音系统。
6、本发明的单元利用具有亚波长的膜或板示出了负质量性质，以及利用腔和通道示出了负体积模量(像具有亚波长的特殊谐振器一样工作)。这些负性质意味着产生异质行为(exotic behaviours)的超构材料效应，从而导致较高的声音传输损失和声音吸收。此外，通道的几何形状、厚度和长度提供了高粘热和曲折度效应。这些效应意指被动材料行为。这种混合组合与现有技术中提到的系统完全不同。与现有技术相比，由于这些特征，它可以采取非常薄的形式。利用包括膜/板两者的几何形状参数以及腔、通道和缝隙的形式的计算来执行频率调谐。
7、本发明是任何几何形式(优选是圆形、三角形、正方形、矩形、多边形或任意)的混合声学单体单元，其可用于许多领域，例如汽车、航空、工业机械、白色家电、家用电器行业、空调和通风系统、防御行业、建造和建筑领域。这些单元可以通过声学体积通道将单体单元彼此连接来创建多单元。这些单元被设计为对噪声源产生的声波在非常宽的频率范围内停止传输或提供声音吸收，其中至少一个第一层(或前层或入口层)具有任何几何形式和物理特征，至少一个第二层(或中间层)具有任何几何形式和物理特征，至少一个第三层(或输出层或后层)具有任何几何形式和物理性质。这些单元具有任何几何形式和物理性质的至少一个内框，以及至少一个内部声学体积，该内部声学体积填充所述内框到与内体积一样多并且符合内框的几何形式或任何几何形式和物理性质。它还包括与声学体积一起的至少一个外部声学体积通道，该至少一个外部声学体积通道具有任何几何形状和物理特征，相对于所述内框定位在预定距离处，并且位于内框的外部区域中。另外，单元中的任何几何形式和物理性质的至少一个外框完全或部分地覆盖所述外部声学体积通道的表面和所述内部声学体积的所述第二层。由于通过将所述第一层和所述第三层与所述第二层组合(其完全或部分地覆盖另一表面)而形成的几何形式和物理特征，所以在单元中以预定厚度针对第一层和第三层中的每一者形成两个单独的部分：第一部分和第二部分。每个部分根据其固有频率表现出不同的物理性质。
1.多个超构单元(11)，所述多个超构单元适用于许多领域，诸如汽车、航空、工业机械、白色家电、家用电器行业、空调和通风系统、防御行业、建造和建筑领域；所述多个超构单元优选是能够经由混合声学单体或声学体积通道(1.201)彼此连接的任何几何形式的圆形、三角形、正方形、矩形、多边形或任意(随机、任何)形式(形状)，
2.根据权利要求1所述的超构单元(1)，其特征在于，所述第一层(1.1)和所述第三层(1.3)是膜和/或板。
3.根据权利要求2所述的超构单元(1)，其特征在于，能够以任何形式和重量和位置将质量添加到所述第一层(1.1)和所述第三层(1.3)的任何部分上。
4.根据权利要求3所述的超构单元(1)，其特征在于，所述内部声学体积(1.210)和所述外部声学体积通道(1.201)呈任何几何形式，优选是圆形、三角形、正方形、矩形、多边形或任何任意(随机、任何)形式(形状)。
5.根据权利要求4所述的超构单元(1)，其特征在于，所述第一层(1.1)和所述第三层(1.3)包括用于所述波进入的至少一个入口孔(1.10)和用于所述波离开的至少一个出口孔(1.30)，其中所述孔的尺寸按照所述孔不破坏所述膜(板)特征的方式确定，所述孔允许所述声波进入和/或离开所述单元，因此利用预定的几何形式、尺寸和定位增加有效长度(路径)(leffective)。
6.根据权利要求5所述的超构单元(1)，其特征在于，根据所述单元(1)的特性，至少一个入口孔(1.10)和/或至少一个出口孔(1.30)能够呈各种几何形式(圆形、三角形、正方形、矩形、多边形或任意)、尺寸，并且能够定位在它们所在的层上的任何位置。
7.根据权利要求6所述的超构单元(1)，其特征在于，至少一个第二层(1.2)包括连接所述外部声学体积通道(1.201)和所述内部声学体积(1.210)的至少一个口部(a)(或开口)。
8.根据权利要求7所述的超构单元(1)，其特征在于，所述超构单元包括所述第一层(1.1)、所述第二层(1.2)和所述第三层(1.3)，所述第一层(1.1)、所述第二层(1.2)和所述第三层(1.3)能够并排地和/或背对背地和/或直线地和/或对角线地和/或任意地和/或周期性地和/或随机地添加到彼此。
9.一种面板，其特征在于，所述面板包括至少一个根据上述权利要求中任一项所述的混合超构材料单元，其中，相同和/或不同的单元能够并排地和/或背对背地和/或直线地和/或对角线地和/或任意地和/或周期性地和/或随机地互连。
10.一种根据上述权利要求中任一项所述的产品，其特征在于，混合超构单元和/或面板能够通过胶合和/或卡扣和/或装配和/或通过任何紧固/胶合/联接/附接的方法附接到彼此或附接到任何元件，和/或能够部分地或完全地一体形成。
11.根据权利要求10所述的产品，其特征在于，根据相同或不同的单元(1)厚度，具有圆形、三角形、正方形、矩形、多边形或任意形式的所述单元和/或面板能够具有不同的厚度，所述单元和/或面板能够通过将该单元和/或面板并排地和/或背对背地和/或直线地和/或对角线地和/或任意地、周期性地和/或随机地组合而形成。
12.根据权利要求10或11所述的产品，其特征在于，所述单元和/或面板包括与所述第一层(1.1)和/或所述第三层(1.3)形成空间的至少一个附加保护层(t)(板或层或覆盖物)。
