專利名稱：交通工具隔音方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可用于交通工具(例如，飛機、機動車、火車和船)的隔音方法，在另一方面，涉及在其中用于提供消音或隔音的設(shè)備。
背景技術(shù)：
隔音材料和結(jié)構(gòu)在運輸業(yè)中具有重要應(yīng)用。例如，通常認為交通工具乘客室內(nèi)的噪音水平需要降低。噪音(例如公路噪音、風噪音、發(fā)動機噪音、振動等，以及發(fā)自乘客室的噪音)可以通過使用各種聲學(xué)吸收或反射材料來減弱。此類材料可以包括在(例如)頂篷、 機動車行李箱襯墊、機罩襯墊、儀表盤護罩、內(nèi)側(cè)板或地毯料和其他裝飾性或功能性車輛覆面材料，從而在車輛內(nèi)部得到增強的降噪效果。在隔音行業(yè)中使用的傳統(tǒng)材料，諸如吸收器和反射器，通常在一個寬的頻率范圍內(nèi)有效而不能提供頻率選擇性聲控。有源噪音消除設(shè)備容許進行頻率選擇性聲衰減，但其通常在密閉空間最有效并且要求對電子設(shè)備進行投資和操作以便提供電源和控制。傳統(tǒng)吸聲材料(例如，泡沫或纖維材料)一般重量相對較輕并且多孔，用于消散在其相對較大表面積上的聲波振動能。Helmholtz共振器(具有例如置于兩個彈性基板之間的一層空氣)也可用作吸聲器。然而，對于兩種類型的吸收器，一般需要相對較厚的結(jié)構(gòu)以便在相對較低可聽頻率獲得相對良好的吸收特性(例如，對小于約500赫茲(Hz)的頻率而言，大約需要50毫米(mm)厚度)，而此類厚結(jié)構(gòu)可能會對在有限車輛空間內(nèi)的使用造成問題。與吸收器相比，傳統(tǒng)聲音屏障往往相對較重并且不透氣，這是因為材料的聲音傳輸損耗通常為其質(zhì)量和硬度的函數(shù)。所謂的“質(zhì)量法則”(適用于某些頻率范圍的很多傳統(tǒng)聲屏障材料)指出當材料單位面積的重量加倍，穿過材料的傳輸損耗增加6分貝(dB)?？梢酝ㄟ^使用更致密的材料或增加屏障的厚度來增加單位面積的重量。然而，增加重量在許多運輸應(yīng)用中可能是不可取的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，我們認識到需要隔音方法，該隔音方法可以通過使用外部尺寸相對較小和/ 或重量相對較輕的隔音設(shè)備在交通工具中提供相對較高水平的消音或隔音(降低或優(yōu)選地消除聲音傳輸)。優(yōu)選地，該設(shè)備可在相對較寬范圍的可聽音頻上至少部分地有效和/或可以較簡單并且有成本效率地制備。簡而言之，在一個方面，本發(fā)明提供這樣的隔音方法，其包括(a)提供至少一種包含至少一個聲屏障的隔音設(shè)備，所述聲屏障包括至少一個設(shè)置在具有第一密度的第一介質(zhì)中的大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列，所述結(jié)構(gòu)由具有不同于第一密度的第二密度的第二介質(zhì)制得，其中第一和第二介質(zhì)中的一個是具有縱向聲波傳播速度和橫向聲波傳播速度的粘彈性介質(zhì)，該縱向聲波傳播速度是橫向聲波傳播速度的至少約30倍，并且其中第一和第二介質(zhì)中的另一個是粘彈性或彈性介質(zhì)；和(b)將隔音設(shè)備置于交通工具(例如，飛機、機動車、火車或船)的聲源區(qū)域(優(yōu)選地，可聽音頻的源)和聲接收區(qū)域之間。優(yōu)選地，該大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列是呈多層結(jié)構(gòu)的形式的一維陣列，該多層結(jié)構(gòu)包括第一和第二介質(zhì)的交替層。 隔音設(shè)備優(yōu)選還包含至少一種耐高溫材料(如下所述)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過選擇具有某些特征的粘彈性材料并將其與粘彈性或彈性材料組合來形成空間上周期性陣列，可以在可聽范圍(即20赫茲(Hz)到20千赫(kHz)的范圍)的至少一些部分中得到聲子晶體結(jié)構(gòu)帶隙或至少明顯的傳輸損耗(例如大于20分貝(dB))。 此類聲屏障或聲子晶體結(jié)構(gòu)在重量上可以相對較輕，并且相對較小(例如，外部尺寸約幾厘米或更小)。通過控制諸如材料的選擇、晶格結(jié)構(gòu)的類型、不同材料的間距等等之類的設(shè)計參數(shù)，帶隙的頻率、間隙的數(shù)量以及它們的寬度可以進行微調(diào)，或者至少可根據(jù)頻率調(diào)整傳輸損耗水平。聲子晶體結(jié)構(gòu)可以以無源但頻率選擇性的方式產(chǎn)生聲學(xué)帶隙。不同于聲學(xué)工業(yè)中使用的大多數(shù)普通吸音器，聲子晶體以傳輸模式控制聲音。在帶隙的頻率范圍之內(nèi)，入射聲波可能基本上沒有傳輸穿過結(jié)構(gòu)。帶隙不總是絕對的(即，沒有聲音傳輸)，但聲音傳輸損耗通常可為大約20分貝(dB)或更高。在聲學(xué)工業(yè)中，3dB左右的衰減被認為是明顯的，所以20+dB是非常明顯的傳輸損耗，接近聲功率百分之百的減少。聲子晶體結(jié)構(gòu)可放置在聲源和接收器之間以只允許選定的頻率通過結(jié)構(gòu)。這樣接收器聽到濾過的聲音，而不需要的頻率被阻止。通過適當配置聲子晶體結(jié)構(gòu)，傳輸?shù)念l率可以集中在接收器，或者不希望的頻率可以反射回聲源(很像頻率選擇鏡)。與現(xiàn)在的聲學(xué)材料不同，聲子晶體結(jié)構(gòu)可以用來實際管理聲波而不是簡單地衰減或反射它們。出人意料地，包含此類聲屏障或聲子晶體結(jié)構(gòu)的隔音設(shè)備，盡管相對較薄且重量相對較輕，但被包括在交通工具內(nèi)時可以在高于約300Hz的頻率下提供大于約20dB的聲音傳輸損耗。與常規(guī)的交通工具隔音器(其一般遵守上述質(zhì)量法則)相比，本發(fā)明的方法中所用的隔音設(shè)備在約150Hz及以上的頻率下所提供的傳輸損耗可超出質(zhì)量法則所預(yù)測的傳輸損耗達約3-4dB。該設(shè)備可在環(huán)境溫度下有效，在顯著低于或高于環(huán)境的溫度下也可有效(例如，約-80°C到約+150°C范圍的溫度，相對于約23°C室溫，性能損耗僅幾分貝)。另外，還包含至少一種耐高溫(優(yōu)選阻燃；更優(yōu)選抗火焰?zhèn)鞑ズ涂够鹧娲┩福蛔顑?yōu)選抗燒穿； 如下所述)材料的隔音設(shè)備可以用于非常關(guān)心阻燃性的運輸應(yīng)用(例如，空中運輸和軌道運輸)并且仍提供有效隔音。因此，在至少一些實施例中，本發(fā)明的方法可以滿足上述對隔音方法的需要，所述隔音方法在交通工具中在可聽音頻下(出人意料地，甚至在低于約1000赫茲的可聽頻率下)可以至少部分地有效，同時使用外部尺寸相對較小和/或重量相對較輕的隔音設(shè)備。本發(fā)明的隔音方法可用于在各種不同運載工具環(huán)境中提供隔音，在這些環(huán)境中，重量減輕、厚度降低和/或耐高溫性可能十分重要。例如，此類用途可以包括將該隔音設(shè)備放置于飛機 (例如，用于機身周圍的隔音和用于乘客室面板中)、機動車(例如，用于地板、儀表盤、輪艙和頂篷中)等等中的內(nèi)部或外部運載工具部件(或兩者)中。
在另一方面，本發(fā)明還提供一種隔音設(shè)備，該設(shè)備包括(a)至少一個包含至少一個大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列的聲屏障，所述大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列設(shè)置在具有第一密度的第一介質(zhì)中，所述結(jié)構(gòu)由具有不同于所述第一密度的第二密度的第二介質(zhì)制得，其中所述第一和第二介質(zhì)中的一個是具有縱向聲波傳播速度和橫向聲波傳播速度的粘彈性介質(zhì)，所述縱向聲波傳播速度是所述橫向聲波傳播速度的至少約30倍，并且其中所述第一和第二介質(zhì)中的另一個是粘彈性或彈性介質(zhì)；和(b)至少一種耐高溫(優(yōu)選阻燃；更優(yōu)選抗火焰?zhèn)鞑ズ涂够鹧娲┩?；最?yōu)選抗燒穿；如下文所述)材料。優(yōu)選地，該大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列是呈多層結(jié)構(gòu)的形式的一維陣列，該多層結(jié)構(gòu)包括第一和第二介質(zhì)的交替層。


參照以下描述、所附權(quán)利要求書和附圖，將會更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征、方面以及優(yōu)點，其中圖1是實例2和3中所述的本發(fā)明方法的實施例的傳輸損耗(單位dB)與頻率 (單位Hz)關(guān)系的曲線圖。圖2是實例4和5中所述的本發(fā)明方法的實施例的傳輸損耗(單位dB ；測量值和理論(質(zhì)量法則)值)與頻率(單位Hz)關(guān)系的曲線圖。圖3是實例4中所述的本發(fā)明方法的實施例的傳輸損耗(單位dB ；在兩個不同溫度下)與頻率(單位Hz)關(guān)系的曲線圖。圖4是實例5中所述的本發(fā)明方法的實施例的傳輸損耗(單位dB ；在兩個不同溫度下)與頻率(單位Hz)關(guān)系的曲線圖。
具體實施例方式^X本專利申請中使用的“耐高溫材料”意指在最高達至少約500°C的溫度下不會熔化、流動、分解或者以別的方式顯著改變形狀的材料；“阻燃材料”意指滿足在14 C. F. R.第25部分25. 853 (a)章和25. 855 (d)章(其參考附錄F的I部分到第25部分)(其內(nèi)容以引用方式并入本文中)中規(guī)定的聯(lián)邦航空局易燃性要求的材料；“抗火焰?zhèn)鞑ゲ牧稀币庵笣M足在14C. F. R.第25部分25. 856 (a)章(其參考附錄F 的VI部分到第25部分)(其內(nèi)容以引用方式并入本文中)中規(guī)定的聯(lián)邦航空局易燃性要求的材料；“抗火焰穿透材料”意指滿足在14C. F. R.第25部分25. 856 (b)章(其參考附錄F 的VII部分到第25部分)(其內(nèi)容以引用方式并入本文中)中規(guī)定的聯(lián)邦航空局易燃性要求的材料；和“抗燒穿材料”意指滿足在14C. F. R.第25部分25. 853 (a)章和25. 855 (d)章(其參考附錄F的I部分到第25部分)中以及在14C. F. R.第25部分25. 856 (a)章(火焰?zhèn)鞑?和25. 856(b)章(火焰穿透)(其分別參考附錄F的VI部分和VII部分到25部分) (其內(nèi)容以引用方式并入本文中)中規(guī)定的聯(lián)邦航空局易燃性要求的材料。
聲屏障材料適合用作本發(fā)明方法中所用聲屏障的上面提到的粘彈性組分的材料包括這樣的粘彈性固體和液體，其(優(yōu)選地，至少在音頻的可聽范圍內(nèi))縱向聲波的傳播速度是橫向聲波的傳播速度的至少約30倍(優(yōu)選地，至少約50倍；更優(yōu)選地，至少約75倍；最優(yōu)選地，至少約100倍)?？捎玫恼硰椥怨腆w和液體包括那些在室溫下(例如約20°C )具有小于或等于約5X IO6帕斯卡(Pa)的穩(wěn)態(tài)剪切平臺模量(G° N)的粘彈性固體和液體，穩(wěn)態(tài)剪切平臺模量優(yōu)選從約30開氏度延伸到約100開氏度，高于材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。優(yōu)選地， 在聲屏障中至少一種粘彈性材料在室溫下(例如約20°C )具有小于或等于約IX IO6Pa (更優(yōu)選，小于或等于約IXlO5Pa)的穩(wěn)態(tài)剪切平臺模量。這樣的粘彈性材料的例子包括各種形式的橡膠狀聚合物組合物(例如，包括輕度交聯(lián)或半結(jié)晶聚合物)，該橡膠狀聚合物組合物包括彈性體(包括(例如)熱塑性彈性體)、 彈粘性液體等以及它們的組合(優(yōu)選地，對于至少一些應(yīng)用，彈性體和它們的組合)?？捎玫膹椥泽w包括均聚物和共聚物(包括嵌段、接枝和無規(guī)共聚物)、無機和有機聚合物以及它們的組合、還有直鏈或支鏈的和/或互穿或半互穿網(wǎng)絡(luò)或其他復(fù)合物形式(例如星型聚合物)的聚合物?？捎玫膹椪承砸后w包括聚合物熔體、溶液和凝膠(包括水凝膠)。優(yōu)選的粘彈性固體包括硅橡膠(優(yōu)選地，具有約20A到約70A的硬度測驗器硬度； 更優(yōu)選地，約30A到約50A)、(甲基)丙烯酸酯(丙烯酸酯和/或甲基丙烯酸酯)聚合物 (優(yōu)選地，丙烯酸異辛酯(IOA)和丙烯酸(AA)的共聚物)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)共聚物、 嵌段共聚物(優(yōu)選地，包括苯乙烯、乙烯和丁烯)、纖維質(zhì)聚合物(優(yōu)選軟木)、有機聚合物 (優(yōu)選聚氨酯)和聚二有機硅氧烷-聚酰胺嵌段共聚物(優(yōu)選硅氧烷聚乙二酰胺嵌段共聚物)的共混物、氯丁橡膠以及它們的組合。優(yōu)選的粘彈性液體包括礦物油改性的嵌段共聚物、水凝膠以及它們的組合。通過已知的方法可以制備這類粘彈性固體和液體。很多是市售的。適合用作本發(fā)明聲屏障的上面提到的彈性組分的材料包括基本上所有的彈性材料。然而，優(yōu)選的彈性材料包括那些具有至少約2000米每秒(m/s)的縱向聲音速度的彈性材料。彈性固體的可用類別包括金屬(和其合金)、玻璃態(tài)聚合物(例如，固化環(huán)氧樹脂)、復(fù)合材料(例如聚合物基體中的玻璃、金屬或碳纖維(或另一種顆粒形式，例如薄片或粉末))等等以及它們的組合。優(yōu)選的彈性固體類別包括金屬、金屬合金、玻璃態(tài)聚合物以及它們的組合(更優(yōu)選地，銅、鋁、環(huán)氧樹脂、銅合金、鋁合金，以及它們的組合；甚至更優(yōu)選地，銅、鋁、銅合金、鋁合金，以及它們的組合；還更優(yōu)選地，鋁、鋁合金以及它們的組合；最優(yōu)選鋁)。通過已知的方法可以制備或得到這類彈性材料。很多是市售的。如果需要，本發(fā)明的方法中的聲屏障可任選地包含其他成分材料。例如，聲屏障可以包括多于一種粘彈性材料(包括一種或多種不具有縱向聲波傳播速度是其橫向聲波傳播速度至少約30倍的粘彈性材料，前提條件是聲屏障中至少一種粘彈性材料滿足這個標準)和/或多于一種上述的彈性材料。該聲屏障可以任選地包括一種或多種非粘性流體。聲屏障的制備如上所述，本發(fā)明的方法中所用的聲屏障包括設(shè)置在具有第一密度的第一介質(zhì)中的大致周期性(一、二或三維)陣列結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)由具有不同于第一密度的第二密度的第二介質(zhì)制得?？赏ㄟ^使用上述的粘彈性材料或上述的彈性材料(或者不同的第二粘彈性材料，作為彈性材料的替換)作為第一介質(zhì)并且使用這兩種材料中的另一個作為第二介質(zhì)， 來形成這樣的陣列。所得的結(jié)構(gòu)或聲子晶體可以是宏觀構(gòu)造(例如具有量級為厘米或毫米或更小的尺度)。如果需要，聲子晶體可以呈現(xiàn)空間上周期性晶格的形式，在其晶格位點具有尺寸一致和形狀一致的內(nèi)含物，周圍包圍著在內(nèi)含物之間形成基質(zhì)的材料。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)包括晶格類型(例如正方形、三角形等等)、晶格位點之間的間距(晶格常數(shù))、單位晶胞的構(gòu)成和形狀(例如，被內(nèi)含物占據(jù)的單位晶胞的面積分數(shù)-也被稱為f，即所謂的“填充因數(shù)”)、內(nèi)含物和基質(zhì)材料的物理特性(例如密度、泊松比、模量等等)、內(nèi)含物的形狀(例如棒、球、中空棒、方柱等等)等。通過控制這樣的設(shè)計參數(shù)，所得帶隙的頻率、間隙的數(shù)量和它們的寬度均可以微調(diào)，或者至少可根據(jù)頻率調(diào)整傳輸損耗水平。優(yōu)選地，大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列是呈多層結(jié)構(gòu)的形式的一維陣列，該多層結(jié)構(gòu)包括第一和第二介質(zhì)的交替層(并且，如果需要，還進一步包括呈一層或多層的形式的一種或多種上述任選組分；例如“AB⑶”結(jié)構(gòu)、“A⑶B”結(jié)構(gòu)、“ACBD”結(jié)構(gòu)等等可以由第一㈧和第二(B)介質(zhì)以及兩種附加組分C和D來形成)。多層結(jié)構(gòu)的總層數(shù)可以在一個較寬的范圍內(nèi)變化，這取決于使用的具體材料、層的厚度以及具體聲學(xué)應(yīng)用的要求。例如，多層結(jié)構(gòu)的總層數(shù)可以在從少至兩層到多至數(shù)百層或更多的范圍內(nèi)變動。 層的厚度也可以在很寬范圍內(nèi)改變(取決于，例如，所需的周期性)但優(yōu)選地為厘米量級或更小(更優(yōu)選地，毫米量級或更小；最優(yōu)選地，小于或等于約10mm)。這樣的層厚度和層數(shù)量可以提供具有大小在厘米量級或更小(優(yōu)選地，小于或等于約100mm;更優(yōu)選地，小于或等于約50mm ；甚至更優(yōu)選地，小于或等于約IOmm ；最優(yōu)選地，小于或等于約5mm)的聲子晶體結(jié)構(gòu)。如果需要，可以在結(jié)構(gòu)的組裝之前對這些層進行清潔(例如，使用表面活性劑組合物或異丙醇)，并且可以任選地使用一種或多種連接媒介物(例如，粘合劑或機械緊固件) (前提條件是對希望的聲學(xué)效果和/或阻燃特性無明顯影響)。多層結(jié)構(gòu)優(yōu)選的實施例包括從約3層到約10層(更優(yōu)選地，從約3層到約5層) 的粘彈性材料(優(yōu)選地，硅橡膠、丙烯酸酯聚合物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、或它們的組合)和彈性材料(優(yōu)選地，鋁、環(huán)氧樹脂、鋁合金、或它們的組合)的交替層，所述粘彈性材料層厚為約0. 75mm到約1. 25mm，所述彈性材料層厚為約0. 025mm到約1mm。這可以提供優(yōu)選的尺寸在約Imm到約IOmm (更優(yōu)選地，約2mm到約4mm ；最優(yōu)選地，約2mm到約3mm)量級的聲子晶體結(jié)構(gòu)。耐高溫材料用于本發(fā)明方法中所用的隔音設(shè)備的合適耐高溫材料包括陶瓷紙(例如，硅鋁酸鹽陶瓷纖維紙，以商品名KA0W00L紙購自Thermal Ceramics, Inc. (Augusta, GA)和以商品名LYTHERM紙購自Lydall，Inc. (Rochester, NH)，以及聚酰亞胺膜封裝的陶瓷纖維紙，可以商品名3M NEXTEL火焰罩AL-I購自3M公司(St. Paul，MN))、織造陶瓷纖維(例如，以商品名NEXTEL 312 AF-10航空織物購自3M公司(M.Paul，MN)的織物)、織造纖維玻璃纖維 (例如，以商品名SILTEMP硅石織物84CH型購自Ametek (Wilmington, DE)的織物)、陶瓷非織造纖維織品(例如，由以商品名NEXTEL 312陶瓷纖維購自3M公司(M.Paul，MN)的陶瓷氧化物纖維制備的纖維織品)以及纖維玻璃非織造纖維織品。此類材料可以通過已知方法制備。合適的耐高溫材料包括美國專利No. 6，670，291 (Tompkins等人)中所述那些，該專利的描述內(nèi)容以引用方式并入本文中。優(yōu)選的耐高溫材料為阻燃材料(例如，硅鋁酸鹽陶瓷纖維紙和S-玻璃紙)。更優(yōu)選的耐高溫材料是抗火焰?zhèn)鞑ズ涂够鹧娲┩傅牟牧稀Ｗ顑?yōu)選的耐高溫材料是抗燒穿材料(例如，陶瓷紙，如得自3M公司(St. Paul，麗)的3M NEXTEL擋焰點紙，和以商品名3M NEXTEL 擋焰涂布紙購自3M公司的蛭石涂覆陶瓷紙，以及得自DuPont (Richmond，VA)的NOMEX 418 型紙張)。隔咅設(shè)備的制備和使用適用于本發(fā)明方法的隔音設(shè)備包括那些包含(a)上述聲屏障中的至少一種；和 (b)任選地(但優(yōu)選)至少一種耐高溫材料的設(shè)備。優(yōu)選地，隔音設(shè)備的聲屏障的大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列是呈多層結(jié)構(gòu)的形式的一維陣列，該多層結(jié)構(gòu)包括第一和第二介質(zhì)的交替層。如果需要，隔音設(shè)備可以包含一層或多層耐高溫材料。當使用時，耐高溫材料(例如，片材形式)優(yōu)選施加到聲屏障的最外表面中的一個或多個(優(yōu)選作為多層聲屏障結(jié)構(gòu)的最外層)。另外，其他通常存在于交通工具部件中的材料和/或?qū)右部杀话ㄔ诟粢粼O(shè)備中。例如，該設(shè)備還可以包含一種或多種粘合劑組合物或膜(其可用于例如將耐高溫材料附接到聲屏障)、一種或多種纖維織品(例如，機織聚合物型織物)、一種或多種斥水涂層、一種或多種膨脹添加劑或涂層和一種或多種聚合物膜(其可任選地被金屬化)，以及阻燃齊 、抗靜電劑、抗霉劑等等。此類其他材料和/或?qū)涌梢员桓浇拥铰暺琳系耐獠?，或聲屏障本身可以包含此類材料?或?qū)?，前提條件是在任一種情況下聲屏障的大致周期性和聲學(xué)特性均不會受到無法接受的破壞或改變。當需要無外殼的隔音設(shè)備時，優(yōu)選對額外的材料和/或?qū)舆M行選擇，使得不顯著提高設(shè)備的水分攝取和保持特性。通過將隔音設(shè)備置于或放在交通工具的聲源區(qū)域(優(yōu)選地，可聽音頻的源)和聲接收區(qū)域(優(yōu)選地，可聽音頻的接收器)之間，可將該設(shè)備用于本發(fā)明的隔音方法。可用的聲源包括公路噪音、風噪音、發(fā)動機噪聲等(優(yōu)選地，具有可聽組分的噪音或其他聲音；更優(yōu)選地，具有約500Hz到約1500Hz范圍內(nèi)的頻率組分的噪音或其他聲音)。隔音設(shè)備可以顯著減弱從運載工具聲源區(qū)域(例如，發(fā)動機室、傳動系統(tǒng)、輪胎、 外板等)傳播到運載工具接收區(qū)域(例如，防火板、底板、門板、頂篷、其他內(nèi)部裝飾等)的聲波?？蓪⒃撛O(shè)備定位于源區(qū)域和接收區(qū)域之間，使得設(shè)備的聲屏障的主表面攔截并因此減弱從源區(qū)域傳播到接收區(qū)域的聲波。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將熟悉可如此定位此類設(shè)備的各種方式。一般優(yōu)選聲波垂直入射(相對于該設(shè)備的聲屏障的主表面)，但場入射條件(隨機取向)也可提供相當有效的聲學(xué)衰減(例如，當使用一維多層聲屏障時，相對于垂直入射條件，傳輸?shù)脑黾硬怀^約 5dB)。如果需要，隔音設(shè)備的聲屏障可以用作吸聲器(例如，通過相對于基板(例如，地板或面板)定位聲屏障，使得其可以用作Helmholtz共振器型吸收器)。通過基本上任何已知的或此后開發(fā)的不會無法接受地破壞或改變設(shè)備的聲屏障的大致周期性或其聲學(xué)特性的方法(例如，使用粘合劑、機械緊固件、形狀配合等等)，可將隔音設(shè)備直接或間接附接到交通工具部件或懸置于交通工具部件內(nèi)。本發(fā)明的隔音方法和設(shè)備可以用來在可聽范圍的相對較大的部分上實現(xiàn)傳輸損耗(優(yōu)選的實施例在約800Hz到約1500Hz的范圍提供大于或等于約20dB的傳輸損耗；更優(yōu)選的實施例在約500Hz到約1500Hz的范圍提供大于或等于約20dB的傳輸損耗；甚至更優(yōu)選的實施例在約250Hz到約1500Hz的范圍提供大于或等于約20dB的傳輸損耗；最優(yōu)選的實施例在約500Hz到約1500Hz的范圍的至少一部分上提供大致完全傳輸損耗)?？稍诰S持聲子晶體結(jié)構(gòu)大小在厘米量級或更小(優(yōu)選地，小于或等于約20cm ；更優(yōu)選地，毫米量級或更??；最優(yōu)選地，約1到約3mm量級)的同時，實現(xiàn)這樣的傳輸損耗。除了一個或多個上述的聲屏障外，隔音設(shè)備還可以任選地進一步包括一個或多個常規(guī)的或在此后開發(fā)的隔音器(例如，常規(guī)的吸收器、屏蔽等)。如果需要，這樣的常規(guī)隔音器可進行層疊，例如以拓寬設(shè)備的頻率有效性范圍。^M下面的實例進一步說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，但這些實例中列舉的具體材料及其量以及其他條件和細節(jié)不應(yīng)被解釋為是對本發(fā)明的不當限制。除非另有說明，否則實施例中的所有份數(shù)、百分比、比率等均是按重量計。除非另有說明，否則溶劑和其他試劑均得自 Sigma-Aldrich Chemical 公司(St. Louis, MO)。測試方法傳輸損耗測量通過使用Briiel & Kjger 阻抗管系統(tǒng) 4206 型(100讓管，Briiel & Kjser Sound & Vibration Measurement A/S，丹麥)來進行傳輸損耗測量。使用了四傳聲器傳遞函數(shù)測試方法來測量頻率范圍50Hz到1. 6kHz的傳輸損耗。簡言之，該管系統(tǒng)由內(nèi)徑IOOmm的聲源管、支撐管和接收管組成。每個試驗樣本是用兩個橡膠0形環(huán)設(shè)立在位于聲源管和接收管之間的支撐管內(nèi)。安裝于源管末端的擴音器 G歐姆(Ω)阻抗，80mm直徑)用作聲平面波的發(fā)生器。四個4187型的0. 64cm(l/4英寸) 電容傳聲器用來測量試驗樣本兩側(cè)的聲壓水平(兩個在聲源管兩個在接收管)。聲源管中的兩個傳聲器用來確定進來的和反射的平面波。位于接收管中的其他兩個傳聲器用來確定吸收的和傳輸?shù)牟糠帧Ｍㄟ^測量四個傳聲器位置處的聲壓并根據(jù)Olivieri, 0.、Bolton, J. S.和Yoo, Τ.在“Measurement of Transmission Loss of Materials Using a Standing Wave Tube，， 《使用駐波管來測量材料的傳輸損耗》(INTER-N0ISE2006，2006年12月3_6日，Honolulu， Hawaii, USA)中所描述的程序使用四通道數(shù)字頻率分析器計算復(fù)傳遞函數(shù)，確定試驗樣本的傳輸損耗。采用了 PULSE版本11數(shù)據(jù)采集和分析軟件(Brilel & Kj r )。對于每種結(jié)構(gòu)，制備了試驗樣本。所有試驗樣本用直徑99. 54mm精密模具切削。對于每個試驗樣本重復(fù)測量傳輸損耗三次。以三次測量的算術(shù)平均值來計算每種結(jié)構(gòu)的所得傳輸損耗。流變學(xué)測量流變性(例如，穩(wěn)態(tài)剪切平臺模量)是通過在市售的ARES動態(tài)流變儀(可購自TA Instruments (New Castle, Delaware))中以延伸模式在材料試驗樣本上進行線性、等溫掃頻動態(tài)力學(xué)分析(DMA)測試來測定。然后，使用時間-溫度疊加原理偏移所得數(shù)據(jù)以在選定的參考溫度(取室溫22. 7°C )下產(chǎn)生動態(tài)總曲線。檢查用于動態(tài)總曲線的偏移的水平偏移因子，發(fā)現(xiàn)其遵守 Williams-Landel-Ferry (WLF)形式。最終，通過 Ninomiya-Ferry (NF)程序?qū)⑺脛討B(tài)總曲線轉(zhuǎn)變?yōu)槭覝?下的穩(wěn)態(tài)線性延伸模量總曲線。橡膠拉伸模量平臺的值是由穩(wěn)態(tài)線性延伸模量總曲線來確定，并且材料的穩(wěn)態(tài)剪切平臺模量被取為橡膠延伸模量平臺值的三分之一。(參見例如，John D.Ferry在Viscoelastic Properties of Polymers《聚合物的粘彈性特性》(第2版，JohnWiley & Sons, Inc.(紐約)(1980年))中關(guān)于流變學(xué)數(shù)據(jù)分析技術(shù)的討論。)/ m^Mmmmit (FAR 25.856-1)使用輻射面板測試來測定在暴露于輻射熱源和火焰時本發(fā)明的隔音設(shè)備的易燃性和火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴Ｔ摐y試是根據(jù)聯(lián)邦航空局在14C. F. R.的25部分第25. 856 (a)章(其參考附錄F的VI部分到第25部分)(其內(nèi)容以引用方式并入本文中)中提出的方法進行。 測試方法的完整細節(jié)可得自美國交通部的聯(lián)邦航空局(FAA)咨詢通告AC No :25.856-1 (日期 6/24/05 ；www. fire. tc. faa. gov)。材料硅橡膠No. 1 項目號 86915K24，可得自 McMaster-Carr Inc. (Elmhurst, IL)，硬度測驗器硬度40A，厚度0. 8mm,帶丙烯酸類粘合劑背襯，室溫22. 7°C下穩(wěn)態(tài)剪切平臺模量 4. 3 X IO5Pa (基本上如上所述測定)硅橡膠No. 2 項目號 86915K14，可得自 McMaster-Carr Inc. (Elmhurst, IL)，硬度測驗器硬度40A，厚度0. 8mm,無粘合劑背襯適鋁箔，厚度0. 03mm,以商標Reynolds Wrap 市售，可得自Alcoa Corp. (Pittsburgh, PA)耐高溫材料3M Nextel 火焰罩AL-1，包含聚酰亞胺膜封裝的陶瓷纖維紙的火焰屏蔽，得自3M公司(St. Paul, MN)粘合劑No. 1 :3M Scotch-ffeld 7246-2 B/A FST兩部分結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑， 得自 3Μ 公司( . Paul，MN)粘合劑No. 2 =Dow Corning Q2-7406高溫硅樹脂壓敏粘合劑(PSA)，聚二甲基硅氧烷膠和樹脂,55%固體，得自Dow Chemical公司(Midland, MI)實例1通過如下表1所示組裝上述材料的層，構(gòu)建了五層結(jié)構(gòu)。首先，通過使用兩片(尺寸均為0. 8mmX 305mmX 305mm)硅樹脂No. 1各自的粘合劑背襯將硅樹脂No. 1層和鋁層層合到一起。硅樹脂片被層合到插入的鋁片(尺寸0.03mmX305mmX305mm)以提供三層結(jié)構(gòu)。三層結(jié)構(gòu)的背面(在易燃性測試期間相背于火焰放置的那一面)用粘合劑No. 1 涂布。將粘合劑No. 1的部分A和部分BWl 1比率混合，使用木棍將所得粘合劑混合物均勻分配于該結(jié)構(gòu)背面上(從而得到小于Imm的涂層厚度)。將所得的經(jīng)涂布的背面附接于一片耐高溫材料?；救缟纤?，將該結(jié)構(gòu)的正面(在易燃性測試期間暴露于火焰的那一面)用粘合劑混合物涂布，并附接于另一片耐高溫材料。這提供了以耐高溫材料作為最外層的五層結(jié)構(gòu)。將該五層結(jié)構(gòu)保持于4kg重量下過夜，然后修整成203mmX203mm(8英寸X8英寸) 的最終尺寸用于進行可燃性測試。
根據(jù)以上提到的FAR 25. 856(a)測試程序測試所得結(jié)構(gòu)的易燃性。該結(jié)構(gòu)通過了測試(從而滿足相關(guān)FAA法規(guī)的要求)。實例2禾口 3對于實例2，通過如下表1所示組裝上述材料的層，構(gòu)建了五層結(jié)構(gòu)。首先，通過將10重量％過氧化苯甲酰的甲苯溶液與粘合劑No. 2混合以提供1. 5重量％過氧化物濃度 (基于粘合劑固體計)，制備粘合劑/催化劑溶液。通過使用#48 Meyer棒涂覆粘合劑/催化劑溶液到兩片硅樹脂No. 2 (尺寸均為0. 8mmX 305mmX 305mm)上(0. 109mm 3密耳)濕膜厚度)，將硅樹脂No. 2和鋁層層合到一起。將所得被涂布硅樹脂片在60°C下加熱10分鐘以除去溶劑。然后，將被涂覆的硅樹脂片層合到插入的鋁片(尺寸0.03mmX305mmX305mm)， 并且將所得的三層結(jié)構(gòu)在100°C下加熱以固化粘合劑。三層結(jié)構(gòu)的背面(在易燃性測試期間相背于火焰放置的那一面)用粘合劑/催化劑溶液涂布，并且如上所述那樣將溶劑除去。黃色防潮紙通過以下方式從耐高溫材料片兩側(cè)上移除迅速將其表面暴露于火焰(丙烷噴槍)，然后將該紙剝離以提供裸露的陶瓷織物。將裸露的陶瓷織物附接于三層結(jié)構(gòu)的被涂覆背面，并且將所得四層結(jié)構(gòu)在100°c下加熱 10分鐘以固化粘合劑。如上所述，將該結(jié)構(gòu)的正面(在易燃性測試期間暴露于火焰的那一面)用粘合劑 /催化劑溶液涂布，并且將溶劑除去。然后，將所得結(jié)構(gòu)在100°c下加熱3分鐘以固化粘合劑，隨后施加另一片耐高溫材料，這如上文所述那樣來進行。這提供了以耐高溫材料作為最外層的五層結(jié)構(gòu)。然后，將該五層結(jié)構(gòu)修整成203mmX203mm(8英寸X8英寸)的最終尺寸用于進行可燃性測試。根據(jù)以上提及的FAR 25. 856(a)測試程序測試實例2的所得結(jié)構(gòu)的易燃性。該結(jié)構(gòu)通過了測試(從而滿足相關(guān)FAA法規(guī)的要求)。對于實例3，基本上重復(fù)實例2，例外的是沒有將耐高溫材料層(或它們相鄰的粘合劑層)加入該三層結(jié)構(gòu)(見下表1)。根據(jù)上述程序測試實例2和3的多層結(jié)構(gòu)的聲音衰減或傳輸損耗特性，以模擬交通工具中的聲學(xué)性能，結(jié)果示于圖1中。相對于實例3的多層結(jié)構(gòu)(其未包含耐高溫材料)，實例2的多層結(jié)構(gòu)中耐高溫材料的存在沒有顯著改變其聲衰減性質(zhì)。實例4禾口 5對于實例4，基本上重復(fù)實例1，例外的是沒有將耐高溫材料層(或它們相鄰的粘合劑層)加到三層結(jié)構(gòu)(見下表1)。對于實例5，基本上如實例4所述那樣制備三層結(jié)構(gòu)。然后，通過以下方式修飾該結(jié)構(gòu)使用丙烯酸類粘合劑(厚度0. 127mm的3M 9472LE-LSE丙烯酸粘合劑轉(zhuǎn)移帶，得自3M公司6t.Paul，MN))將鋁片(與先前相同尺寸)粘附到該結(jié)構(gòu)最外層之一(硅樹脂No. 1)，然后使用硅樹脂No. 1的粘合劑背襯將另一片硅樹脂No. 1 (與先前相同尺寸)粘附到所得鋁層。這提供了以硅樹脂No. 1作為最外層的五層結(jié)構(gòu)(見下表1)。根據(jù)上述程序測量實例4和5的多層結(jié)構(gòu)的垂直入射傳輸損耗，以模擬交通工具中的聲學(xué)性能，結(jié)果示于圖2中。將這些實驗傳輸損耗與各自的理論垂直入射質(zhì)量法則值進行比較。后一值是根據(jù)公式(參見例如R. F. Barron，Industrial Noise Control and Acoustics，”《工業(yè)噪音控制和聲學(xué)》(Marcel Dekker，Inc.(紐約)，(2003年)，第112頁))計算
權(quán)利要求
1.一種方法，該方法包括(a)提供至少一種包含至少一個聲屏障的隔音設(shè)備，所述聲屏障包括至少一個設(shè)置在具有第一密度的第一介質(zhì)中的大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列，所述結(jié)構(gòu)由具有不同于所述第一密度的第二密度的第二介質(zhì)制得，其中所述第一和第二介質(zhì)中的一個是具有縱向聲波傳播速度和橫向聲波傳播速度的粘彈性介質(zhì)，所述縱向聲波傳播速度是所述橫向聲波傳播速度的至少30倍，并且其中所述第一和第二介質(zhì)中的另一個是粘彈性或彈性介質(zhì)；和(b)將所述隔音設(shè)備設(shè)置在交通工具的聲源區(qū)域和聲接收區(qū)域之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述粘彈性介質(zhì)選自粘彈性固體、粘彈性液體以及它們的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述粘彈性固體和所述粘彈性液體選自橡膠狀聚合物組合物以及它們的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述橡膠狀聚合物組合物選自彈性體、彈粘性液體以及它們的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一和第二介質(zhì)中的所述另一個是彈性介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述彈性介質(zhì)為選自金屬、金屬合金、玻璃態(tài)聚合物、復(fù)合材料以及它們的組合的彈性固體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列是呈多層結(jié)構(gòu)形式的一維陣列，所述多層結(jié)構(gòu)包括所述第一和第二介質(zhì)的交替層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述多層結(jié)構(gòu)包括粘彈性介質(zhì)和彈性介質(zhì)的交替層，所述粘彈性介質(zhì)選自彈性體以及它們的組合，并且所述彈性介質(zhì)選自金屬、金屬合金、 玻璃態(tài)聚合物以及它們的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述粘彈性介質(zhì)選自硅橡膠、(甲基)丙烯酸酯聚合物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、嵌段共聚物、纖維質(zhì)聚合物、有機聚合物和聚二有機硅氧烷-聚酰胺嵌段共聚物的共混物、氯丁橡膠以及它們的組合；并且所述彈性介質(zhì)選自銅、 鋁、銅合金、鋁合金以及它們的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述多層結(jié)構(gòu)包括3至10層的層厚0.75mm至 1. 25mm的粘彈性材料和層厚0. 025mm至Imm的彈性材料的交替層，所述多層結(jié)構(gòu)的尺寸在 Imm至IOmm的范圍。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述多層結(jié)構(gòu)包括3到5層的所述粘彈性材料和所述彈性材料的交替層；所述粘彈性材料選自硅橡膠、丙烯酸酯聚合物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物以及它們的組合；所述彈性材料選自鋁、環(huán)氧樹脂、鋁合金以及它們的組合；并且所述多層結(jié)構(gòu)的尺寸在2mm到4mm的范圍。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述聲屏障在800Hz到1500Hz的范圍提供大于或等于20dB的傳輸損耗并且在大小方面全部尺寸小于或等于20cm。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述聲屏障在800Hz到1500Hz的范圍提供大于或等于20dB的傳輸損耗并且在大小方面全部尺寸小于或等于20cm。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述隔音設(shè)備還包含至少一種耐高溫材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述耐高溫材料是抗火焰?zhèn)鞑ズ涂够鹧娲┩傅牟牧希蛘呤强篃┑牟牧稀?
16.一種方法，該方法包括(a)提供至少一種包含至少一個聲屏障的隔音設(shè)備，所述聲屏障包括至少一個呈多層結(jié)構(gòu)形式的一維大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列，所述多層結(jié)構(gòu)包括具有第一密度的第一介質(zhì)和具有不同于所述第一密度的第二密度的第二介質(zhì)的交替層，其中所述第一和第二介質(zhì)中的一個是具有縱向聲波傳播速度和橫向聲波傳播速度的粘彈性介質(zhì)， 所述縱向聲波傳播速度是所述橫向聲波傳播速度的至少30倍，并且其中所述第一和第二介質(zhì)中的另一個是粘彈性或彈性介質(zhì)；和(b)將所述隔音設(shè)備設(shè)置在選自飛機、火車、機動車、船和它們的組合的交通工具的聲源區(qū)域與聲接收區(qū)域之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述第一介質(zhì)為硅橡膠并且所述第二介質(zhì)為鋁；和/或其中所述隔音設(shè)備還包含至少一種耐高溫材料。
18.一種隔音設(shè)備，其包含(a)至少一個包括至少一個大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列的聲屏障，所述大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列設(shè)置在具有第一密度的第一介質(zhì)中，所述結(jié)構(gòu)由具有不同于所述第一密度的第二密度的第二介質(zhì)制得，其中所述第一和第二介質(zhì)中的一個是具有縱向聲波傳播速度和橫向聲波傳播速度的粘彈性介質(zhì)，所述縱向聲波傳播速度是所述橫向聲波傳播速度的至少約30倍，并且其中所述第一和第二介質(zhì)中的另一個是粘彈性或彈性介質(zhì)；和(b)至少一種耐高溫材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的隔音設(shè)備，其中所述大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列是呈多層結(jié)構(gòu)形式的一維陣列，所述多層結(jié)構(gòu)包括所述第一和第二介質(zhì)的交替層。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的隔音設(shè)備，其中所述耐高溫材料是抗火焰?zhèn)鞑ズ涂够鹧娲┩傅牟牧?，或者是抗燒穿的材料?br> 全文摘要
本發(fā)明提供一種隔音方法，該方法包括(a)提供至少一種包含至少一個聲屏障的隔音設(shè)備，所述聲屏障包括至少一個設(shè)置在具有第一密度的第一介質(zhì)中的大致周期性的結(jié)構(gòu)陣列，所述結(jié)構(gòu)由具有不同于所述第一密度的第二密度的第二介質(zhì)制得，其中所述第一和第二介質(zhì)中的一個是具有縱向聲波傳播速度和橫向聲波傳播速度的粘彈性介質(zhì)，所述縱向聲波傳播速度是所述橫向聲波傳播速度的至少約30倍，并且其中所述第一和第二介質(zhì)中的另一個是粘彈性或彈性介質(zhì)；和(b)將所述隔音設(shè)備設(shè)置在交通工具的聲源區(qū)域和聲接收區(qū)域之間。
文檔編號E04B1/84GK102317118SQ200980156906
公開日2012年1月11日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者大衛(wèi)·A·伊利塔洛, 帕特里克·G·齊默爾曼, 瑪麗·阿洛希納·伊普·勒敘夫勒爾, 理查德·W·格里格, 薩納特·莫漢蒂, 邁克爾·帕特里克·M·曼達納斯, 阿里·貝克 申請人:3M創(chuàng)新有限公司