CN102479503A - 用于汽车的宽频主动消声器 - Google Patents

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朱从云
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Abstract

一种用于汽车的宽频主动消声器，包括呈圆筒形的外壳，在该圆筒形外壳内壁敷设有压电材料层，在该压电材料层内壁敷设有第一层聚偏氟乙烯薄膜，第一层聚偏氟乙薄膜内表面敷设有橡胶层，橡胶层内表面敷设有第二层聚偏氟乙烯薄膜，第二层聚偏氟乙烯薄膜内侧面敷一层多孔材料层，第一层聚偏氟乙薄膜和第二层聚偏氟乙薄膜通过导线和电荷放器与控制器相连接。本发明中设置两层聚偏氟乙烯薄膜，用以对压电材料层入射声压和反射声压进行检测，由控制器计算出应该加载在压电复合材料上的电压，压电复合材料会产生振动，其表面的声阻抗和消声器内部空气的声阻抗相匹配，消声器内部的噪声的能量被压电复合材料完全消耗，从而达到主动消声的目的。

Description

用于汽车的宽频主动消声器
技术领域
本发明涉及车辆，特别涉及车辆振动与噪声控制装置，具体是一种用于汽车的宽频主动消声器。
背景技术
消声器是降低车辆发动机噪声的一种有效结构，它的种类很多，按其消声机理，可分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合消声器等。阻性消声器的消声原理是利用管道内的吸声材料，部分地吸收沿管道传播的声能。抗性消声器是利用各种形状、尺寸的管道及穿孔管共振吸声结构等，造成声波在系统中阻抗失配，使声波在管道和共振腔内来回反射、耗损，从而达到消声的目的。阻抗复合消声器是将阻性消声器和抗性消声器结合起来，从而实现宽频消声的目的。现有的消声器不外乎上面所说的几种消声器，但是它们都是被动的消声器，消声器性能是被动的。发动机的噪声是一种随机噪声，它的噪声频率是经常改变的，且频率范围不定，因此，用这些被动消声器对发动机进行降噪，消声性能就达不到预期的目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于汽车的宽频主动消声器，所述的这种用于汽车的宽频主动消声器要解决现有技术中消声器为被动消声器，不能随发动机噪声频率进行调节，从而导致其消声效果不好的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：包括呈圆筒形的外壳，在该圆筒形外壳内壁敷设有压电材料层，在该压电材料层内壁敷设有第一层聚偏氟乙烯薄膜，第一层聚偏氟乙薄膜内表面敷设有橡胶层，橡胶层内表面敷设有第二层聚偏氟乙烯薄膜，第二层聚偏氟乙烯薄膜内侧面敷设一层多孔材料层，第一层聚偏氟乙薄膜和第二层聚偏氟乙薄膜通过导线和电荷放器与控制器相连接，控制器与变频器相连，变频器的电压输入端与汽车的蓄电池相连，变频器的电压输出端通过导线与压电材料层的内、外表面相连接。
压电材料层厚度为0.5mm，第一层聚偏氟乙烯薄膜厚度为0.5mm，橡胶层厚度为5mm，第二层聚偏氟乙烯薄膜厚度为0.5mm，多孔材料层厚度为5mm。
压电材料层为压电陶瓷材料PZT－5。
多孔材料层为复合岩棉板。
控制器是计算机。
本发明和已有技术相比，其效果是积极和明显的。本用于汽车的宽频主动消声器中设置两层聚偏氟乙烯薄膜，用以对压电材料层入射声压和反射声压进行检测，此信号由电荷放器放大后输入控制器进行，控制器计算出应该加载在压电复合材料上的电压，信号处理单元再连接到发动机的蓄电池，由发动机的蓄电池提供电压给变频器，变频器进行变频、变压，将变频后的电压加载在消声器内壁敷设的压电复合材料层上，由于压电复合材料具有良好的力电耦合性能和压电效应，此时压电复合材料会产生振动，其表面的声阻抗和消声器内部空气的声阻抗相匹配，消声器内部的噪声的能量被压电复合材料完全消耗，从而达到主动消声的目的。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的检测原理图，其中消声器结构部分画出了图1中的A-A剖面图。
图3 是本发明的控制器中进行入射声压和反射声压计算原理图。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2和图3所示，包括呈圆筒形的外壳1，在该圆筒形外壳1内壁敷设有压电材料层2，在该压电材料层2内壁敷设有第一层聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜3，第一层聚偏氟乙薄膜3内表面敷设有橡胶层4，橡胶层4内表面敷设有第二层聚偏氟乙烯薄膜5，第二层聚偏氟乙烯薄膜5内侧面敷设一层多孔材料层6，第一层聚偏氟乙薄膜3和第二层聚偏氟乙薄膜5通过导线和电荷放器7与计算机8相连接，计算机8与变频器9相连，变频器9的电压输入端与汽车的蓄电池10相连，变频器9的电压输出端通过导线与压电材料层2的内、外表面相连接。压电材料层2厚度为0.5mm，第一层聚偏氟乙烯薄膜3厚度为0.5mm，橡胶层4厚度为5mm，第二层聚偏氟乙烯薄膜5厚度为0.5mm，多孔材料层6厚度为5mm。压电材料层2为压电陶瓷材料PZT－5。多孔材料层6为复合岩棉板。
图3 是计算机中进行入射声压和反射声压计算原理图。
具体工作时，两片PVDF薄膜（聚偏氟乙烯薄膜）的作用相当于传感器，在两片PVDF薄膜测得的电压信号分别经过                                                
Figure 113934DEST_PATH_IMAGE001
的时间延迟（其中，
Figure 657173DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 665273DEST_PATH_IMAGE003
为两片PVDF薄膜之间的距离，
Figure 185116DEST_PATH_IMAGE004
为声波在空气中传播的速度），并进行相应的计算得到压电复合材料层表面的入射声压和反射声压。在PVDF薄膜表面再敷设一层多孔吸声材料。当发动机的噪声频率在中低频时，利用多孔吸声材料的吸声原理进行被动吸声，达到消声的目的，此时是一种阻性消声器的消声特性。当发动机的噪声频率在中高频时，此时通过两片PVDF薄膜传感器检测出入射到压电材料表面的声压和反射声压，再通过信号处理单元计算出应该加载在压电复合材料上的电压，信号处理单元再连接到发动机的蓄电池，由发动机的蓄电池提供电压给变频器，变频器进行变频、变压，将变频后的电压加载在消声器内壁敷设的压电复合材料层上，由于压电复合材料具有良好的力电耦合性能和压电效应，此时压电复合材料会产生振动，其表面的声阻抗和消声器内部空气的声阻抗相匹配，消声器内部的噪声的能量被压电复合材料完全消耗，从而达到主动消声的目的。
其理论推导如下。
假定远场入射声波是简谐平面声波，可以表示成如下的形式：
                             （1）
Figure 103842DEST_PATH_IMAGE006
                             （2）
  式中，
Figure 587519DEST_PATH_IMAGE007
为声波的波数，
Figure 848736DEST_PATH_IMAGE008
为声波的圆频率，当有一个压力
Figure 252036DEST_PATH_IMAGE009
作用在PVDF表面时，就会产生一个电压
Figure 605919DEST_PATH_IMAGE010
，压力和电压之间的关系为：
Figure 422565DEST_PATH_IMAGE011
                            （3）
  式中，
Figure 487473DEST_PATH_IMAGE012
为PVDF的耦合常数，
Figure 102869DEST_PATH_IMAGE013
是空气的声阻抗，
Figure 329451DEST_PATH_IMAGE014
为PVDF的特性阻抗，
Figure 633393DEST_PATH_IMAGE015
为PVDF薄膜的厚度，第一PVDF薄膜和第二PVDF薄膜处的电压信号为：
                             （4）
Figure 879884DEST_PATH_IMAGE017
              （5）
  式中，是声波在第一PVDF薄膜与第二PVDF薄膜之间传播的时间，
Figure 976595DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 852147DEST_PATH_IMAGE020
是声波在空气中传播的速度，如果
Figure 412442DEST_PATH_IMAGE021
延时
Figure 807258DEST_PATH_IMAGE018
（此处
Figure 351371DEST_PATH_IMAGE021
延时无实际的物理意义，仅仅是为了得到下面的公式），那么可以得到下面的公式：
                      （6）
  此处
Figure 919122DEST_PATH_IMAGE023
定义为：
                      （7）
  延时
Figure 79604DEST_PATH_IMAGE018
后得到：
    （8）
  用同样的方法，
Figure 39797DEST_PATH_IMAGE027
延时后，可以得到下面的公式：
Figure 713541DEST_PATH_IMAGE028
                    （9）
  这里
Figure 922805DEST_PATH_IMAGE029
定义为：
Figure 809859DEST_PATH_IMAGE030
    （10）
  由公式(6)和公式(10)可以得到：
Figure 213737DEST_PATH_IMAGE032
                         （11）
Figure 910298DEST_PATH_IMAGE033
                            （12）
  根据公式(11) (12)，可以得到入射声波与反射声波为：
Figure 335463DEST_PATH_IMAGE034
                              （13）
Figure 433869DEST_PATH_IMAGE035
                               （14）
  
Figure 528864DEST_PATH_IMAGE036
是在第一PVDF薄膜处的反射声波，因此，吸声材料表面的反射声压的幅值可以计算得到：
Figure 211256DEST_PATH_IMAGE037
                               （15）
除了上述方案之外，本发明的多处结构还可以许多变形。比如多孔材料层可以为矿质岩棉板，压电材料层还可以是PZT－5与其他材料组分的压电复合材料。

Claims (5)

1.一种用于汽车的宽频主动消声器，包括呈圆筒形的外壳，其特征在于：在该圆筒形外壳内壁敷设有压电材料层，在该压电材料层内壁敷设有第一层聚偏氟乙烯薄膜，第一层聚偏氟乙薄膜内表面敷设有橡胶层，橡胶层内表面敷设有第二层聚偏氟乙烯薄膜，第二层聚偏氟乙烯薄膜内侧面敷设一层多孔材料层，第一层聚偏氟乙薄膜和第二层聚偏氟乙薄膜通过导线和电荷放器与控制器相连接，控制器与变频器相连，变频器的电压输入端与汽车的蓄电池相连，变频器的电压输出端通过导线与压电材料层的内、外表面相连接。
2.如权利要求1所述的用于汽车的宽频主动消声器，其特征在于：压电材料层厚度为0.5mm，第一层聚偏氟乙烯薄膜厚度为0.5mm，橡胶层厚度为5mm，第二层聚偏氟乙烯薄膜厚度为0.5mm，多孔材料层厚度为5mm。
3.如权利要求2所述的用于汽车的宽频主动消声器，其特征在于：压电材料层为压电陶瓷材料PZT－5。
4.如权利要求1所述的用于汽车的宽频主动消声器，其特征在于：多孔材料层为复合岩棉板。
5.如权利要求1所述的用于汽车的宽频主动消声器，其特征在于：控制器是计算机。
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