CN104575484A - 一种可控复合吸声结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及吸声技术领域，特别是涉及一种可控复合吸声结构。包括多层压电薄膜贴合构成的吸声板每层压电薄膜上设有多个贯通的吸声孔，相邻两层压电薄膜上的至少部分吸声孔错位连通，形成消声缝隙；基体与所述吸声板连接且两者之间设有空腔；噪声频率采集元件用于获取环境噪声频率；吸声控制器的信号接收端口与噪声频率采集元件的信号输出端口连接，吸声控制器通过引线与压力薄膜电连接，以施加激励电压至压电薄膜。工作过程中，压电薄膜产生形变使得其上孔径产生相应的改变，或改变错位程度间接改变消声缝隙的大小，由此扩大该吸声结构的有效吸声频带。与现有技术相比，具有结构加工容易，生产成本低，吸声效果显著的特点。

Description

一种可控复合吸声结构

技术领域

本发明涉及吸声技术领域，特别是涉及一种可控复合吸声结构。

背景技术

在噪声控制工程中，微穿孔板共振结构是一种广泛采用的吸声技术。众所周知，微穿孔板结构是在板厚小于1.0mm的薄板上穿以孔径小于1.0mm的微孔或宽度小于1.0mm的微缝，穿孔率在0.3-5％之间，板后部留有一定厚度(1-20cm)的空气层，空腔内不填任何吸声材料。其共振吸声结构的吸声机理是，微穿孔板上的每一个穿孔与其相对应的空气层组成的系统类似于亥姆霍兹共振器，微穿孔板共振吸声结构可理解为许多亥姆霍兹共振器的并联。当声波进入小孔后便激发空腔内空气振动，如果声波频率与该结构共振频率相同时,腔内空气便发生共振，穿孔板孔颈处空气柱往复振动，速度、幅值达最大值，摩擦与阻尼也最大；此时，使声能转变为热能最多，即消耗声能最多，从而发挥高效吸声作用。

基于上述性能优势，微穿孔板共振结构在众多领域得到了广泛应用，如飞机降噪、体育馆吸声、通风管道吸声等。然而，微孔的孔径横截面较小或微缝的缝隙横截面较小，加工难度较大；且对于现有传统的单层微穿孔板共振吸声结构来说，其有效吸声中心频率固定且频带窄的本质决定了它不能有效地应对上述复杂的噪声环境。

有鉴于此，亟待另辟蹊径针对现有微穿孔板共振结构进行优化设计，以有效克服上述缺陷，在提升加工艺性的基础上，为适应不同场合的吸声要求提供可靠保障。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决提供一种加工容易、可调控吸声性能的复合吸声板。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可控复合吸声结构，包括贴合设置的多层压电薄膜构成的吸声板、噪声频率采集元件和吸声控制器；其中，每层所述压电薄膜上设有多个贯通的吸声孔，且相邻两层所述压电薄膜上的至少部分所述吸声孔错位连通，形成消声缝隙；所述噪声频率采集元件用于获取环境噪声频率；所述吸声控制器的信号接收端口与所述噪声频率采集元件的信号输出端口连接，所述吸声控制器通过引线与所述压力薄膜电连接，以施加激励电压至所述压电薄膜。

优选地，所述噪声频率采集元件为传声器，并根据获取的噪声频率以电压信号的方式输出至所述吸声控制器。

优选地，所述吸声控制器为电压调制电路。

优选地，所述电压调制电路配置有：存储模块，储存预设的压电薄膜上所述吸声孔的孔径与激励电压阈值的第一关系表，和噪声频率与所述吸声孔的孔径的第二关系表；比较判断模块，根据所述噪声频率依次查找所述第一关系表和所述第二关系表，获得所需施加的激励电压。

优选地，相邻两层所述压电薄膜的相对位置可调，以便调整所述消声缝隙的大小。

优选地，每层所述压电薄膜上的穿孔形状、尺寸和排布方式相同。

优选地，每层所述压电薄膜上的穿孔形状、尺寸和排布方式相异。

优选地，所述压电薄膜为共聚物压电薄膜、交联聚丙烯压电薄膜或聚偏二氟乙烯压电薄膜。

优选地，相邻两层所述压电薄膜之间的所有吸声孔均错位连通。

优选地，所述基体采用刚性材料制成。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的可控复合吸声结构，有效利用了压电薄膜的逆压电效应特性，多层贴合设置的压电薄膜上均开设有吸声孔，并在贴合面处错位连通形成消声缝隙，由此形成微穿孔板结构；如此设置，加工时仅需要在压电薄膜上加工出较大的孔，通过错位布置的相邻两层膜即能够形成小尺寸吸声缝隙，易于加工，解决了现有技术在吸声板上加工微孔或微缝困难的问题。同时，在吸声板与基体间的空腔能够与吸声板起到共振作用，使得该结构的吸声效果尤为显著，优于传统的吸声机构。工作过程中，吸声控制器根据环境噪声频率可施加激励电场至压电薄膜，压电薄膜的形变使得其上的吸声孔的孔径产生相应的改变，或者改变相邻压电薄膜之间错位程度，从而能够间接改变贴合处所形成的消声缝隙的大小，实现消声缝隙大小具有可调性，由此吸声板可循环实时地对于不同频率噪声的可控主动吸声性能，扩大了该吸声结构的有效吸声频带。与现有技术相比，具有结构加工容易，生产成本低，吸声效果显著的特点。

附图说明

图1是本发明具体实施方式所述可控复合吸声结构的整体结构示意图；

图2是图1中所示吸声板与基体的俯视图；

图3是图2的A-A剖面图。

图中：

吸声板1、压电薄膜11、吸声孔111、压电薄膜12、吸声孔121、消声缝隙13、吸声控制器2、噪声频率采集元件3、基体4、空腔41。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图1，该图示出了本实施方式所述可控复合吸声结构的整体结构示意图。

该可控复合吸声结构的吸声板1和基体4复合连接而成，两者之间有共振空腔41。吸声板1由贴合设置的压电薄膜11和压电薄膜12构成。每层压电薄膜上均设置有多个贯通的吸声孔，压电薄膜11上的吸声孔111与压电薄膜12上的吸声孔121在贴合面错位连通，形成消声缝隙13。具体请一并参见图2和图3，其中，图2是图1中所示吸声板和基体的俯视图，图3是图2的A-A剖面图。这里的“错位连通”是指，压电薄膜11和压电薄膜12贴合时，两层膜之间的吸声孔的中心不处于同一直线上，仅有吸声孔的局部处于连通状态，其他部分被膜面所盖合。当声波进入消声缝隙13后便激发空腔41内空气振动，声波频率与该结构共振频率相同时,腔内空气便发生共振，使声能转变为热能，从而发挥高效吸声作用。

本方案中，压电薄膜11和压电薄膜12分别通过引线与吸声控制器2的控制信号输出端电连接，吸声控制器2的信号接收端口与噪声频率采集元件3的信号输出端口连接。噪声频率采集元件3用于获取环境噪声频率，并输出至吸声控制器2，进而通过吸声控制器2向压电薄膜11和压电薄膜12施加激励电压，形成交变电场。如此设置，利用压电薄膜的逆压电效应产生形变，使得压电薄膜上的穿孔孔径产生相应改变，实现该吸声板对于不同频率噪声的可控主动吸声性能，扩大了该吸声结构的有效吸声频带。

应当理解，前述吸声控制器2可以采用单片机为控制单元执行，也可以采用电压调制电路施加激励电压。该电压调制电路的具体元件配置可以根据现有技术实现，故本文不再赘述。

其中，压电薄膜11和压电薄膜12的相对位置可调，以便调整消声缝隙13的大小，适应不同的应用场合。特别说明的是，该吸声板1不局限于图中所示由两层压电薄膜贴合而成，实际上，根据需要也可以采用其他复数层的压电薄膜贴合形成该吸声板1，例如，三层或四层等。此外，两层压电薄膜均可以为单片膜，显然，仅就微穿孔板结构的实现而言，也可以包括多层贴合设置的子膜。

对于每层压电薄膜而言，其上的穿孔形状、尺寸和排布方式可以完全相同，或者穿孔形状、尺寸和排布方式中任一者或二者选择性相同，通过吸声控制器2输出相同的激励电压，进而产生相同的孔径变化，或者改变压电薄膜之间错位程度，从而能够间接改变贴合处所形成的消声缝隙13的大小。当然，每层子膜上的穿孔形状、尺寸和排布方式相异，具体控制时可通过吸声控制器2分别输出不同激励电压，针对不同的压电薄膜1进行调控，适应不同的应用情境。例如，吸声孔111和吸声孔121的形状可以为图中所示的圆孔，也可以根据设置为矩形、六角形、椭圆形或者不规则形状；各吸声孔可以如图中所示矩阵式排列，也可以采用其他方式布置。

当然，相比于输出相同激励电压至每个压电薄膜的设计，理论上来说，不同激励电压输出的单片机设计或者电压调制电路设计将相对繁琐。

其中，噪声频率采集元件3为传声器，并根据获取的噪声频率以电压信号的方式输出至吸声控制器2。用于将声音转换成电信号的传声器，技术相对成熟，在满足信号采集功能的基础上，配置成本相对较低。传声器优选设置在吸声板1的前侧，也即声源侧。

其中，采用电压调制电路施加激励电压，该电路可配置为包括：存储模块和比较判断模块，该存储模块用于储存预设的压电薄膜上吸声孔的孔径与激励电压阈值的第一关系表，和噪声频率与吸声孔的孔径的第二关系表；该比较判断模块可根据噪声频率依次查找第一关系表和第二关系表，获得所需施加的激励电压。也就是说，电压调制电路能够根据传声器接收的噪声频率，确定吸收该噪声所需的最佳微穿孔孔径；然后根据压电薄膜自身的压电效应变化规律以及所获得的吸收该噪声所需的最佳孔径，产生所需的激励电压，并通过引线向压电薄膜施加激励电场。

另外，压电薄膜11和压电薄膜12可以为共聚物压电薄膜、交联聚丙烯压电薄膜或聚偏二氟乙烯压电薄膜。本方案中，压电薄膜11上的吸声孔111与压电薄膜12上的吸声孔121均错位连通，当然，两层压电薄膜上的吸声孔部分错位连通，也可满足基本耗能吸声的功能需要。

其中，基体4优选采用刚性材料制成，例如，金属、木材、玻璃、有机玻璃、陶瓷、石膏或水泥制成。

本发明的复合吸声结构的吸声机理如下：

当声波到达复合吸声板1表面时，声音进入压电薄膜11的吸声孔111，经过错位连通的消声缝隙13后，进入压电薄膜12的吸声孔121，及基体4中的吸声空腔41内。因此，在声音通过吸声板1时，声音除了在流过消声缝隙时具有能量损耗外，还在流过吸声孔时具有能量损耗，提高吸声板的吸声效率；同时，空腔41能够与吸声板1起到共振作用，进一步提高吸声效果。进一步的，吸声孔和消声缝隙横截面的大小，受到吸声控制器2的控制，可以根据传声器探测到的声波频率进行实时调节，进而可改变复合消声结构的吸声频带，调节吸声性能。

需要说明的是，图中吸声孔呈3*5行列矩阵排列，仅用于进行示例性说明，而不能理解为对本申请技术方案的限制，只要满足前述吸声共同体的功能需要均在本申请请求保护的范围内。

本发明具有以下优点：

(1)本发明的吸声板采用两层层压电穿孔膜贴合而成，相邻压电薄膜之间的吸声孔在贴合面处错位连通的消声缝隙，消声缝隙即相当于现有技术的微孔或者微缝，使得本发明的吸声板的在加工时，不需要加工出细小的微孔或者微缝结构，仅需要在子板上加工出较大的孔，通过错位布置子板即能够形成吸声缝隙，解决了现有技术在吸声板上加工微孔或微缝困难的问题，降低生产成本。

(2)本发明的吸声板为复合层结构，除了在吸声缝隙具有吸声效果外，每层板的吸声孔也具有吸声能力，从而提高吸声效果。

(3)本发明吸声孔和消声缝隙横截面的大小，受到吸声控制器的控制，可以根据传声器探测到的声波频率进行实时调节，进而可改变复合消声结构的吸声频带，达到主动吸声要求，满足不同场合的吸声要求，应用广泛。

(4)在基体上设置有空腔，空腔能够与吸声板起到共振作用，进一步提高吸声效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可控复合吸声结构，其特征在于，包括：

吸声板，包括贴合设置的多层压电薄膜，每层所述压电薄膜上设有多个贯通的吸声孔，且相邻两层所述压电薄膜上的至少部分所述吸声孔错位连通，形成消声缝隙；

基体，与所述吸声板连接且两者之间设有空腔；

噪声频率采集元件，用于获取环境噪声频率；和

吸声控制器，其信号接收端口与所述噪声频率采集元件的信号输出端口连接，所述吸声控制器通过引线与所述压力薄膜电连接，以施加激励电压至所述压电薄膜。

2.根据权利要求1所述的可控复合吸声结构，其特征在于，所述噪声频率采集元件为传声器，并根据获取的噪声频率以电压信号的方式输出至所述吸声控制器。

3.根据权利要求1或2所述的可控复合吸声结构，其特征在于，所述吸声控制器为电压调制电路。

4.根据权利要求3所述的可控复合吸声结构，其特征在于，所述电压调制电路配置有：

存储模块，储存预设的压电薄膜上所述吸声孔的孔径与激励电压阈值的第一关系表，和噪声频率与所述吸声孔的孔径的第二关系表；

比较判断模块，根据所述噪声频率依次查找所述第一关系表和所述第二关系表，获得所需施加的激励电压。

5.根据权利要求4所述的可控复合吸声结构，其特征在于，相邻两层所述压电薄膜的相对位置可调，以便调整所述消声缝隙的大小。

6.根据权利要求5所述的可控复合吸声结构，其特征在于，其特征在于，每层所述压电薄膜上的穿孔形状、尺寸和排布方式相同。

7.根据权利要求5所述的可控复合吸声结构，其特征在于，其特征在于，每层所述压电薄膜上的穿孔形状、尺寸和排布方式相异。

8.根据权利要求1所述的可控复合吸声结构，其特征在于，所述压电薄膜为共聚物压电薄膜、交联聚丙烯压电薄膜或聚偏二氟乙烯压电薄膜。

9.根据权利要求1所述的可控复合吸声结构，其特征在于，相邻两层所述压电薄膜之间的所有吸声孔均错位连通。

10.根据权利要求1所述的可控复合吸声结构，其特征在于，所述基体采用刚性材料制成。