CN105872894A - 一种用于宽频噪声抑制的双工作模式的声衬及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属噪声控制技术领域，为克服现有声衬无法在较宽的频带范围内实现噪声的有效抑制，而声衬吸声系数不受声源频率的限制时，系统体积较大，动态响应较慢，在飞行器特别是无人机中的应用会受到限制等问题，提供一种用于宽频噪声抑制的双工作模式的声衬及控制方法。压电材料组成阵列形成分布式阻抗可调节的声衬系统,在上电极和下电极间通入30V以内的直流电使声衬工作静态模式；通入30V交流电使声衬工作在动态模式；在静态模式和动态模式两种模式下，实现宽频段保持较高的吸声系数；一种器件实现声阻抗同时调节，两种工作模式，最大限度减少了系统复杂性，便于系统集成与小型化。拓宽了声衬的频带范围。

Description

一种用于宽频噪声抑制的双工作模式的声衬及控制方法
技术领域
本发明属于噪声控制技术领域，具体涉及一种用于宽频噪声抑制的双工作模式的声衬及控制方法。
背景技术
宽频声衬以及可控声衬技术是学术界和工程界研究的热点，随着科学技术的不断进步，新型声衬不断涌现。阻抗可调式声衬是将噪声的主、被动控制相结合，发挥各自的优点对噪声进行有选择的抑制技术。
采用传统工艺加工的声衬一般具有微穿孔的蜂窝结构, 这种声衬是针对某一特定噪声源设计的。一旦设计加工好后, 只对某一频率的噪声源具有良好的吸声降噪效果,一旦噪声源频率超出了此范围,则声衬的吸声效果明显下降,因此现有声衬无法实现阻抗的实时调节，无法在较宽的频带范围内实现噪声的有效抑制。
通过对声衬的腔体体积和通过穿孔气流速度的调节可以调节声衬的声阻抗，从而使其吸声系数不受声源频率变化的限制。现有的研究工作也是分别围绕这两个方面进行的。
声衬穿孔在低频入射声波作用下，会产生非定常涡，将声能转化为非定常涡的能量，而非定常涡又耗散成热能 。在声衬小孔中吹出或吸入微量气流形成正向或负向微射流，能够促进声涡转换从而提高声衬的吸声性能，实现声阻抗的调节。
上述研究分别通过调节声衬腔体体积以及穿孔气流速度均可实现声衬阻抗的调节，从而扩宽声衬的敏感频带，实现对不同频率噪声的抑制作用。
在此基础上北京航空航天大学研究人员研发的采用步进电机和节流阀同时控制声衬腔体体积和穿孔气流流速，使得声衬吸声系数不受声源频率的限制。该种声衬采用步进电机与节流阀作为驱动机构，系统体积较大，动态响应较慢，同时声衬本身具有较大的平面，不适于舱内异型型面的安装，因此在飞行器特别是无人机中的应用会受到限制。
发明内容
本发明为了克服现有声衬无法在较宽的频带范围内实现噪声的有效抑制，而声衬吸声系数不受声源频率的限制时，系统体积较大，动态响应较慢，在飞行器特别是无人机中的应用会受到限制等问题，提供了一种用于宽频噪声抑制的双工作模式的声衬及控制方法。
本发明由如下技术方案实现的：一种用于宽频噪声抑制的双工作模式的声衬，包括四周设有环形槽阵列的声学管道，声学管道中心为声衬穿孔，声学管道前端开设传声器安装孔，传声器安装孔内安设传声器；声学管道壁上间隔布设共振腔，共振腔底部向声衬穿孔处开设喷口，共振腔顶部开设粘接槽，粘接槽顶部粘接振动膜片，振动膜片上安设压电材料，压电材料的顶部和侧壁分别安设上电极和下电极，上电极和下电极分别连接形成压电声衬。
所述共振腔阵列设置，所述压电材料为压电片。所述传声器与声学管道壁平齐安设。
一种利用上述用于宽频噪声抑制的双工作模式的声衬抑制宽频噪声的控制方法，压电材料组成阵列形成分布式阻抗可调节的声衬系统,在压电材料的上电极和下电极间通入30V以内的直流电使声衬工作在体积调节即静态模式；通入30V交流电使声衬工作在射流调节即动态模式；在静态模式和动态模式两种模式下，实现宽频段保持较高的吸声系数；具体包括如下步骤：
(1) 系统工作时，传声器拾取到声压信号，经过傅立叶变换计算得出噪声的频率f；当f<500Hz时，即为中低频噪声，声衬将于动态模式工作；当f>500Hz时，即为中高频噪声，声衬将于静态模式工作；
（2）动态模式：在压电材料的上电极和下电极间通入30V交流电，压电材料产生收缩伸张的交替运动，带动振动膜片上、下往复运动，在声衬穿孔中吹出或吸入微量气流形成正向或负向微射流，通过热线风速仪测量该驱动频率下的射流速度，通过传声器测量得到系统此时的传递损失，记录下交流电压频率，声衬穿孔处所产生的射流速度以及传递损失最大值对应的噪声频率；当噪声频率f不同时，声衬通入不同频率的交流电，产生速度不同的射流，形成涡流，将声能转换成热能，将低于500Hz的噪声成分进行抑制，降到最低；
(3)静态模式：在压电材料的上电极和下电极间通入30V以内的直流电，压电材料变形，带动振动膜片发生上拱或下凹的变形，腔体体积随之变化，实现共振频率的调节，压电声衬的共振频率f0表达式如下：
（1）
式中： c —声速； V —共振腔体积； G —传导率，传导率的计算公式为：
(2)
其中：d为孔径；t为板厚；n为消声孔个数。
通过传声器测量得到系统此时的传递损失，传递损失最大值对应的频率即为压电声衬的共振频率f0。记录下所施加的直流电压幅值以及压电声衬的共振频率f0。当噪声频率f不同时，调节电压幅值至声衬共振频率f0与噪声频率f相同，系统共振，声能转化成腔体内空气的动能，从而消耗声能，实现对高于500Hz的噪声成分进行抑制。
当噪声频率f满足f0>f>500Hz时，声衬将处于在静态模式下的体积增大状态。根据所记录的直流电压幅值与系统传递损失最大值对应的频率，驱动电路输出与该噪声频率f对应的直流正电压，压电材料受到正向电压驱动后，发生拉伸变形，带动振动膜片上拱，导致共振腔的体积变大，因此共振频率f0降低，当声衬共振频率f0降低到与噪声频率f相同时，气流进入共振腔内发生共振，消耗频率为f的噪声能量，从而将噪声的幅值降低，达到降噪的目的。
当噪声频率f满足f> f0>500Hz时，声衬将处于在静态模式下的体积减小状态。根据所记录的直流电压幅值与系统传递损失最大值对应的频率，驱动电路输出与该噪声频率f对应的直流负电压，压电材料受到负向电压驱动后，发生收缩变形，带动振动膜片下凹，导致共振腔的体积变小，因此共振频率f0增加，当声衬共振频率f0增加到与噪声频率f相同时，气流进入共振腔内发生共振，消耗频率为f的噪声能量，从而将噪声的幅值降低，达到降噪的目的。
由此，通过工作于不同模式下的声衬对声阻抗的实时调节，抑制了宽频带内的噪声。
在声学管道四周铣出环形槽阵列，中心加工有声衬穿孔。其中粘结槽用于放置压电片，经过粘结后形成共振腔，压电片阵列的上电极与下电极分别连接在一起形成压电声衬。在管道前端加工传声器安装孔，传声器安装时要保证与壁面平齐，以免对声波的传递产生干扰。在压电片的上电极和下电极间通入30V以内的直流电使声衬工作在体积调节（静态模式）；通入30V交流电使声衬工作在射流调节（动态模式）。采用压电片组成阵列形成分布式阻抗可调节的声衬系统,控制其工作在体积调节（静态模式）和射流调节（动态模式）两种模式下，实现宽频段保持较高的吸声系数。
本发明的有益效果是：1）一种器件实现声阻抗同时调节；采用一种器件实现两种工作模式，最大限度的减少了系统的复杂性，便于系统集成与小型化。2)频带宽；采用体积调节模式抑制高频噪声，射流调节模式抑制低频噪声，拓宽了声衬的频带范围。
附图说明
图1为声学管道结构图；图2为压电声衬安装示意图，图中a为安装有压电声衬的声学管道主视图，b为图a的侧视图，c为图a的俯视图；图3为压电片结构示意图；图4为安装压电声衬的声学管道；图5为体积调节模式示意图（腔体体积增大）；图6为体积调节模式示意图（腔体体积减小）；图7为射流调节模式示意图；图8为直流电压幅值与敏感噪声频率的函数关系图；图9为交流电压频率与敏感噪声频率的函数关系图。
图中：1-声学管道；2-声学管道壁面；3-共振腔；4-粘结槽；5-喷口；6-传声器安装孔；7-传声器；8-振动膜片；9-压电材料；10-上电极；11-下电极；12-低于致动器固有频率的噪声；13-高于致动器固有频率的噪声；14-微射流；15-涡流；16-低频噪声。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
实施例1：如图1-4所示，一种用于宽频噪声抑制的双工作模式的声衬，包括四周设有环形槽阵列的声学管道1，声学管道1中心为声衬穿孔，声学管道1前端开设传声器安装孔6，传声器安装孔6内安设传声器7；声学管道1壁上间隔布设共振腔3，共振腔3底部向声衬穿孔处开设喷口5，共振腔3顶部开设粘接槽4，粘接槽4顶部粘接振动膜片8，振动膜片8上安设压电材料9，压电材料9的顶部和侧壁分别安设上电极10和下电极11，上电极10和下电极11分别连接形成压电声衬。
所述共振腔阵列设置，所述压电材料为压电片。所述传声器与声学管道壁平齐安装。
一种利用上述用于宽频噪声抑制的双工作模式的声衬抑制宽频噪声的控制方法，压电材料组成阵列形成分布式阻抗可调节的声衬系统,在压电材料的上电极和下电极间通入30V以内的直流电使声衬工作在体积调节即静态模式；通入30V交流电使声衬工作在射流调节即动态模式；在静态模式和动态模式两种模式下，实现宽频段保持较高的吸声系数；具体包括如下步骤：
(1) 系统工作时，传声器拾取到声压信号，经过傅立叶变换计算得出噪声的频率f；当f<500Hz时，即为中低频噪声，声衬将于动态模式工作；当f>500Hz时，即为中高频噪声，声衬将于静态模式工作；
（2）动态模式 ：在压电材料的上电极和下电极间通入30V交流电，压电材料产生收缩伸张的交替运动，带动振动膜片上、下往复运动，在声衬穿孔中吹出或吸入微量气流形成正向或负向微射流，通过热线风速仪测量该驱动频率下的射流速度，通过传声器测量得到系统此时的传递损失，记录下交流电压频率，声衬穿孔处所产生的射流速度以及传递损失最大值对应的噪声频率；当噪声频率f不同时，声衬通入不同频率的交流电，产生速度不同的射流，形成涡流，将声能转换成热能，将低于500Hz的噪声成分进行抑制，降到最低；
(3)静态模式：在压电材料的上电极和下电极间通入30V以内的直流电，压电材料变形，带动振动膜片发生上拱或下凹的变形，腔体体积随之变化，实现共振频率的调节，压电声衬的共振频率f0表达式如下：
（1）
式中： c —声速； V —共振腔体积； G —传导率，是一个以长度为单位的物理量，通过传声器测量得到系统此时的传递损失，传递损失最大值对应的频率即为压电声衬的共振频率f0。记录下所施加的直流电压幅值以及压电声衬的共振频率f0。当噪声频率f不同时，调节电压幅值至声衬共振频率f0与噪声频率f相同，系统共振，声能转化成腔体内空气的动能，从而消耗声能，实现对高于500Hz的噪声成分进行抑制。
压电片直径主要有25，35，50mm三种。直径过小，振动膜片刚度太大，压电材料不足以驱动振动膜片变形。直径过大，振动膜片刚度过小，会随着噪声频率的变化而发生振动。造成控制不准确。最终选用35mm的压电片。喷口5的厚度越小，系统的阻尼越小，降噪效果不明显。厚度越大，结构整体越大，多次实验结果表明，喷口厚度为3mm,降噪效果最佳。共振腔深度越大，由压电片引起的相对变形越小，共振腔深度越小，越不易进行装配，最终确定深度为1mm。通过实验确定喷口5的直径为1mm。
实验例1：压电声衬于体积调节模式（静态模式）工作：喷口5的厚度 3mm，直径1mm，共振腔3的深度为1mm，共振腔3直径35mm,根据式（1）计算得到该声衬此时的共振频率为f0=720Hz。
在压电材料的上电极和下电极间通入30V以内的直流电，压电材料变形，带动振动膜片发生上拱或下凹的变形，腔体体积随之变化，实现共振频率的调节。通过传声器测量得到系统此时的传递损失，传递损失最大值对应的频率即为压电声衬的共振频率f0。记录下所施加的直流电压幅值以及压电声衬的共振频率f0，如图8。
在压电材料的上电极和下电极间通入30V交流电，压电材料产生收缩伸张的交替运动，带动振动膜片上、下往复运动，在声衬穿孔中吹出或吸入微量气流形成正向或负向微射流，通过热线风速仪测量该驱动频率下的射流速度，通过传声器测量得到系统此时的传递损失，记录下交流电压频率，声衬穿孔处所产生的射流速度以及传递损失最大值对应的噪声频率，如图9。
压电声衬工作情况如图5。当低于致动器固有频率的噪声12的频率f11=715 Hz时，声衬工作于体积调节（静态模式），并小于射流器共振腔3共振频率f0时(即f11< f0)，查询图8，找到与715 Hz对应的电压值。向声衬上电极10和下电极11之间输入16V直流正电压，压电材料9受到正向电压驱动后，发生拉伸变形，带动振动膜片8上拱，导致共振腔3的体积变大，因此共振频率f0降低，当共振腔3共振频率f0降低到与噪声12的频率f相同时均为715Hz，气流进入共振腔3内发生共振，消耗低于致动器固有频率的噪声12的能量，从而将噪声的幅值降低，达到降噪的目的。
实验例2：压电声衬于体积调节模式（静态模式）工作：喷口5的厚度为3mm，直径1mm，共振腔3深度1mm，直径35mm,根据式（1）计算得到该声衬的共振频率为f0=720Hz。
压电声衬工作情况如图6。当气流噪声13的频率f12=726 Hz时，声衬工作于体积调节（静态模式），大于声衬共振腔3共振频率f0(即f12> f0)，查询图8，找到与726Hz对应的电压值。，向声衬上电极10和下电极11之间输入-15V直流电压，压电材料9受到负向电压驱动后，发生收缩变形，带动振动膜片8下凹，导致共振腔3的体积变小，因此共振频率升高，当共振腔3共振频率升高到与噪声13的频率相同时均为726Hz时，气流进入共振腔3内发生共振，消耗气流噪声13的能量，从而将噪声13的幅值降低，达到降噪的目的。
实验例3：压电声衬工作于射流调节（动态模式）：
声衬穿孔5厚度度3mm，直径1mm，共振腔体3深度1mm，直径35mm。
当气流噪声16的频率f13=50Hz远远低于声衬共振腔3共振频率f0=720Hz时（即f13<0.1× f0），声衬工作于射流调节（动态模式）。查询图9，找到与50 Hz对应的电压频率，向声衬上电极10和下电极11之间输入30V，200Hz的交流电压，压电材料9受到交流电压驱动后，反复发生拉伸-收缩变形，带动振动膜片8上下抖动，导致共振腔3内的气体反复发生压缩-膨胀，因此从声衬穿孔5处喷射出形成微射流14，气流16与微射流14发生碰撞，形成涡流15，从而消耗掉气流噪声16的能量，将噪声16的幅值降低，达到降噪的目的。

Claims (4)

1.一种用于宽频噪声抑制的双工作模式的声衬，其特征在于：包括四周设有环形槽阵列的声学管道（1），声学管道（1）中心为声衬穿孔，声学管道（1）前端开设传声器安装孔（6），传声器安装孔（6）内安设传声器（7）；声学管道（1）壁上间隔布设共振腔（3），共振腔（3）底部向声衬穿孔处开设喷口（5），共振腔（3）顶部开设粘接槽（4），粘接槽（4）顶部粘接振动膜片（8），振动膜片（8）上安设压电材料（9），压电材料（9）的顶部和侧壁分别安设上电极（10）和下电极(11)，上电极（10）和下电极(11)分别连接形成压电声衬。
2.根据权利要求1所述的一种用于宽频噪声抑制的双工作模式的声衬，其特征在于：所述共振腔阵列设置，所述压电材料为压电片。
3.根据权利要求1所述的一种用于宽频噪声抑制的双工作模式的声衬，其特征在于：所述传声器与声学管道壁平齐安设。
4.一种利用权利要求1至3所述的一种用于宽频噪声抑制的双工作模式的声衬抑制宽频噪声的控制方法，其特征在于：压电材料组成阵列形成分布式阻抗可调节的声衬系统,在压电材料的上电极和下电极间通入30V以内的直流电使声衬工作在体积调节即静态模式；通入30V交流电使声衬工作在射流调节即动态模式；在静态模式和动态模式两种模式下，实现宽频段保持较高的吸声系数；具体包括如下步骤：
(1) 系统工作时，传声器拾取到声压信号，经过傅立叶变换计算得出噪声的频率f；当f<500Hz时，即为中低频噪声，声衬将于动态模式工作；当f>500Hz时，即为中高频噪声，声衬将于静态模式工作；
（2）动态模式：在压电材料的上电极和下电极间通入30V交流电，压电材料产生收缩伸张的交替运动，带动振动膜片上、下往复运动，在声衬穿孔中吹出或吸入微量气流形成正向或负向微射流，通过热线风速仪测量该驱动频率下的射流速度，通过传声器测量得到系统此时的传递损失，记录下交流电压频率，声衬穿孔处所产生的射流速度以及传递损失最大值对应的噪声频率；当噪声频率f不同时，声衬通入不同频率的交流电，产生速度不同的射流，形成涡流，将声能转换成热能，将低于500Hz的噪声成分进行抑制，降到最低；
（3）静态模式：在压电材料的上电极和下电极间通入30V以内的直流电，压电材料变形，带动振动膜片发生上拱或下凹的变形，腔体体积随之变化，实现共振频率的调节，压电声衬的共振频率f0表达式如下：
（1），
式中：c—声速；V—共振腔体积；G—传导率，传导率的计算公式为：
(2)
其中：d为孔径；t为板厚；n为消声孔个数；
通过传声器测量得到系统此时的传递损失，传递损失最大值对应的频率即为压电声衬的共振频率f0；记录下所施加的直流电压幅值以及压电声衬的共振频率f0；当噪声频率f不同时，调节电压幅值至声衬共振频率与噪声频率f相同，系统共振，声能转化成腔体内空气的动能，从而消耗声能，实现对高于500Hz的噪声成分进行抑制。
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