CN106601223A - 一种基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，包括依次串联连接的吸声单元、直流发生单元和电流控制单元；吸声单元包括设有封闭空腔的穿孔板、填充在封闭空腔内的磁流变液以及环绕在封闭空腔外的激励线圈；穿孔板上设有环绕在封闭空腔周围的吸声孔；穿孔板在板后设有连通吸声孔的背后空腔。将磁流变液填充在穿孔板内的封闭空腔中，通过直流发生单元对环绕在封闭空腔外的激励线圈进行通电，通过电流控制单元对激励线圈中的电流大小和方向进行控制，从而控制激励线圈产生的磁场大小与方向，进而改变磁流变液的表观黏度等流变性质，最终实现对穿孔板复合吸声结构吸声性能的调控。

Description

一种基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置

技术领域

本发明涉及吸声技术领域，特别涉及一种基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置。

背景技术

随着人们物质文化水平的不断提高，现代剧院往往需要满足多种使用功能，如音乐、歌舞、戏剧演出等。不同的使用功能对剧院观众厅的混响时间要求不同，因此需要发展一种剧院观众厅混响时间可调的技术。实现混响时间可调的方法目前主要有两种：建声方法和电声方法。

建声方法是一种通过机械方法改变房间的容积或房间吸声面积实现混响时间可调的技术。改变容积法通常采用设置活动吊顶、升降隔断等方法改变室内容积，进而改变室内混响时间，这种方法往往对技术要求较高，与土建结构关系密切。改变吸声面法则包括帘幕式、翻板式、百叶式、旋转式、升降式和空腔式等，其中帘幕式主要通过帘幕的展开与闭合来改变吸声面的声吸收状况，是调节室内混响时间最简单的方式，但该方法仅对中、高频声具有较好的可调效果，对低频声几乎没有吸收作用；翻板式则是通过将板的一面做成吸声体，另一面做成反射体，通过翻板的方式调节室内的吸声量，该方法可调范围较大，但在翻动时需要占据较大的空间；百叶式是一种通过改变设置在吸声面外活动百叶的开闭实现对混响可调的方法，这种方法的缺点是百叶容易受声波激励共振而产生噪声，因此该方法对百叶的质量厚度均有较高要求。旋转式、升降式以及空腔式在原理上均与上述几种方法类似，均有其各自的优缺点。

总体来说，建声方法的构造比较复杂，往往需要在前期设计或施工期间预设可变机械调整结构，其灵活性不足，且费用相对较高。

电声方法则是一种通过电声设备，参照室内声场的构成，运用人工延时、混响技术，增加前期反射声、混响声等来调节房间的混响时间，并对声场进行修正的技术。相比建声方法，电声方法对建筑土建结构要求低，运用更为灵活，可调混响时间范围更大，但该方法具体实施难度很大，成本较高，难以推广。

专利文献CN204348331U公开了一种可控吸声结构，该结构采用压电薄膜作为微穿孔板，板上设有噪声频率采集元件和电压调制电路，电压调制电路可根据环境噪声频率施加不同强度激励电场至压电薄膜，利用压电薄膜逆压电效应使其产生形变进而改变其上吸声孔的孔径，实现该吸声结构对不同频率噪声的主动控制。然而，由于压电薄膜本身刚性不足，作为穿孔板的主体材料其结构强度不够，使得其实际应用价值有限。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，将磁流变液填充在穿孔板内，通过控制磁场大小改变其表观黏度等流变性质，进而改变穿孔板复合吸声结构的吸声性能。

本发明的技术方案如下：

一种基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，包括吸声单元、直流发生单元和电流控制单元；所述的吸声单元、直流发生单元和电流控制单元依次串联连接；所述的吸声单元包括设有封闭空腔的穿孔板、填充在封闭空腔内的磁流变液以及环绕在封闭空腔外的激励线圈；所述的穿孔板上设有环绕在封闭空腔周围的吸声孔；所述的穿孔板在板后设有连通吸声孔的背后空腔。

在上述技术方案中，所述的磁流变液是一种在外加磁场作用下其黏度、塑性等流变特性发生急剧变化的材料，其基本特征是在外磁场作用下能瞬间(毫秒级)从自由流动的液体转变为高黏度的半固体，且这种流变过程是可逆的。其微观过程为：在外加磁场作用下，液体中的磁性颗粒产生偶极矩，偶极子之间相互作用形成长链，并随外磁场增大，进一步发生聚集，形成复杂的团簇结构，这种微观结构的变化直接导致了液体流变性质发生变化。在一定温度下，磁流变液的黏度会随磁场强度增加而急剧增加，并在磁场强度达到一定程度后，黏度逐渐趋于一个常数，其黏度变化范围可达数倍甚至数十倍，具有较大的可调范围。

利用磁流变液的上述特性，将磁流变液填充在穿孔板内的封闭空腔中，通过直流发生单元对环绕在封闭空腔外的激励线圈进行通电，通过电流控制单元对激励线圈中的电流大小和方向进行控制，从而控制激励线圈产生的磁场大小和方向，进而改变磁流变液的表观黏度等流变性质，最终实现对穿孔板复合吸声结构吸声性能的调控。

所述封闭空腔可根据实际需要设计为矩形、六角形、椭圆形或者不规则形状，优选的，将封闭空腔设为圆柱形。同时，在穿孔板的板后设有连通吸声孔的背后空腔，背后空腔内可选择性填充多孔吸声材料以提升穿孔板吸声结构的吸声性能。

在线圈未通电状况下，当声波传播至穿孔板表面时，除穿孔板吸声结构的亥姆霍兹共振吸声外，在声波的激励下，位于板体内封闭空腔中的气体和磁流变液也会随之振动。由于入射声波声压和声能的频率分布不断变化，磁流变液进行随机振动，通过液体内部粘滞阻力、液体与腔体内壁以及液体内部磁性颗粒与基载液相对运动产生的摩擦阻力等做功将声能最大程度转化为热能，能有效提高穿孔板吸声结构的吸声性能，并在入射声波频率与腔体内充填的磁流变液固有频率相吻合时，两者发生共振，声能损耗达到最大。

当激励线圈通电后，线圈内产生恒定磁场，受磁场作用封闭空腔内的磁流变液表观黏度等流变性质发生变化，由声波振动引起的液体内部粘滞阻力、磁流变液与腔体内壁相对运动时的摩擦阻力、磁性颗粒间相对运动时的摩擦阻力或撞击力随之发生变化，进而改变其做功大小，使穿孔板吸声结构声能吸收量发生变化。

上述过程中，封闭空腔内磁流变液的表观黏度等流变性质可通过调整激励线圈通电电流大小和方向进行调控，而磁流变液流变特性的改变又会引起其对不同频率声波的吸声系数发生变化，使本装置对不同频率声波的吸声性能具有一定可调性。通常本装置中低频段吸声系数随通电电流增大而增大，并在电流大小达到某一临界点时达到最大值。

所述激励线圈设置方式除本发明所述情况外，还可以是内置于穿孔板背后空腔中，或是缠绕于穿孔板内外。优选的，所述线圈缠绕于所述封闭空腔的四周，使之尽可能地靠近磁流变液，从而增强封闭空腔内的磁场强度。

作为优选，所述的直流发生单元由交流电源、整流器以及变压器依次顺序连接而成，整流器可以将交流电源的交流电转换成直流电，变压器可以将电压调至合适的电压等级。

作为优选，所述的电流控制单元由电流流向控制器和可变电阻组成，用于控制激励线圈中电流的大小和方向。长时间处于的较高强度的恒定磁场中，磁流变液内磁性颗粒会呈现向列型晶流状态，在声波激励下，磁性颗粒以长链为单位进行随机振动，使磁流变液内部粘滞阻力、颗粒与基载液间的摩擦阻力、颗粒之间摩擦阻力和碰撞力等做功减少，声能吸收量降低。因此，在电路中安装电流流向控制器，每隔一定时间间隔改变电流方向，能使磁流变液中的磁性颗粒重新排列，打破磁流变液内磁性颗粒的向列型晶流状态，进一步拓宽装置吸声系数的可调范围。

作为优选，所述的封闭空腔内设有扰流结构，该扰流结构由柔性材料制成的扰流片组成，设置在封闭空腔的底面和与之相邻的侧面，用以增大磁流变液与壁面的接触面积与流动阻力，进一步增加声阻。

作为优选，所述封闭空腔的内壁表面粗糙度Ra₁和扰流片的表面粗糙度Ra₂均大于50μm，以进一步增加磁流变液与内壁或磁流变液与扰流片之间的摩擦阻力。

作为优选，所述的磁流变液填充体积不超过封闭空腔体积的4/5，以保证本装置吸声系数具有较大的可调范围。

作为优选，所述磁流变液应具有明显的磁控效应和良好的可逆性。对此，要求磁性颗粒具有较大的磁导率和饱和磁化强度，且剩磁较小。因此，磁性颗粒可选择羟基铁粉，粒径为3～5μm，体积分数在30％～50％之间，载液可选择硅油、水或乙醇。

作为优选，所述的激励线圈设置方式为：同一行线圈缠绕方向相同、电流方向相反；同一列线圈缠绕方向相同，电流方向相反，该设置方式可以保证每个相邻线圈作用在磁流变液上的磁场方向一致。

作为优选，所述的封闭空腔之间设有连接孔，使各线圈电路相通，且每块穿孔板设有线圈进出线接口，多块穿孔板通过接口紧紧密拼接。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，可通过改变装置中的电流大小和方向调整穿孔板复合吸声结构的吸声系数，从而实现对本装置吸声性能的调控。整个过程，操作简单、响应快速、可调吸声范围宽，可满足多种场合对不同频段声波混响时间的调控要求。

附图说明

图1为本发明吸声性能可调装置的整体示意图；

图2为本发明吸声性能可调装置的磁流变液在磁场作用下的黏度变化图；

图3为本发明吸声性能可调装置的封闭空腔、激励线圈以及吸声孔在穿孔板内的排布示意图；

图4为本发明吸声性能可调装置的剖视图；

图5为图4的B处放大图；

图6为本发明吸声性能可调装置各穿孔板的拼接示意图；

图7为图6的C处放大图。

其中：1、吸声单元；11、穿孔板；12、线圈槽；13、激励线圈；14、吸声孔；15、封闭空腔；151、扰流片；16、磁流变液；17、背后空腔；18、线圈出线接口；19、线圈进线接口；2、直流发生单元；21、交流电源；22、整流器；23、变压器；3、电流控制单元；31、电流流向控制器；32、可变电阻。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置作进一步详细说明。

如图1所示，一种基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，由吸声单元1、直流发生单元2和电流控制单元3依次串联而成。直流发生单元2由交流电源21、将交流电转换成直流电的整流器22和对工作电压进行调节的变压器23组成，交流电21、整流器22以及变压器23依次顺序连接。电流控制单元3由电流流向控制器31和可变电阻32组成。

吸声单元1与直流发生单元2以及电流控制单元3相连，其中直流发生单元2通过整流器22将交流电转换为直流电，并经由变压器23将电压调至合适的电压等级，产生所需的工作电流。电流控制单元3负责调节电流流向和大小，最终实现对本装置吸声性能的调控，其中电流流向控制器31根据设置的时间间隔智能调整电流方向，可变电阻32则用来调节通电线圈内电流的大小。

如图3、图4所示，吸声单元1包括穿孔板11、线圈槽12、激励线圈13、吸声孔14、封闭空腔15和磁流变液16。激励线圈13沿设置在封闭空腔15周围的圆环形线圈槽12缠绕于封闭空腔15四周，线圈槽12环绕在封闭空腔15周围，并保证封闭空腔15的壁厚大于1cm。封闭空腔15按4×4矩阵排列，空腔内壁粗糙度Ra>50μm，空腔内填充有不超过空腔体积4/5的磁流变液16，磁流变液16的磁性颗粒为羟基铁粉，粒径为3～5μm，体积分数在30％～50％之间，载液为硅油。如图2所示，为磁流变液16在磁场作用下的黏度变化图。

吸声孔14设置在封闭空腔15周围。穿孔板11在板后还设有连通吸声孔14的背后空腔17，背后空腔17内填充有多孔吸声材料，用以提高穿孔板吸声结构的吸声性能。

每个封闭空腔15对应的激励线圈13之间设有连接孔，使各个激励线圈13电路相通。同时，为避免相邻激励线圈13之间的磁场叠加导致线圈内部作用在磁流变液上的磁场减弱，同一行的激励线圈13缠绕方向一致，电流方向一致；同一列的激励线圈13缠绕方向一致，电流方向相反。

如图5所示，在封闭空腔15内设置有如图5所示的扰流结构，该结构由扰流片151组成，扰流片151由柔性材料制成，表面粗糙度Ra>50μm，设置在腔体底面和与之相邻的侧面上，以进一步提高穿孔板复合吸声结构的吸声性能。

如图6所示，为本发明的另一种实施方式，吸声单元1包括四块穿孔板11，每块穿孔板11均设有线圈出线接口18和线圈进线接口19，四块穿孔板11通过线圈出线接口18和线圈进线接口19紧密拼接，具体拼接方式见图7。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，其特征在于：包括吸声单元、直流发生单元和电流控制单元；

所述的吸声单元、直流发生单元和电流控制单元依次串联连接；

所述的吸声单元包括设有封闭空腔的穿孔板、填充在封闭空腔内的磁流变液以及环绕在封闭空腔外的激励线圈；

所述的穿孔板上设有环绕在封闭空腔周围的吸声孔；

所述的穿孔板在板后设有连通吸声孔的背后空腔。

2.如权利要求1所述的基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，其特征在于：所述的直流发生单元由交流电源、将交流电转换成直流电的整流器和对工作电压进行调节的变压器组成；所述的交流电源、整流器以及变压器依次顺序连接。

3.如权利要求1所述的基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，其特征在于：所述的电流控制单元由电流流向控制器和可变电阻组成。

4.如权利要求1所述的基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，其特征在于：所述的激励线圈沿设置在封闭空腔周围的圆环形线圈槽缠绕于封闭空腔四周。

5.如权利要求1所述的基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，其特征在于：所述的背后空腔填充有多孔吸声材料。

6.如权利要求1所述的基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，其特征在于：所述的封闭空腔内设有扰流结构，该扰流结构由柔性材料制成的扰流片组成，设置在封闭空腔的底面和与之相邻的侧面。

7.如权利要求1或6所述的基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，其特征在于：所述封闭空腔的内壁表面粗糙度Ra₁和扰流片的表面粗糙度Ra₂均大于50μm。

8.如权利要求1所述的基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，其特征在于：所述的磁流变液填充体积不超过封闭空腔体积的4/5，磁性颗粒粒径为3～5μm，体积分数在30～50％之间。

9.如权利要求1所述的基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，其特征在于：所述的激励线圈设置方式为：同一行线圈缠绕方向相同、电流方向相反；同一列线圈缠绕方向相同，电流方向相反。

10.如权利要求1所述的基于磁流变效应实现吸声性能可调的装置，其特征在于：所述的封闭空腔之间设有连接孔，使各线圈电路相通，且每块穿孔板设有线圈进出线接口，多块穿孔板通过接口紧密拼接。