CN107818777A - 基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，由格栅支架、薄蒙皮、压电片和谐振分流电路组成；格栅支架由正方形的格子二维周期性延拓而成；薄蒙皮固定在格栅支架上；压电片对应于正方形格子呈周期性的粘贴在薄蒙皮两面；分流电路至少包含一个电感，并且连接在每块压电片上分流电路均相同；正方形格子以及与其对应的薄蒙皮、压电片和分流电路构成元胞，元胞为隔声结构中阻隔低频噪声的最小声学超材料单元。当目标噪声作用于隔声结构时，激起声学超材料单元产生局域共振现象，使得整个元胞的平均位移为零，将入射的声波能量反射和吸收，实现高效地阻隔低频声音。

Description

基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构
技术领域
本发明涉及低频空气噪声阻隔技术领域，具体的涉及一种基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构。
背景技术
20世纪50年代以来，随着航空航天、交通运输、船舶工程等领域的装备向高速、重载和极端运行环境发展，由此带来的噪声问题日益突出，影响了人们的正常工作，降低了人的舒适性，甚至危害操作人员的身心健康。在工业生产领域，过量的噪声还会使仪器设备失效甚至损坏，导致生产事故。在军事领域，噪声问题更加突出，噪声严重影响某些武器装备的作战性能和声隐身性能。因此，先进噪声控制技术在军事和民用领域都有十分迫切的需求。
在航空航天、交通运输、船舶工程等领域中普遍存在1000Hz以下的低频噪声，低频噪声具有穿透能力强、传播距离远、难以阻隔等特点，一直是噪声控制领域的一项难题。利用隔声结构对噪声传播进行阻隔是实现噪声控制的重要技术手段之一。现有轻质隔声结构，仅能较好地隔离噪声中的中高频噪音。由于受质量密度定律的限制，现有轻质隔声结构无法有效的阻隔低频噪声。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，该发明解决了现有轻质隔声结构由于所用材料较薄，无法有效隔绝1000Hz以下的低频噪声的技术问题。
本发明提供一种基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，包括：格栅支架、覆盖于格栅支架一面上的薄蒙皮、压电片和分流电路，格栅支架包括多个二维周期性延拓正方形单元格子；薄蒙皮覆盖于格栅支架的一面上；每个单元格子中设置压电片，压电片黏贴于薄蒙皮上，分流电路包括至少一个用于调节隔声峰值频率的电感，电感与压电片串联。
进一步地，薄蒙皮为铝蒙皮。
进一步地，压电片对称设置于各单元格子的薄蒙皮的两相对面上。
进一步地，格栅支架由有机玻璃或铝制成。
进一步地，单元格子的边长为5-50cm；格栅支架包括多条纵横垂直相交的块条，块条的厚度为2-10mm。
进一步地，压电片为正方形，由PZT-5H制成。
本发明的另一方面还提供了一种隔声装置，包括如上述的基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构。
本发明的技术效果：
本发明提供基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，由若干个声学超材料元胞呈二维周期排列构成，通过调节分流电路中电路元器件的电感参数，轻松的实现隔声频段的调整，使整个元胞的平均位移为零，将入射的低频声波能量反射或吸收，从而实现高效地阻隔低频声音。
本发明提供基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，通过使用分流电路，例如负电容分流电路、多模态分流电路等，从而拓宽隔声的频率范围，使其能有效阻隔低频噪音。
具体请参考根据本发明的基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。
附图说明
图1为本发明提供的基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为本发明优选实施例中分流电路的电感L＝2.6H时的传声损失曲线；
图4为本发明优选实施例中分流电路的电感L＝1H时的传声损失曲线；
图5为本发明优选实施例中分流电路的电感L＝0.18H时的传声损失曲线；
图例说明：
1、格栅支架；2、薄蒙皮；3、压电片；4、分流电路。
具体实施方式
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
本发明提供了一种基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，能够突破质量密度定律的限制，仅需采用轻质材料即可实现对低频噪声的阻隔。
参见图1，本发明提供的基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，包括：格栅支架1、覆盖于格栅支架1一面上的薄蒙皮2、压电片3和分流电路4。格栅支架1将薄蒙皮2分隔为多个正方形单元格子。各单元格子中的薄蒙皮2上设置压电片3。在单元格子中的薄蒙皮2上设置压电片3可以为一面也可以对称的两相对面上。分流电路4包含至少一个电感，分流电路4的电感串联于压电片3上。连接在每块压电片3上的分流电路4均相同。每个单元格子，与其对应的薄蒙皮2、压电片3和分流电路4构成元胞，元胞为隔声结构中阻隔低频噪声的最小声学超材料单元。格栅支架1由有机玻璃或铝等刚度大、密度小、可加工性强的材料制成。格栅支架1主要起固定支撑作用，可以通过优化设计，使得在其弯曲刚度满足固定支撑的条件下，减轻整体质量。薄蒙皮2平铺的粘贴在格栅支架1上，覆盖住所有单元格子充当隔声基体。本文中的薄蒙皮按现有轻质隔声结构所用蒙皮的厚度即可。
通过调节分流电路4中电路元器件的电感参数，使得每个元胞中的压电分流电路4的谐振频率与目标噪声频率一致。当目标噪声作用于声学超材料元胞时，激起薄蒙皮2和粘贴于其表面的压电片3产生弯曲变形，由于正压电效应，变形后的压电片3表面会产生电压，在分流电路4中形成剧烈的电磁谐振现象，同时，由于逆压电效应，谐振的压电分流结构对薄蒙皮2施加反作用力，迫使薄蒙皮2的弯曲变形减弱，使整个元胞的平均位移为零，将低频的入射声波以反射声波的形式辐射或吸收，从而实现高效地阻隔低频声音。
分流电路4的谐振频率与隔声结构的隔声峰的频率成正比。可以根据所处理噪声的频率，调整谐振频率，快速获得有效的隔绝。具体为调节电感的电感值，从而调节隔声峰的频率。随着电感的电感值减小，所得隔声结构的隔声峰频率向高频移动。
优选的，薄蒙皮2为铝蒙皮。
优选的，压电片3对称设置于各单元格子的薄蒙皮2两相对面上。此时隔声效果最优。
优选的，格栅支架1由有机玻璃或铝制成。
优选的，单元格子的边长为5-50cm，格栅支架1为多条纵横垂直相交的块条，块条的厚度为2-10mm。此时隔声效果最优。
优选的，压电片3为正方形，由PZT-5H制成。
本发明的另一方面还提供了一种隔声装置，包括如上述的基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构。
该装置可以通过增大上述基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构中分流电路4中的电感值，降低隔声峰频率。通过本发明提供的隔声结构，能够通过调整电感L，控制本发明的隔声峰值频率。电感L的值越大，隔声峰频率越低，呈负相关。从而实现对待隔声噪声的高效隔离。
以下结合具体实例对本发明提供的基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构进行详细说明。
如图1～2所示，本实施例中基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，包括格栅支架1、黏贴覆盖在格栅支架1一面上的薄蒙皮2、压电片3和分流电路4组成；格栅支架1由正方形的格子二维周期性延拓而成；薄蒙皮2平铺固定在格栅支架1上；压电片3对应于正方形格子呈周期性的粘贴在薄蒙皮2的两相对面上；每个分流电路4包含2个电感，两个电感分别串联在薄蒙皮2两面上的压电片3上。连接在每块压电片3上的分流电路4均相同。
通过声学驻波管装置对本实施例中所得隔声结构测试其隔声特性(以下通过传声损失曲线表征)，由于驻波管尺寸限制，试验中将超材料元胞用夹具夹住进行试验。所用夹具包括圆柱形本体。圆柱形本体中间区域开设于宽度略小于薄蒙皮厚度的方孔。以便薄蒙皮能卡接于该方孔内。所用夹具由有机玻璃制成，圆柱形本体的直径100mm，厚度10mm，所开设方孔为60mm×60mm。薄蒙皮采用厚度为0.1mm的铝皮。本实施例中铝蒙皮的两相对面上分别贴了一块边长为40mm，厚度为0.2mm，材质为PZT-5H的方形压电片，其固有电容值为240.8nF。
所得结果如图3～5所示。如图3所示，分流电路的电感L＝2.6H时，实施例中各声学超材料元胞的传声损失曲线，其中带圆点标记的实线是有限元仿真计算得到的曲线，实线为实验测试得到的曲线。有限元仿真按现有方法进行。传声损失被用来表征隔声量的大小。作为对比，图3中还用虚线示出了质量控制定律所限定的隔声结构的隔声量。从图3中可以看出，仿真计算得到的曲线和实验测量得到的曲线吻合较好，本发明优选实施例中隔声结构的隔声量在100～450Hz的低频范围内的传声损失量均高于按质量控制定律制得的隔声结构的，并且在局域共振频率f0＝201Hz附近出现了一个明显的隔声峰。
图4和图5为分流电路的电感分别为L＝1H和L＝0.18H时，本发明优选实施例中隔声结构的传声损失曲线。在100～450Hz和100～900Hz的低频范围内，本发明优选实施例中隔声结构单个原胞的传声损失量均高于按质量控制定律所得结构。并且本发明优选实施例的隔声结构在局域共振频率f0＝324Hz和f0＝764Hz附近分别出现了明显的隔声峰。
从图3～5可知，本发明提供的基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，不受质量控制定律影响，能在较薄的厚度情况下，获得较好的低频噪音隔声效果。而且可以看出电感L的值越大，隔声峰频率越低，二者呈负相关。
本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。
通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (7)

1.一种基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，其特征在于，包括：格栅支架(1)(1)、覆盖于所述格栅支架(1)一面上的薄蒙皮(2)、压电片(3)和分流电路(4)，所述格栅支架(1)包括多个二维周期性延拓正方形单元格子；所述薄蒙皮(2)覆盖于所述格栅支架(1)的一面上；每个所述单元格子中设置所述压电片(3)，所述压电片(3)黏贴于所述薄蒙皮(2)上，所述分流电路(4)包括至少一个用于调节隔声峰值频率的电感，所述电感与所述压电片(3)串联。
2.根据权利要求1所述的基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，其特征在于，所述薄蒙皮(2)为铝蒙皮。
3.根据权利要求2所述的基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，其特征在于，所述压电片(3)对称设置于各单元格子的所述薄蒙皮(2)的两相对面上。
4.根据权利要求3所述的基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，其特征在于，所述格栅支架(1)由有机玻璃或铝制成。
5.根据权利要求4所述的基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，其特征在于，所述单元格子的边长为5-50cm；所述格栅支架(1)包括多条纵横垂直相交的块条，所述块条的厚度为2-10mm。
6.根据权利要求4所述的基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构，其特征在于，所述压电片(3)为正方形，由PZT-5H制成。
7.一种隔声装置，其特征在于，包括如权利要求1～6中任一项所述的基于压电分流型声学超材料的轻质低频隔声结构。
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