CN110364138A - 一种基于分流阻尼的双层隔声结构及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及振动噪声控制技术领域，具体为一种基于分流阻尼的双层隔声结构及控制方法，在双层板的入射板、辐射板内侧薄板中间分别粘贴压电薄片，通过压电片将机械能转化为电能，同时在空腔下方安放分流扬声器，由外部机械振动导致的空腔共振而产生的声音驱动扬声器的振膜产生机械振动，并带动与其相连的动圈移动，再通过外界分流电路转化为热能消耗掉，同时达到结构共振、空腔共振、耦合共振的全面控制，改善高低频隔声效果。
Description
技术领域
本发明涉及振动噪声控制技术领域，具体为一种基于分流阻尼的双层隔声结构及控制方法。
背景技术
工程上，为减弱噪声源对周围环境的干扰，常采用板结构将噪声源与周围环境隔离开来，例如把鼓风机、空压机等设备置于隔声罩内，避免操作者受到噪声的危害；汽车上隔离车外与驾驶室的噪声，提高驾驶舒适性；采用隔声墙、隔声楼板等，隔离建筑环境噪声，以避免噪声对人们正常工作和休息的干扰。目前大多数研究是通过抑制板的振动和增加系统声阻这两种途径进行提高板结构的隔声量，比如采用分流阻尼控制低频段的振动，或使用分流阻尼控制的同时加入多孔吸声材料吸收高频声能，但只能单独有效控制结构或空腔相关的模态，因而隔声效果不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分流阻尼的双层隔声结构及控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于分流阻尼的双层隔声结构及控制方法，包括以下四个步骤：
1.通过分析双层隔声结构的动力学特性，建立压电分流阻尼模型；
2.分析不同形式的分流电路，应用压电分流电路控制结构共振，选取合适的分流电路；
3.建立分流扬声器的声学阻抗预测模型；
4.将压电和扬声器分流阻抗技术应用到双层隔声结构中，建立压电、扬声器分流阻抗双层隔声结构模型。
一种基于分流阻尼的双层隔声结构，包括压电薄片、分流扬声器和双层隔板，所述双层隔板是由入射板、辐射板组成密闭的空腔，所述压电薄片和分流扬声器位于所述双层隔板的空腔内。
进一步的，若干个所述压电薄片设置在所述双层隔板的入射板、辐射板的内侧，所述压电薄片包括薄板和压电片，所述压电片牢固粘贴在所述薄板上，使得所述压电片的弯曲位移与薄板弯曲位移保持一致。
进一步的，所述双层隔板的空腔下方安放若干个分流扬声器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在双层隔声结构中同时添加压电分流阻尼和扬声器分流阻尼技术，弥补了采用压电分流阻尼耗散结构振动能量时，空腔支配型模态控制效果不明显缺陷；同样，弥补了在空腔中采用分流扬声器只能吸收空腔模态相关声能，结构支配的模态几乎没有效果的缺陷。两种分流技术有效地结合既能有效控制与结构相关的模态，又可以有效吸收空腔模态的相关声能，达到在多模态处耗散系统能量，改善高低频段隔声量的目的。
附图说明
图1为实施例1分流阻尼双层隔声结构的剖面示意图；
图2为实施例1分流阻尼在双层隔声结构中的平面布置示意图；
图3为双层隔声系统分流阻抗流程示意图；
图4为压电薄片结构示意图；
图5为RL回路压电等效模型示意图；
图6为负电容电路压电等效模型示意图；
图7为二维压电薄片结构示意图；
图8为动圈分流扬声器结构示意图；
图9为动圈扬声器等效电路示意图；
图10为第一阶模态频率附近的频响函数示意图；
图11为第二阶模态频率附近的频响函数示意图；
图12为负电容分流阻尼在不同电阻时隔声特性示意图；
图13为实施例1的分流阻尼双层隔声结构的隔声特性示意图；
图14为实施例2分流阻尼双层隔声结构在汽车车门中的平面布置示意图；
图15为实施例2分流阻尼双层隔声结构在汽车车门中的剖面示意图；
图16为实施例2的分流阻尼双层隔声结构的隔声特性示意图。
图中：1.压电薄片；11.薄板；12.压电片；2.分流扬声器；21.永磁铁；22.动圈；23.振膜；24.防尘罩；25.柔性支持；3.双层薄板；31.入射板；32.辐射板；33.空腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。
参阅图1至图16，本发明所提供的技术方案：
参照图1，一种基于分流阻尼的双层隔声结构及控制方法，包括如下步骤：
1.)通过分析双层隔声结构的动力学特性，建立压电分流阻尼模型：压电分流阻尼复合薄板结构又称为压力薄片，包括薄板和压电片(如图4所示)，薄板为四边简支矩形薄板，长、宽、厚分别为300mm、400mm、0.2mm，压电片牢固粘贴在薄板上，压电片的两对角坐标分别为(100,100)、(160,180)，压电片的弯曲位移与薄板弯曲位移保持一致，并符合Kirchhoff假定，压电片外接分流阻抗Z，通过压电材料本构方程及机电耦合方程，推导压力薄片的运动方程及耗能机理，如图7所示，二维压电片结构在方向“3”上单轴极化，压电片的厚度相对于长度和宽度小，只考虑压电片在长度和宽度上形变，这种二维压电片结构近似满足如下关系：T3＝D1＝D2＝E1＝E2＝0，这里D1、D2表示在方向“1”和方向“2”的电位移；T3表示在方向“3”的应力；E1、E2表示在方向“1”和方向“2”的电场强度。
2.)分析不同形式的分流电路：应用压电分流电路控制结构共振，选取合适的分流电路，如图5所示的RL回路压电等效模型，该RL回路压电等效模型中通过导线连接压电片正负极，并联连接等效电容C和电感L电阻R组成的分流回路，最后在压电片负极端接地，由压电片内部电容和电路的电感组成LC振荡电路，通过调节其振荡频率可以使其吸收某一模态频率处的振动能量；再如图6所示的负电容电路压电等效模型，该负电容电路等效模型中通过导线连接压电片正负极，并联连接等效电容C以及并联连接由负电容Cs电阻R串联组成的分流回路，最后在压电片负极端接地，这种电路通过串联一个负电容来中和压电片内部电容，从而使其在多个模态处实现阻尼控制，工程结构模态频率往往是变化的，根据实际需求选取负电容电路效果更好。
3.)建立分流扬声器的声学阻抗预测模型：分流扬声器的主要工作原理为声音驱动振膜产生机械振动，并带动与其相连的动圈一动，由于动圈切割磁力线产生电流，再通过外界分流电路转化为热能消耗掉，其等效电路图如图9所示：电阻1/Rm、电感Cm、电容Mm并联连接，再连接感应线圈增大输出电压，产生的电流经过电感Le、电阻Re、阻抗Zs串联组成的分流电路进行电能耗散，其中Cm表示为包含扬声器内外部的机械支撑结构及有音箱内部空气提供的刚度，Bl为力因数，B为磁体产生的磁场强度，l为线圈在磁场中的长度，Mm为包含振膜、防尘罩和动圈的质量，Rm等效为弹性结构中存在的结构阻尼，Zs为分流电路阻抗，Re、Le为RL电路最优电感电阻值；
4.)建立压电、扬声器分流阻抗双层隔声结构模型：将压电和扬声器分流阻抗技术应用到双层隔声结构中：图1所示为双层薄板结构示意图，在矩形隔声板的入射板、辐射板内侧薄板中间分别粘贴分流阻尼电路，通过压电片将机械能转化为电能，再利用负电容电路进行电能的耗散，减小入射板的振动，降低辐射板的声辐射，同时在空腔下方安放一个分流扬声器，采用外部机械振动导致的空腔共振而产生的声音驱动扬声器的振膜产生机械振动，并带动与其相连的动圈移动，由于动圈切割磁力线产生电流，再通过外界分流电路转化为热能消耗掉，达到了双层隔声系统结构、空腔振动的有效控制。
具体地，分析不同形式的分流电路对复合结果特性的影响：参见图5、4，基础板为铝板，损耗因子假设为0.005，Lpl＝300mm，bpl＝400mm，hpl＝0.2mm，压电薄片参数如表1所示，对于RL电路，由公式和公式当控制第一阶模态时最优电感和电阻为L＝15.77H，R＝1170Ω；当控制第二阶模态时最优值为表1：
表1压电薄片参数
L＝3.65H，R＝487Ωmm3，而对于负电容电路取λ＝0.9，R＝500Ω，不同分流电路时复合结构在力的作用点的频率响应函数如图10、图11所示，可以看出，对于RL电路，只有调谐频率和结构模态频率相等或接近时，分流阻尼才有较显著的耗能效果，图10显示当调谐频率在第一阶模态频率时，最优RL分流电路对响应函数峰值的衰减达50多分贝，而调谐频率在第二阶模态频率时，其峰值衰减不太明显，图11显示类似的现象，对于负电容电路，其在这两个模态频率处均有良好的抑振特性，对于RL电路，需要控制的频率越低其需要的电感越大，这在应用中是非常不方便的，因为被动电感越大，其体积和质量也越大，实际上常常通过用模拟电感来实现，如果要控制多个模态，就需要额外的分流电路或者压电片，负电容电路相比RL电路，并不会增加电路的复杂性而且可以控制多个频率，因此本例中双隔层系统选用负电容电路。
建立分流扬声器的声学阻抗预测模型：参见图8，声音驱动振膜产生机械振动，并带动与其相连的动圈一起振动，由于动圈切割磁力线产生电流，再通过外界分流电路转化为热能消耗掉，其重要参数如下：力顺Cm,主要包含扬声器内外部的机械支撑结构及有音箱内部空气提供的刚度，力因数Bl,B为磁体产生的磁场强度，l为线圈在磁场中的长度，质量Mm,要包含振膜，防尘罩和动圈，机械阻Rm,和力顺相似，在弹性结构中存在的结构阻尼，分流扬声器参数如下表2所示：
表2分流扬声器参数
将压电和扬声器分流阻抗技术应用到双层隔声结构中，建立系统多物理场耦合模型：参见图1，分析低频隔声特性，提出提高其低频段结构共振、空腔共振及耦合共振频率处的隔声效果的控制方法，采用压电分流阻尼控制薄板振动，从而控制双层隔声结构隔声量的情况，入射板，辐射板及相应的压电片的物理参数均采用前面提及的模型参数，铝板几何参数为1050×650×3.2mm3，两板间距为98mm，各阶空腔模态损耗因子为0.0028，依据图12分析具有负电容压电分流阻尼的双层板结构在不同电阻情况下的声传递特性，并与未做处理的双层板结构做了对比，从未做处理的双层板结构的传递损失曲线可以看出其有3个极小值点，也就是说在这些点处的声传递损失很小，从图12(a)中可以看出在(1)点和(2)点压电分流阻尼通过调节分流电阻可以得到较好的控制效果，而在(3)点控制效果较差，这种现象可以从图12(b)、(c)、(d)中得到解释，在(1)和(2)点因其特性与结构模态相关，所以其振动得到较好的抑制；而对于(3)点，其特性主要由空腔声模态支配，因空腔模态阻尼很小，系统的能量不能有效的耗散，故只通过结构振动的抑制并不能有效的消除空腔模态幅值，从而导致在此频率处隔声系统的传递损失并没有明显改善，为了取得较好的效果，采用负电容压电分流电路的电阻为2500Ω，扬声器分流电路的电阻为30Ω，按照如图2所示布置扬声器具体位置，最后得出双层结构的板、空腔经分流阻尼处理后的隔声特性效果图13所示，可以看出，在(1)、(2)和(3)点处，隔声量都得到较大的提高，并且结构、空腔及其耦合模态也得到很好的控制，该复合结构可以在多模态处提高双层隔声结构的低频隔声量。
实施例2：汽车的车门是一种典型的双层隔板结构，将分流阻尼技术用于车门隔音设计，采用专用粘结剂将压电薄片贴于车身结构表面，车门内的底部空间布置若干个分流扬声器，通过上述的步骤进行分析仿真计算获得其大小形状和位置，如图14、图15所示，经测试结果显示，对高频段及低频段噪音都具有显著的隔音效果，如图16所示。
在双层隔声结构中同时添加压电分流阻尼和扬声器分流阻尼技术，弥补了采用压电分流阻尼耗散结构振动能量时，空腔支配型模态控制效果不明显缺陷；同样，弥补了在空腔中采用分流扬声器只能吸收空腔模态相关声能，结构支配的模态几乎没有效果的缺陷。两种分流技术有效地结合既能有效控制与结构相关的模态，又可以有效吸收空腔模态的相关声能，达到在多模态处耗散系统能量，改善高低频段隔声量的目的。
以上尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种基于分流阻尼的双层隔声结构控制方法，包括以下步骤：
(1)通过分析双层隔声结构的动力学特性，建立压电分流阻尼模型；
(2)分析不同形式的分流电路，应用压电分流电路控制结构共振，选取合适的分流电路；
(3)建立分流扬声器的声学阻抗预测模型；
(4)将压电和扬声器分流阻抗技术应用到双层隔声结构中，建立压电、扬声器分流阻抗双层隔声结构模型。
2.一种基于分流阻尼的双层隔声结构，包括压电薄片、分流扬声器和双层隔板，其特征在于：所述双层隔板是包括入射板、辐射板组成密闭的空腔，所述压电薄片和分流扬声器位于所述双层隔板的空腔内。
3.根据权利要求2所述的双层隔声结构，其特征在于：若干个所述压电薄片设置在所述双层隔板的入射板、辐射板的内侧，所述压电薄片包括薄板和压电片，所述压电片牢固粘贴在所述薄板上。
4.根据权利要求2所述的双层隔声结构，其特征在于：所述双层隔板的空腔下方安放若干个分流扬声器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20191022 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |