CN112053673B - 一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器 - Google Patents

Abstract

一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，包括微穿孔板吸声体，所述的微穿孔板吸声体为亥姆霍兹共振器结构，包括压电微穿孔板、刚性壁及背腔，所述压电微穿孔板的正反两面都间隔分为多个区域，每个区域分别镀有导电材料涂层形成电极区域，每个区域都由各自的激励电路进行电压激励，每个区域施加电压激励的个数为1，激励电路包括直流电源、功率放大器、变压器和信号发生器，变压器一端连接压电微穿孔板的电极区域，另一端连接各自的功率放大器，功率放大器由信号发生器输入信号并通过直流电源供电。本发明能在优化微穿孔板吸声器吸声系数的同时，抑制PVDF微穿孔板自身噪声，并大幅增加基于压电材料微穿孔板吸声器的吸声带宽。

Description

一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器

技术领域

本发明涉及一种微穿孔板吸声器，尤其是一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，属于声学技术领域。

背景技术

在高速发展的现代社会中，随着工业化进程的不断提速，然而随之而来的噪声污染也给人们的生产生活带来了较大困扰。消除噪声污染、改善生活环境是全社会共同的呼声，因此必须对噪声进行研究和控制。

噪声控制主要有三种措施，一是控制噪声源；二是在控制噪声的传播途径；三是在接受者身上采取隔离措施，减少噪声对接受者的危害。在传播途径上加以控制是一种传统有效的技术，包括吸声、隔声、隔振、阻尼减振等。其中利用吸声材料或吸声结构来吸收声能，降低噪声强度是常用的最简洁、有效的控制方法。吸声材料可分为两类，一类是多孔纤维性吸声材料，另一类是共振吸声材料。纤维性吸声材料的吸声机理是透入材料内部的声波在小孔和狭缝中传播时，与构成微孔和狭缝的固体材料产生摩擦作用，由于粘滞性和导热性的效应，把声能逐渐耗散掉。纤维性吸声材料的特点是成本低、吸声频带宽、吸声系数高、生产简单，一直是传统的吸声材料。然而20世纪90年代开始，卫生环保人士逐渐发现传统的纤维型吸声材料对人体有害，因此无需添加纤维吸声材料的微穿孔板引起人们的广泛关注。

我国著名的声学专家、科学院院士马大猷教授提出的微穿孔板共振吸声体是一种常用的吸声结构。微穿孔板共振吸声结构具有高频吸声性能好，不含多孔性纤维材料，不怕水和潮气，耐温防火，不霉，不蛀，清洁，无污染，可耐高温，耐腐蚀，能承受高连气流冲击，装饰效果好，经久耐用等优点，而且面材不受材料限制，从纸板、塑料、金属板及薄膜，可以根据不同的目的和应用场景选择不同板材。众多科学家研究并制作出各种材质、各种结构的微穿孔板共振吸声结构，解决了许多吸声降噪问题，如人民大会堂的音质问题，德国议会大厅的声学缺陷问题等。同时，在解决高噪声的特殊环境下的吸声问题上，如火箭、导弹发射时的高噪声污染，微穿孔板共振吸声结构也起到了重要的作用。现在，随着不同材料、不同结构、不同加工工艺逐渐被引入到微穿孔板的制作中，微穿孔板共振吸声结构的应用范围也得到了拓展。

但是，普通单层微穿孔板吸声体，其穿孔直径d、穿孔率p、板厚t和空腔深度D等结构参数固定之后，根据经典的微穿孔板理论可以预测其吸声性能(最大吸声系数以及有效吸声频带)。如目前大量使用的微穿孔板吸声体孔径一般在0.5mm-0.8mm，其穿孔率通常介于2％-10％之间，其频带宽度约为1-3个倍频程，有效吸声频带较窄。这表明，一旦设计好结构的各种参数，吸声体的中心频率固定且吸声频带有限。而如今，使用微穿孔板吸声体来进行吸声降噪的环境更复杂，如大型动力设备、道路等开放环境，噪声信号具有频带宽且频谱复杂的特征。在这种情况下，一个传统的微穿孔板吸声体，难以应对这些复杂的应用环境，因此迫切需要拓宽微穿孔板吸声体的有效吸声频带。

目前拓宽单层微穿孔板吸声体的有效吸声频带有四种主要的方法：第一种方法是采用多层复合的微穿孔板吸声结构，每一层的结构参数(穿孔率、穿孔直径、空腔深度以及板厚)可以不同，各层综合作用的效果显著提升了微穿孔板吸声体在全频段的吸声性能。但多层复合结构明显增加基于压电材料了结构复杂度，也大大增加基于压电材料了材料和加工成本，在实际工程应用中还受到空间距离的限制。第二种方法是在单层的微穿孔板背面放置吸声材料，但增加吸声材料会带来整个结构的二次污染，发挥不了微穿孔板作为绿色环保型吸声材料的优势。第三种方法是基于压电分流阻尼技术拓展单层微穿孔板吸声体的有效吸声频带。基于分流阻尼技术的噪声控制一般是针对低频单个振动模态的，对低频吸声效果改善的频带较窄，基于多个模态的分流电路可以拓宽低频的吸收频带，但分流电路结构较为复杂。第四种方法是主被动结合的复合吸声结构。将单层微穿孔板吸声体与后覆空腔内的主动吸声控制系统相结合组成复合吸声结构，可实现宽频带的高吸声性能。但主动吸声控制系统致使整个吸声器的结构过于复杂，实际应用中更容易受到空间距离的限制。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，能在优化微穿孔板吸声器吸声系数的同时，抑制PVDF微穿孔板自身噪声，并大幅增加基于压电材料微穿孔板吸声器的吸声带宽，在工程领域具有较好的应用价值和应用前景。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括微穿孔板吸声体，所述的微穿孔板吸声体为亥姆霍兹共振器结构，包括压电微穿孔板、刚性壁及背腔，所述压电微穿孔板的正反两面都间隔分为多个区域，每个区域分别镀有导电材料涂层后形成电极区域，每个区域都由各自的激励电路进行电压激励，每个区域施加电压激励的个数为1，激励电路包括直流电源、功率放大器、变压器和信号发生器，变压器一端连接压电微穿孔板的电极区域，另一端连接各自的功率放大器，功率放大器由信号发生器输入信号并通过直流电源供电。

相比现有技术，本发明的一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，创新性地将亥姆霍兹共振器结构与压电材料结合在一起制作成微穿孔板吸声体；进而通过对压电微穿孔板及其阵列进行分区隔离，各区域由独立的激励电路进行电压激励，通过施加不同幅值及相位电压激励，可以有多路电压激励，也就意味着有多个频率、幅值、相位的电压激励压电材料，这样在每个频率点周围都能提升一定的吸声系数，从而在宽频带范围内提升压电微穿孔板的吸声性能，并且由于采用了分区激励，每个区域因电压激励不同、区域位置、形状不同，压电微穿孔板的振动模态也互不相同，从而各个区域的压电材料振动相互削弱，降低了其自身发声干扰。因此本发明不仅改变了压电微穿孔板不同区域的声阻抗，特别是优化了微穿孔板吸声器吸声系数的同时，抑制了压电微穿孔板自身噪声，并大幅增加了微穿孔板吸声器的吸声带宽，在工程领域具有较好的应用价值和应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例中压电微穿孔板的正面结构示意图。

图2是本发明另一个实施例中压电微穿孔板的正面结构示意图。

图3是本发明一个实施例分区激励时(两路)和未分区激励的压电微穿孔板吸声性能曲线对比图。

图中，1、压电微穿孔板，101、区域，102、间隙，103、微孔，104、分区绝缘线，2、激励电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1

请参阅图1，本发明提供一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器的实施例，包括微穿孔板吸声体，所述的微穿孔板吸声体为亥姆霍兹共振器结构，包括由聚偏氟乙烯(PVDF)制作的压电微穿孔板1、刚性壁及背腔，所述压电微穿孔板1的正反两面都间隔分为多个区域101，每个区域101分别镀有铝电极涂层后形成电极区域，每个区域101都由各自的激励电路2进行电压激励，每个区域101施加电压激励的个数为1，激励电路2包括直流电源、功率放大器、变压器和信号发生器，变压器一端连接压电微穿孔板1的电极区域，另一端连接各自的功率放大器，功率放大器由信号发生器输入信号并通过直流电源供电。

该实施例微穿孔板吸声器的具体制备步骤如下：

1)在PVDF表面镀上铝电极涂层，两侧铝电极涂层对称或不对称分为若干区域101，相邻区域101之间的间隙102不镀铝电极；

2)用上述已经分区镀好铝电极涂层的PVDF压电材料，制作压电微穿孔板1；

3)在各个电极区域加装引线；

4)引线一段连接各电极区域，另一段连接功率放大器和变压器；各区域101的引线线路相互独立；

5)功率放大器由信号发生器产生信号，并由直流电源供电。

实施例2

请参阅图2，本发明提供一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器的实施例，包括微穿孔板吸声体，所述的微穿孔板吸声体为亥姆霍兹共振器结构，包括由聚偏氟乙烯(PVDF)制作的压电微穿孔板1、刚性壁及背腔，所述压电微穿孔板1的正反两面都间隔分为多个区域101，每个区域101分别镀有铝电极涂层后形成电极区域，每个区域都由各自的激励电路2进行电压激励，每个区域101施加电压激励的个数为1，激励电路2包括直流电源、功率放大器、变压器和信号发生器，变压器一端连接压电微穿孔板1的电极区域，另一端连接各自的功率放大器，功率放大器由信号发生器输入信号并通过直流电源供电。

该实施例微穿孔板吸声器的具体制备步骤如下：

1)在PVDF表面镀上铝电极涂层，两侧铝电极涂层对称或不对称分为若干区域101，相邻区域101之间的间隙102不镀铝电极，在间隙102处镀上绝缘材料形成分区绝缘线104；

2)用上述已经分区镀好铝电极涂层和分区绝缘线104的PVDF，制作压电微穿孔板1；

3)在各个电极区域加装引线；

4)引线一段连接各电极区域，另一段连接功率放大器和变压器；各区域101的引线线路相互独立；

5)功率放大器由信号发生器产生信号，并由直流电源供电。

实施例3

请参阅图1，本发明提供一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器的实施例，包括微穿孔板吸声体，所述的微穿孔板吸声体为亥姆霍兹共振器结构，包括由聚偏氟乙烯(PVDF)制作的压电微穿孔板1、刚性壁及背腔，所述压电微穿孔板1的正反两面都间隔分为多个区域101，每个区域101分别镀有铝电极涂层后形成电极区域，每个区域101都由各自的激励电路2进行电压激励，每个区域施加电压激励的个数为1，激励电路2包括直流电源、功率放大器、变压器和信号发生器，变压器一端连接压电微穿孔板1的电极区域，另一端连接各自的功率放大器，功率放大器由信号发生器输入信号并通过直流电源供电。

该实施例微穿孔板吸声器的具体制备步骤如下：

1)在PVDF表面镀上铝电极涂层，然后通过刮除两侧铝电极部分区域的涂层形成多个电极区域，从而将两侧铝电极涂层对称或不对称的划分为若干区域101；

2)用上述已经划分好若干区域101铝电极涂层的PVDF，制作压电微穿孔板1；

3)在各个电极区域加装引线；

4)引线一段连接各电极区域，另一段连接功率放大器和变压器；各区域101的引线线路相互独立；

5)功率放大器由信号发生器产生信号，并由直流电源供电。

实施例4

请参阅图2，本发明提供一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器的实施例，包括微穿孔板吸声体，所述的微穿孔板吸声体为亥姆霍兹共振器结构，包括由聚偏氟乙烯(PVDF)制作的压电微穿孔板1、刚性壁及背腔，所述压电微穿孔板1的正反两面都间隔分为多个区域101，每个区域101分别镀有铝电极涂层后形成电极区域，每个区域101都由各自的激励电路2进行电压激励，每个区域101施加电压激励的个数为1，激励电路2包括直流电源、功率放大器、变压器和信号发生器，变压器一端连接压电微穿孔板1的电极区域，另一端连接各自的功率放大器，功率放大器由信号发生器输入信号并通过直流电源供电。

该实施例微穿孔板吸声器的具体制备步骤如下：

1)在PVDF表面镀上铝电极涂层，然后通过刮除两侧铝电极部分区域的涂层，在刮去的位置填涂绝缘材料，从而将两侧铝电极涂层对称或不对称的划分为若干电极区域；

2)用上述已经划分好若干区域101铝电极涂层的PVDF，制作压电微穿孔板1；

3)在各个电极加装引线；

4)引线一段连接各电极，另一段连接功率放大器和变压器；各区域101的引线线路相互独立；

5)功率放大器由信号发生器产生信号，并由直流电源供电。

在本发明的所有实施例中，各个所述激励电路2的电压频率范围(即加载到压电微穿孔板1表面两侧的不同区域101的电压频率范围)均是全频带的单频或多频的交流激励信号即可，但当电压频率范围选取1Hz-10kHz时激励效果最佳。

在以上各实施例中，所述的微穿孔板吸声体包括单层微穿孔板吸声体、双层微穿孔板阵列吸声体和多层微穿孔板阵列吸声体，每层微穿孔板上都分区激励，构成同一微穿孔板吸声体的不同层微穿孔板分别由各自的激励电路2单独进行电压激励。其中，所述压电微穿孔板1包括单一孔径微穿孔板和复合孔径微穿孔板。另外，所述的复合孔径微穿孔板包括复合孔径嵌套微穿孔板和分区复合孔径微穿孔板。

在一个优选发明实施例中，所述的压电微穿孔板1包括普通微穿孔板和超微穿孔板，普通微穿孔板上微孔103的孔径一般适用范围是小于等于1mm，本实施例优选范围大于0.1mm且小于0.4mm，超微穿孔板上微孔103的孔径可行性范围是小于等于0.1mm，优选取值范围为1um-100um。

在材质方面，本发明实施例中所述的压电材料包括聚偏氟乙烯、聚氟乙烯、聚氯乙烯、水晶、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛、铁晶体管铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂、铌锌酸铅-钛酸铅、锆酸铅、钛酸铅、铌镁锆钛酸铅、铌镍酸-铅钛酸铅、钛酸钡、锆钛酸铅系压电陶瓷、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂、改性钛酸铅、铌镁酸铅和水溶性压电晶体。所述的水溶性压电晶体包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾和硫酸钾。所述的导电材料包括铝电极、铜电极、银电极、铁电极、金电极、锡电极、钼电极、钨电极、半导体电极和复合材料电极。

本发明各实施例的压电微穿孔板1，对其表面电极分区隔离的方式：包括两侧对称分区隔离和两侧非对称分区隔离；包括两侧分区数目相同和两侧分区数目不相同；包括两侧分区形状相同和两侧分区形状不相同；各区域101施加电压激励的幅值相互独立；各区域101施加电压激励的相位相互独立。基于不同的组合形式，本发明实施例最终可以得到不一样的微穿孔板吸声体吸声性能。从理论上来说，分区越多，激励越多效果越好，单在实际是应用中，还需要根据具体的适用场景需要来进行选配。

本发明各实施例中压电微穿孔板1的外形为圆形，但不局限于此，实际中可以根据需要制作不同形状的。压电微穿孔板1正反面的各区域101也可以按照反面以间隙103隔开、正面适用分区绝缘线104的方式组合而成，又或者相反(正面间隙103隔开+反面分区绝缘线104)，双面目的都是使各个区域101不能连电，不能导通。

本发明一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器的整体优势如下：

(1)与传统的多层复合微穿孔板共振吸声结构相比，本发明既可以满足宽频段吸声降噪的需求，又具有简单的结构和制作工艺流程，使得加工、维护成本更低廉。与传统背面放置吸声材料的单层微穿孔板相比，本发明是基于压电材料制作而成的微穿孔吸声器，不会带来二次污染。与传统的多层复合微穿孔板共振吸声结构相比，本发明可以在增加吸声带宽的同时，大大降低微穿孔板吸声体的体积，节省整个吸声装置安装时占用的空间，更适合复杂环境的吸声降噪要求。

(2)本发明通过控制和调节压电材料微穿孔板吸声器不同区域101的声阻抗，来优化压电微穿孔板1共振吸声结构吸声系数。具体理由是：参加图3，现有技术中对基于压电材料的微穿孔板进行电压激励时，没有采取分区的情况下，由于整个压电材料是一块整体，所以施加电压激励时只能有一路电压激励(包含电压幅值、频率和相位等)；这种电压激励的缺点在于，一是只有一路电压激励，也就意味着只有一个频率的电压激励压电材料，吸声系数提升的效果也就在该频率附近，并不能在宽频带范围内提高吸声系数；而且没有分区的情况下，由于压电材料是一个整体，其作为一张拥有一定面积的薄片，在进行电压激励时其中心部位会产生较为明显的振动发声(在固定周边的情况下，中心部位距离固定点较远，所以中心部位在电压的激励下振动发声现象比较明显。)而本发明采用分区方法以后，可以有多路电压激励，也就意味着有多个频率、幅值、相位的电压激励压电材料，这样在每个频率点周围都能提升一定的吸声系数，从而在宽频带范围内提升压电微穿孔板1的吸声性能；并且由于采用了分区激励的方法，每个区域101因电压激励不同、区域101位置、形状不同，压电微穿孔板1的振动模态也互不相同，从而各个区域101的压电材料振动相互削弱，降低其自身发声干扰。由此可见，本发明不仅实现了优化微穿孔板吸声器吸声系数，侧重点是还抑制了压电微穿孔板1自身噪声，并大幅增加了基于压电材料微穿孔板吸声器的吸声带宽，因此，可在工程领域具有较好的应用价值和应用前景。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，包括微穿孔板吸声体，所述的微穿孔板吸声体为亥姆霍兹共振器结构，包括压电微穿孔板（1）、刚性壁及背腔，其特征是：所述压电微穿孔板（1）的正反两面都间隔分为多个区域（101），每个区域（101）分别镀有导电材料涂层后形成电极区域，每个区域（101）都由各自的激励电路（2）通过施加不同幅值及相位电压激励进行独立电压激励，通过采用了分区激励的方法，每个区域（101）因电压激励不同、区域（101）位置、形状不同，压电微穿孔板（1）的振动模态也互不相同，从而各个区域（101）的压电材料振动相互削弱，降低其自身发声干扰；每个区域（101）施加电压激励的个数为1，激励电路（2）包括直流电源、功率放大器、变压器和信号发生器，变压器一端连接压电微穿孔板（1）的电极区域，另一端连接各自的功率放大器，功率放大器由信号发生器输入信号并通过直流电源供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，其特征是：各个所述激励电路（2）的电压频率范围均是1Hz-10kHz的单频或多频的交流激励信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，其特征是：所述的微穿孔板吸声体包括单层微穿孔板吸声体、双层微穿孔板阵列吸声体和多层微穿孔板阵列吸声体，每层微穿孔板上都分区激励，构成同一微穿孔板吸声体的不同层微穿孔板分别由各自的激励电路（2）单独进行电压激励。

4.根据权利要求1所述的一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，其特征是：所述压电微穿孔板（1）包括单一孔径微穿孔板和复合孔径微穿孔板。

5.根据权利要求4所述的一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，其特征是：所述的复合孔径微穿孔板包括复合孔径嵌套微穿孔板和分区复合孔径微穿孔板。

6.根据权利要求1或4或5所述的一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，其特征是：所述的压电微穿孔板（1）包括普通微穿孔板和超微穿孔板，普通微穿孔板上微孔（103）的孔径大于0.1mm且小于0.4mm，超微穿孔板上微孔（103）的孔径范围取1um-100um。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，其特征是：所述的压电材料包括聚偏氟乙烯、聚氟乙烯、聚氯乙烯、水晶、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛、铁晶体管铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂、铌锌酸铅-钛酸铅、锆酸铅、钛酸铅、铌镁锆钛酸铅、铌镍酸-铅钛酸铅、钛酸钡、锆钛酸铅系压电陶瓷、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂、改性钛酸铅、铌镁酸铅和水溶性压电晶体。

8.根据权利要求7所述的一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，其特征是：所述的水溶性压电晶体包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾和硫酸钾。

9.根据权利要求1或2所述的一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，其特征是：所述的导电材料包括铝电极、铜电极、银电极、铁电极、金电极、锡电极、钼电极、钨电极、半导体电极和复合材料电极。

10.根据权利要求1或2所述的一种基于压电材料的吸声带宽增加型微穿孔板吸声器，其特征是：所述多个区域（101）的相邻区域之间通过由绝缘材料形成的分区绝缘线（104）分隔。