CN112053674A - 基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构及其制备方法。微穿孔板吸声器结构为亥姆霍兹共振器，包括压电材料制作的微穿孔板、刚性壁、背腔结构、网式刚性框架和电压激励电路系统；背腔结构对应于网式刚性框架的背腔，该背腔为活动式；每个微穿孔板的正反表面均设有导电材料涂层；各微穿孔板及刚性壁分别置于网式刚性框架中，并与背腔构建成多个吸声器结构模块；网式刚性框架由绝缘材料制作而成，各个吸声器结构模块分别通过独立的电压激励电路系统进行单独的电压激励，每个所述电压激励电路系统施加电压激励的个数均为一个或多个。本发明在优化吸声系数的同时，抑制压电材料微穿孔板自身噪声，并大幅增加吸声带宽。

Description

基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构及其制备方法

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组合式微穿孔板吸声器结构及其制备方法，属于声学技术领域。

背景技术

噪声污染是现代四大污染之一，会给人们的身体和心理带来严重的危害。因此噪声的控制问题越来越引起人们的普遍关注，如何降低噪声也称为人们的研究热点。

目前控制噪声的方法主要分为三种，一是对噪声源进行控制，二是在噪声传播路径上采取控制措施，三是对接受者进行隔离，降低噪声对接受者的伤害。其中，在传播途径上对噪声加以控制是一种常用的、有效的措施，包括吸声、隔声、隔振、阻尼减振等，而利用吸声材料或吸声结构来吸收声能，降低噪声强度是目前噪声控制中常用的最简洁、有效的控制方法。常用的吸声材料主要分为多孔吸声材料和共振吸声结构两大类，多孔吸声材料包括泡沫类吸声材料和纤维类吸声材料，多孔吸声材料的吸声机理在于当声波进入材料孔隙后，引起孔隙中空气与孔壁的摩擦及材料的细小纤维振动导致的粘滞阻力，使声能转变为热能。多孔吸声材料的孔隙尺寸与高频声波的波长接近，一般在高频范围内吸声效果好，对低频吸声效果较差，而且多孔吸声材料不适用于高温高湿环境，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。

微穿孔板吸声体是由我国著名声学专家马大猷教授于1975年首次提出的，自提出以来，就以其结构简单、环境友好、质轻价廉、抗腐蚀等诸多优点被广泛应用于各种噪声控制问题中，如室内音效修饰、消声器、隔声屏障、声学窗户系统等。作为一种共振吸声结构，徼穿孔板吸声体的有效吸声范围一般在共振频率附近较窄的范围内，而单层微穿孔板吸声体一般只有一个共振吸声峰，因此其吸声带宽通常较窄，一般为个倍频程，使其不足以成为一个通用的降噪结构，大大限制了其在实际噪声控制问题中的应用。

为改进微穿孔板吸声体的吸声性能，众多声学研究者做了大量探索研究。马大猷教授提出了双层微穿孔板吸声体，以克服单层微穿孔板吸声体只有一个共振吸声峰的缺陷，并给出了其垂直入射吸声系数的计算公式。同济大学声学所的学者盛胜我研究了在微穿孔板表面覆盖一层薄膜及背面紧贴吸声薄层的复合吸声结构，并对它们的声学特性进行了理论分析与计算。同济大学声学所的蔺嘉、王佐民等人研究了微穿孔板吸声体空腔中吸声材料的作用以及吸声侧壁对微穿孔板共振结构吸声性能的影响，结果表明由于空腔中的吸声材料改善了微穿孔板的末端福射阻抗以及空腔的声阻抗，从而对微穿孔板共振结构的吸声性能有一定的改善效果。然而此类复合共振吸声结构的工程成本一般较大，且使用的吸声材料一般为多孔吸声材料，仍然无法避免造成污染的严峻问题。

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组合式微穿孔板吸声器结构及其制备方法，该结构及方法不仅能够优化微穿孔板吸声器的吸声系数，抑制压电材料微穿孔板自身噪声，更能凭借其组合吸声体的优势大幅增加基于压电材料微穿孔板吸声器的吸声带宽，而且还能结合不同声源的指向性，在各个方向进行有针对性的模块设计，从而在不同方位不同角度实现按需降噪。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构，所述的微穿孔板吸声器结构为亥姆霍兹共振器，包括压电材料制作的微穿孔板、刚性壁以及背腔结构；还包括网式刚性框架和电压激励电路系统；所述的背腔结构对应于网式刚性框架的背腔，该背腔为活动式；每个微穿孔板的正反表面均设有导电材料涂层；各微穿孔板及刚性壁分别置于网式刚性框架中，并与背腔构建成多个吸声器结构模块；网式刚性框架由绝缘材料制作而成，各个吸声器结构模块分别通过独立的电压激励电路系统进行单独的电压激励，每个所述电压激励电路系统施加电压激励的个数均为一个或多个。

一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构的制备方法，包括：

步骤1、在压电材料的表面镀上导电材料涂层；

步骤2、用上述已经镀好导电材料涂层的压电材料，分别制作同一孔径或复合孔径的微穿孔板，微穿孔板的形状及大小按需设计；

步骤3、设计网式刚性框架，网式刚性框架的背腔为活动式，能自行调节，网口形状按需设计；

步骤4、将微穿孔板及刚性壁安装在网式刚性框架上，形成多个吸声器结构模块，并在各个吸声器结构模块中加装电压激励电路系统，各电压激励电路系统互相独立并由直流电源供电。

相比现有技术，本发明的一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构及其制备方法，将压电材料制作的微穿孔板分别置于网式刚性框架中，网式刚性框架由绝缘材料制作而成，通过电压激励电路系统分别对各个压电微穿孔板的压电材料进行电压激励，使之分别产生振动，并结合不同深度的背腔，来改变各个微穿孔板的声阻抗。特别是，本发明不仅可以优化微穿孔板吸声器的吸声系数，抑制PVDF微穿孔板自身噪声，大幅增加基于压电材料微穿孔板吸声器的吸声带宽，而且还能结合不同声源的指向性，在各个方向进行有针对性的模块设计，从而在不同方位不同角度实现按需降噪，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的结构示意图。

图2是本发明一个实施例的结构示意图，其中省略了电压激励电路系统的展示。

图中，11、21、微穿孔板，12、22、，网式刚性框架，121、含线路的刚性框架，13、23、刚性壁，14、电压激励电路系统，25、背腔。

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。

优选实施例一：

在图1所示一个实施例中，一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构，所述的微穿孔板吸声器结构为亥姆霍兹共振器，包括压电材料制作的微穿孔板11、刚性壁13以及背腔结构；还包括网式刚性框架12和电压激励电路系统14；所述的背腔结构对应于网式刚性框架12的背腔，该背腔为活动式；微穿孔板的正反表面均设有导电材料涂层；两个微穿孔板11和七个刚性壁13分别置于网式刚性框架12中，并与两个背腔构建成两个吸声器结构模块；网式刚性框架12由绝缘材料制作而成，处于防护和美观考虑，导电线路可以设于网式刚性框架12内部，分别引向各吸声器结构模块的微穿孔板两侧。两个吸声器结构模块分别通过一个独立的电压激励电路系统14进行单独的电压激励，每个所述电压激励电路系统14施加电压激励的个数均为一个或多个，使之分别产生振动，并结合不同深度的背腔，来改变各个模块微穿孔板11的声阻抗。其中，所述的电压激励电路系统14包括信号发生器、功率放大器和变压器，信号发生器产生信号，通过功率放大器再由变压器加载到吸声器结构模块。更具体地，所述的电压激励电路系统14通过变压器直接与微穿孔板11的压电材料连接。

在本实施例中，采用模块化压电材料微穿孔板11的方式来增加其吸声带宽，提高吸声性能。其中微穿孔板11包括单一孔径微穿孔板、复合孔径微穿孔板(复合孔径嵌套微穿孔板、分区复合孔径微穿孔板)，微穿孔板11的孔径范围为1mm以下，微穿孔板11的形状不限，可按需设计。吸声器结构模块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。当吸声器结构模块为单层微穿孔板吸声体(不分区)时，此时电压激励线路为1个；当吸声器结构模块为双层微穿孔板吸声体(不分区)时，电压激励线路为2个；当吸声器结构模块为多层微穿孔板吸声体(不分区)时，电压激励线路为多个。吸声器结构模块的电压激励包括单层微穿孔板分区激励、双层微穿孔板阵列分区激励和多层微穿孔板阵列分区激励；每个吸声器结构模块电压激励线路的个数为微穿孔板11的层数与分区数的乘积。每个吸声器结构模块各有一条独立电路进行电压激励，各模块所施加激励电压的幅值和相位均互相独立；各模块所施加的电路，一端粘结在各区域电极(压电材料)上，另一端连接功率放大器或变压器，功率放大器由信号发生器输入信号，并由直流电源供电。加载到所述微穿孔板11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。网式刚性框架12为组合式结构，可按需设计，网口形状不限，与微穿孔板11形状及尺寸相匹配。所述的电压激励电路系统14由网式刚性框架12内部供线，即电压激励电路系统14的供线设置在图1中含线路的刚性框架121内。

在本实施例中，制作微穿孔的压电材料包括但不限于PVDF聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)、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、PZT-4、PZT-5、PZT-8、PZT-6、铌镁锆钛酸铅、铌锌酸铅钛酸铅、铌镍酸铅钛酸铅、钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂、改性钛酸铅、铌镁酸铅、水溶性压电晶体(酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸钾)。所述导电材料涂层的制备材料包括但不限于铝电极、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、复合材料电极。制成所述网式刚性框架12的绝缘材料，包括但不限于玻璃、木材、陶瓷、塑料、橡胶、树脂、3240环氧板、环氧棒、环氧管、FR-4板、SMC板、电木板、二苯醚板、有机硅板、冷冲板、PC板、PC耐力板、PC阳光板、压克力板、有机玻璃板、PVC板、POM板、PP板、云母板、绝缘纸板、聚氯乙烯，聚乙烯、聚丙烯、尼龙1010、聚碳酸醋、有机玻璃、聚四氟乙烯。

优选实施例二：

在图2所示的另一个实施例中，一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构，不同之处在于，所述的微穿孔板吸声器结构为亥姆霍兹共振器，包括压电材料制作的微穿孔板21、刚性壁23以及背腔结构；还包括网式刚性框架22和电压激励电路系统；所述的背腔结构对应于网式刚性框架22的背腔25，该背腔25为活动式；微穿孔板21的正反表面均设有导电材料涂层；九个微穿孔板21和二十九个刚性壁23分别置于网式刚性框架22中，并与十五个背腔构建成九个吸声器结构模块，其中，拐角处的背腔25和刚性壁23组成的金属壳体结构，主要其支撑、连接、稳固、转向的作用；网式刚性框架22由绝缘材料制作而成，九个吸声器结构模块分别通过一个独立的电压激励电路系统进行单独的电压激励，每个所述电压激励电路系统施加电压激励的个数均为一个或多个，使之分别产生振动，并结合不同深度的背腔25，来改变各个模块微穿孔板21的声阻抗。

在本发明上述两个优选实施例中，最终构建出来的吸声器结构模块在整体形状上都是四方体，在实际应用中可不局限于此，吸声器结构模块的形状还可以是圆形、椭圆形、方形、三角形、梯形或多边形等任意形状。而在数量上，吸声器结构模块的数目也不局限于优选实施例一的两个或优选实施例二中的九个。

本发明上述两个优选实施例一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构的制备方法，具体步骤如下：

步骤1、在压电材料的表面镀上导电材料涂层；

步骤2、用上述已经镀好导电材料涂层的压电材料，分别制作同一孔径或复合孔径的微穿孔板11、21，微穿孔板11、21的形状及大小按需设计，其形状包括但不限于长方形、三角形、多边形、圆形、椭圆形、梯形及其他图形。

步骤3、用上述加工好的微穿孔板11、21，分别制作未分区的单层、双层及多层微穿孔板，以及需要分区的单层、双层及多层微穿孔板；

步骤4、采用硬度较大的金属材料或合金、树脂等材料制作刚性壁13、23，不一定是绝缘材料；背腔25也采用金属材料、合金、树脂、塑料等制备，其结构形式为一个柱形的壳体结构，底面可以自由移动，通过人为移动获得不同空间的背腔，吸声器结构模块的网口形状及大小按需设计，其形状包括但不限于长方形、三角形、多边形、圆形及其他图形；

步骤5、将微穿孔板11、21及刚性壁13、23安装在网式刚性框架12、22上，形成多个吸声器结构模块，并在各个吸声器结构模块中加装电压激励电路系统14，各电压激励电路系统14互相独立并由直流电源供电。

本发明各实施例所带来的显著优势如下：

1)与传统的多层复合微穿孔板共振吸声结构相比，本发明实施例具有模块化结构设计，可以满足宽频段吸声降噪的需求。

2)与传统背面放置吸声材料的单层微穿孔板相比，本发明实施例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。

3)与传统的多层复合微穿孔板共振吸声结构相比，本发明实施例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。

4)本发明实施例各微穿孔板的电压激励电路系统14相互独立，且由网式刚性框架12、22内部供线，结构紧凑，避免多路电压激励时线路杂乱。

5)本发明实施例中各微穿孔板还能结合不同声源的指向性，在各个方向进行有针对性的模块设计，从而在不同方位不同角度实现按需降噪(参见图2)。

6)本发明实施例通过控制和调节压电材料微穿孔板吸声器不同区域的声阻抗，来优化微穿孔板共振吸声结构吸声系数，从而实现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。

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 (9)

1.一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构，所述的微穿孔板吸声器结构为亥姆霍兹共振器，包括压电材料制作的微穿孔板(11、21)、刚性壁(13、23)以及背腔结构；其特征是：还包括网式刚性框架(12、22)和电压激励电路系统(14)；所述的背腔结构对应于网式刚性框架(12、22)的背腔(25)，该背腔(25)为活动式；每个微穿孔板(11、21)的正反表面均设有导电材料涂层；各微穿孔板(11、21)及刚性壁(13、23)分别置于网式刚性框架(12、22)中，并与背腔(25)构建成多个吸声器结构模块；网式刚性框架(12、22)由绝缘材料制作而成，各个吸声器结构模块分别通过独立的电压激励电路系统(14)进行单独的电压激励，每个所述电压激励电路系统(14)施加电压激励的个数均为一个或多个。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构，其特征是：所述的电压激励电路系统(14)包括信号发生器、功率放大器和变压器，信号发生器产生信号，通过功率放大器再由变压器加载到吸声器结构模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构，其特征是：所述的电压激励电路系统(14)由网式刚性框架(12、22)内部供线。

4.根据权利要求2所述的一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构，其特征是：所述的电压激励电路系统(14)通过变压器直接与微穿孔板的压电材料连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构，其特征是：加载到各个所述吸声器结构模块的电压频率范围都是1Hz-10kHz的单频或多频的交流激励信号。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构，其特征是：所述的微穿孔板(11、21)包括单一孔径微穿孔板和复合孔径微穿孔板。

7.根据权利要求6所述的一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构，其特征是：所述的吸声器结构模块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。

8.根据权利要求7所述的一种基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构，其特征是：所述吸声器结构模块的电压激励包括单层微穿孔板分区激励、双层微穿孔板阵列分区激励和多层微穿孔板阵列分区激励；每个吸声器结构模块的电压激励线路个数为微穿孔板(11、21)的层数与分区数的乘积。

9.一种制备权利要求1至8任一项所述基于压电材料的组合式微穿孔板吸声器结构的方法，其特征是，包括：

步骤1、在压电材料的表面镀上导电材料涂层；

步骤2、用上述已经镀好导电材料涂层的压电材料，分别制作同一孔径或复合孔径的微穿孔板(11、21)，微穿孔板(11、21)的形状及大小按需设计；

步骤3、用上述加工好的微穿孔板(11、21)，分别制作未分区的单层、双层及多层微穿孔板，以及需要分区的单层、双层及多层微穿孔板；

步骤4、设计并制作网式刚性框架(12、22)，各吸声器结构模块的背腔壁(25)能前后移动，吸声器结构模块的网口形状及大小按需设计；

步骤5、将微穿孔板(11、21)、刚性壁(13、23)及背腔安装在网式刚性框架(12、22)上，形成多个吸声器结构模块，并在各个吸声器结构模块中加装电压激励电路系统(14)，各电压激励电路系统(14)互相独立并由直流电源供电。

Images