专利名称：一种自适应微穿孔板吸声器及其微孔实时调节方法
技术领域：
本发明涉及一种利用压电效应实时调节压电薄膜微穿孔板上微孔孔径大小的共振吸声结构。通过主动控制实时调节压电薄膜微穿孔板上微孔孔径的大小，能够在较宽的频率范围内获得很好的吸声效果。
背景技术：
噪声是除了空气污染和水污染之外，危害环境的第三大污染源。随着现代科学技术的发展和社会前进步伐的加快，机械加工、交通运输等的高速发展给社会带来方便的同时，辐射的噪声也带来了危害。研究和控制噪声既是保护环境的迫切需要，也是提高工业产品质量、减小能源损耗所必须解决的问题。1975年，著名的声学专家、科学院院士马大猷教授在《中国科学》上发表了《微穿孔板吸声结构的理论和设计》论文，首次提出了微穿孔板共振吸声结构。最基本的微穿孔板吸声结构是在板厚小于1.0毫米的薄板材料上穿以孔径小于1. 0毫米的微孔，穿孔率在1 5%之间，后部留有一定的厚度的空气层，空腔内无需填充其它吸声材料，常用单层或双层微穿孔板结构形式。微穿孔板共振吸声结构是一种低声质量、高声阻的共振吸声结构，其性能介于多孔吸声材料和共振吸声结构之间，其吸声频带宽度可优于常规的穿孔板共振吸声结构。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，因此微穿孔板共振吸声结构得到了迅速发展。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，普通的具有共振吸声结构的微穿孔板的微孔孔径大小参数是确定的，这样根据马大猷教授的微穿孔板理论就可以计算出这一具体结构的吸声频带和吸声系数，例如，目前大量使用的微穿孔板的微孔孔径大小在0. 8毫米左右，其吸声频带约为2 4个 1/3倍频程，比较窄。这就表明，一旦设计好结构的各种参数，其有效吸声中心频率固定且频带较窄。而如今，使用微穿孔板共振吸声结构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，一个传统的单层微穿孔板共振吸声结构，其有效吸声中心频率固定且频带窄的本质决定了它不能有效地应对这些复杂的噪声环境。就目前而言，如果要在宽频带内提高微穿孔板共振吸声结构的有效吸声系数，一是进一步减小微穿孔板上微孔孔径大小，但相应的打孔密度会大大增加，加工成本也会大大增加。同时，由于微孔孔径大小仍然固定，虽然有效吸声带宽有一定程度拓展，但仍不足以覆盖低频、中频和高频全频段，在复杂的噪声环境中的吸声能力依然有限。另一个办法是采用多层复合微穿孔板共振吸声结构，每一层微穿孔板的穿孔率及微孔孔径大小参数可以不同，这样同时对低频、中频和高频段的噪声均有吸声效果，但这种方案明显增加了结构复杂度，材料成本和加工成本均会大大增加。
发明内容
针对上述传统技术所存在的不足之处，本发明的目的是提供一种自适应微穿孔板吸声器，其在宽频率范围内具有较高吸声系数的微孔孔径大小可以实时调节的压电薄膜微穿孔板共振吸声结构。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种自适应微穿孔板吸声器，包括微穿孔板，其上均布微孔所述微穿孔板为压电薄膜微穿孔板，采用压电薄膜制成，上设电路引线端，所述电路引线端与主动控制电路相联接，所述主动控制电路包括与电路引线端依次相联接的压电薄膜驱动电路、自适应控制器和噪声探测器；所述压电薄膜微穿孔板及其周边侧壁和后壁构成的空腔体即为压电薄膜微穿孔板共振吸声结构。所述压电薄膜选择聚偏二氟乙烯压电膜、聚丙烯蜂窝压电膜、P(VDF-TFE-HFP)/ PTFE双层压电膜、P (VDF-TrFE)共聚物压电薄膜或交联聚丙烯压电膜中的任一种。所述噪声探测器为单个测试传声器构成的单点式探头，或是多个测试传声器构成的多点分布式探测网；所述自适应控制器是基于通用可编程DSP芯片、高性能FPGA/CPLD芯片或是专用DSP芯片设计的运算控制集成电路板；所述压电薄膜驱动电路在自适应控制器的实时控制下输出驱动电压，驱动压电薄膜产生期望的伸缩形变。所述压电薄膜微穿孔板上的微孔的面积范围为1000平方微米 700000平方微米；所述压电薄膜微穿孔板的穿孔率范围为0. 5% 5% ；所述压电薄膜微穿孔板的厚度为 0. 01毫米 5毫米。所述后壁的材质为钢板、不锈钢板、铝板、合金板、塑料板、木板、胶合板、石膏板、 玻璃板或纸板；所述侧壁采用刚性材料或弹性材料制作，刚性材料为钢板、不锈钢板、铝板、 合金板、塑料板、木板、胶合板、石膏板、玻璃板或纸板；弹性材料为弹簧、软橡胶或柔性高分子材料。所述后壁与压电薄膜微穿孔板之间的空腔厚度为1厘米 20厘米。本发明的另一目的是提供自适应微穿孔板吸声器的微孔实时调节方法，其特征在于A)首先，噪声探测器实时探测入射噪声的频率f ；B)然后，对于此频率入射噪声，自适应控制器推算出该微穿孔板共振吸声结构吸声降噪性能最优时的微孔孔径大小d，假设压电薄膜微穿孔板初始孔径大小为Cltl ；C)再结合已知的压电薄膜响应特性，自适应控制器计算出将微孔从初始孔径Cltl调整到d所需的控制电压大小，并发出相应的控制信号；D)最后，将此控制信号发送到压电薄膜驱动电路，输出相应的驱动电压，驱动压电薄膜产生期望的位移，使压电薄膜微穿孔板上的微孔孔径大小发生相应的改变，最终实现微穿孔板共振吸声结构的吸声系数的实时最优化。压电薄膜微穿孔板上的微孔可以在制作压电薄膜初期形成，也可以在后期通过打孔工艺加工而成；压电薄膜微穿孔板上的微孔可以根据入射噪声声波频率的变化在主动控制单元的调节下利用压电薄膜的压电效应来改变微孔孔径的大小，使得该压电薄膜微穿孔板共振吸声结构对不同频率的入射噪声声波的吸声系数均达到最优，拓宽了微穿孔板共振吸声结构的有效吸声频带。与已有技术相比，本发明具有以下优点1、本发明由于采用布满微孔的压电薄膜制作微穿孔板，形成具有主动控制模块的压电薄膜微穿孔板共振吸声结构。该吸声结构可随着入射噪声频率的变化，利用压电效应来调整压电薄膜微穿孔板上微孔孔径的大小，使得该吸声结构的有效吸声中心频率和带宽可以自适应调整，从而有效地拓宽了微穿孔板共振吸声结构的吸声频带。2、与传统的单层微穿孔板共振吸声结构相比，该压电薄膜微穿孔板共振吸声结构的有效吸声中心频率和带宽可以自适应调整，在低频、中频和高频全频段内均可以实时调整到最优吸声效果，更适合复杂环境的吸声降噪需求。3、与传统的多层复合微穿孔板共振吸声结构相比，仅用单层压电薄膜制作的压电薄膜微穿孔板共振吸声结构，既可以满足全频段吸声降噪的需求，同时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。4、本发明采用压电薄膜材料制作微穿孔板，不仅具有传统微穿孔板共振吸声结构的耐腐蚀、耐冲击、结构简单、轻巧、不含多孔性纤维材料等优点，还具有吸声频带宽、声阻抗易匹配、成本低廉、适用范围广等优势。
图1为本发明压电薄膜微穿孔板共振吸声结构侧视示意图；图2为本发明压电薄膜微穿孔板共振吸声结构局部立体示意图；图3为本发明压电薄膜微穿孔板共振吸声结构主动控制方法流程图；图4为针对本发明压电薄膜微穿孔板共振吸声结构在阻抗管中进行实验的原理示意图。图中标号1、压电薄膜微穿孔板；2、侧壁；3、空腔；4、刚性后壁；5、电路引线端； 6、噪声探测器；7、自适应控制器；8、压电薄膜驱动电路；11、微孔；12、压电薄膜；20、信号发生器；21、功率放大器；22、初级声源扬声器；24、阻抗管；25、第一传声器；26、第二传声器； 27压电薄膜微穿孔板共振吸声结构；28、噪声与振动分析软件平台。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明进行详细描述。如图1和图2所示，针对一个具体实施例，该压电薄膜微穿孔板共振吸声结构包括一布满微孔11的压电薄膜12构成的微孔孔径可调的压电薄膜微穿孔板1。压电薄膜微穿孔板1及其周边侧壁2和后壁4构成的空腔体即为压电薄膜微穿孔板共振吸声结构。噪声探测器6、自适应控制器7和压电薄膜驱动电路8等电路组件构成主动控制电路。主动控制电路与压电薄膜微穿孔板共振吸声结构两者构成自适应微穿孔板吸声器。所述噪声探测器6可以是单个测试传声器构成的单点式探头，也可以是多个测试传声器构成的多点分布式探测网。在本实施例中，所述噪声探测器6是杭州爱华公司型号 AWA14423的传声器配合型号AWA14604的传声器前置放大器组成的单点式探头，用于探测入射噪声的声压和频率特征。所述自适应控制器7具有高速、支持浮点运算的性能，以保证自适应控制算法的实时性。所述自适应控制器7可以是基于通用可编程DSP芯片(如TI公司生产的TMS320 系列)、高性能FPGA/CPLD芯片(如Altera公司生产的Startix系列，Xilinx公司生产的 Virtex系列)或者专用DSP芯片等设计的运算控制集成电路板。在本实施例中，所述自适应控制器7是基于TI公司生产的TMS320系列通用DSP芯片设计的运算控制集成电路板。所述压电薄膜驱动电路8是在自适应控制器7的实时控制下输出驱动电压，驱动压电薄膜12产生期望的伸缩形变。所述压电薄膜驱动电压一般不低于50V，具体电压大小与各类压电薄膜材料本身的压电响应特性密切相关。压电薄膜12可选择聚偏二氟乙烯压电膜、聚丙烯蜂窝压电膜、P (VDF-TFE-HFP)/PTFE双层压电膜、P(VDF-TrFE)共聚物压电薄膜或交联聚丙烯压电膜中的一种。参见图1、图2，本实施例中压电薄膜微穿孔板1上的微型孔11可以在制作压电薄膜12初期形成，也可以在后期通过打孔工艺加工而成；压电薄膜微穿孔板1正面暴露在垂直入射的声波中，背面为一空气腔；同时，压电薄膜微穿孔板通过电路引线端5与外部的压电薄膜驱动电路8进行连接，驱动压电薄膜12产生伸缩形变；压电薄膜驱动电路8与自适应控制器7相连，由自适应控制器发出相应的控制信号，控制压电薄膜驱动电路8输出合适大小的电压；自适应控制器7又与噪声探测器6相连，噪声探测器6正面暴露在垂直入射的声波中，用于探测入射噪声信号，并传输给自适应控制器7进行运算，产生相应的控制信号；压电薄膜12和外部的压电薄膜驱动电路8、自适应控制器7、噪声探测器6—起构成压电薄膜微穿孔板共振吸声结构的主动控制电路。如图3所示，针对上述压电薄膜微穿孔板共振吸声结构，本实施例的控制理论与方法是1、根据马大猷教授在《微穿孔板吸声结构的理论和设计》论文中的结论，假设初始时该压电薄膜微穿孔板共振吸声结构未进行主动调整，各结构参数(如微孔直径Cltl、微穿孔板厚度、、穿孔率P(l及初始共振频率fj已知，就可以推算出该结构的吸声性能(吸声系数％和频程(fVf^)。微穿孔板共振吸声结构的吸声特性参数——吸声系数％和频程 (Vf1)tl主要由微穿孔板结构的声质量Hltl和声阻Γ(ι来决定
权利要求
1.一种自适应微穿孔板吸声器，包括微穿孔板，其上均布微孔(11)，其特征在于所述微穿孔板为压电薄膜微穿孔板(1)，采用压电薄膜(12)制成，上设电路引线端(5)，所述电路引线端(5)与主动控制电路相联接，所述主动控制电路包括与电路引线端(5)依次相联接的压电薄膜驱动电路(8)、自适应控制器(7)和噪声探测器(6)；所述压电薄膜微穿孔板 (1)及其周边侧壁(2)和后壁(4)构成的空腔体即为压电薄膜微穿孔板共振吸声结构。
2.根据权利要求1所述的自适应微穿孔板吸声器，其特征在于所述压电薄膜 (12)选择聚偏二氟乙烯压电膜、聚丙烯蜂窝压电膜、P (VDF-TFE-HFP)/PTFE双层压电膜、 P (VDF-TrFE)共聚物压电薄膜或交联聚丙烯压电膜中的任一种。
3.根据权利要求1所述的自适应微穿孔板吸声器，其特征在于所述噪声探测器(6)为单个测试传声器构成的单点式探头，或是多个测试传声器构成的多点分布式探测网；所述自适应控制器(7)是基于通用可编程DSP芯片、高性能FPGA/CPLD芯片或是专用DSP芯片设计的运算控制集成电路板；所述压电薄膜驱动电路(8)在自适应控制器(7)的实时控制下输出驱动电压，驱动压电薄膜(12)产生期望的伸缩形变。
4.根据权利要求1所述的自适应微穿孔板吸声器，其特征在于所述压电薄膜微穿孔板(1)上的微孔(11)的面积范围为1000平方微米 700000平方微米；所述压电薄膜微穿孔板(1)的穿孔率范围为0. 59Γ5% ；所述压电薄膜微穿孔板(1)的厚度为0. 01毫米 5毫米。
5.根据权利要求1所述的自适应微穿孔板吸声器，其特征在于所述后壁(4)的材质为钢板、不锈钢板、铝板、合金板、塑料板、木板、胶合板、石膏板、玻璃板或纸板；所述侧壁(2) 采用刚性材料或弹性材料制作，刚性材料为钢板、不锈钢板、铝板、合金板、塑料板、木板、胶合板、石膏板、玻璃板或纸板；弹性材料为弹簧、软橡胶或柔性高分子材料。
6.根据权利要求1所述的自适应微穿孔板吸声器，其特征在于所述后壁(4)与压电薄膜微穿孔板(1)之间的空腔(3)厚度为1厘米 20厘米。
7.根据权利要求1所述的自适应微穿孔板吸声器的微孔实时调节方法，其特征在于Α)首先，噪声探测器实时探测入射噪声的频率B)然后，对于此频率入射噪声，自适应控制器推算出该微穿孔板共振吸声结构吸声降噪性能最优时的微孔孔径大小A假设压电薄膜微穿孔板初始孔径大小为式；C)再结合已知的压电薄膜响应特性，自适应控制器计算出将微孔从初始孔径式调整到J所需的控制电压大小，并发出相应的控制信号；D)最后，将此控制信号发送到压电薄膜驱动电路，输出相应的驱动电压，驱动压电薄膜产生期望的位移，使压电薄膜微穿孔板上的微孔孔径大小发生相应的改变，最终实现微穿孔板共振吸声结构的吸声系数的实时最优化。
全文摘要
本发明公开了一种自适应微穿孔板吸声器及其微孔实时调节方法，该吸声器包括微穿孔板，其上均布微孔；所述微穿孔板为压电薄膜微穿孔板，采用压电薄膜制成，上设连接压电薄膜电极的电路引线端，所述电路引线端与主动控制电路相联接，所述主动控制电路包括与电路引线端依次相联接的压电薄膜驱动电路、自适应控制器和噪声探测器；所述压电薄膜微穿孔板及其周边侧壁和后壁构成的空腔体为压电薄膜微穿孔板共振吸声结构。本发明利用压电薄膜的压电效应实时调整压电薄膜微穿孔板上微孔孔径大小，即可达到针对入射噪声声波特征实时优化微穿孔板共振吸声结构吸声系数，大幅扩展微穿孔板共振吸声结构的有效吸声频带的目的。
文档编号G10K11/172GK102332259SQ20111030849
公开日2012年1月25日 申请日期2011年10月12日 优先权日2011年10月12日
发明者刘友江, 孔德义, 孙文娟, 尤晖, 段秀华, 王焕钦, 钱玉洁, 陈池来, 陈然, 高理升 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院