压电微穿孔板吸声体的主动吸声研究

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微穿孔板吸声体是一种常用的共振吸声结构,由具有一定厚度的板和板后的背腔构成。通常板的穿孔直径在1毫米以下,背腔则采用声学刚性的材料制作。与多孔吸声材料相比,微穿孔板吸声体的质量较轻,不受到制作的材料限制,可以适用于高湿、高温、高速气流冲击等一系列恶劣的环境,吸声性能长久稳定,自身清洁无污染,因而具有广泛的应用领域,也使得其成为目前最有应用潜力的绿色环保型吸声材料。  然而结构参数确定的传统的微穿孔板吸声体,吸声频带有限,难以满足复杂的噪声环境的应用需求。改善吸声体声学性能的传统方法,比如组合微穿孔板,通常会受到实际应用环境中空间距离的限制。结合压电分流阻尼技术的半被动噪声控制改善吸声体声学性能的方法,引入的吸声峰自由可调,但是吸声频带一般较窄。结合经典有源噪声控制方法的微穿孔板复合吸声结构,控制系统一般比较复杂,结构造价较为昂贵。本文使用压电PVDF薄膜(聚偏氟乙烯)制作成微穿孔板,同时结合刚性背腔使用,组成压电PVDF微穿孔板吸声体。一方面材料本身具有柔性,可以利用板振动效应改善结构的吸声性能,另一方面材料自身具有压电性,可以利用压电吸声主动控制的方法进一步改善结构的声学性能。有望开发出轻薄、智能、宽频带的微穿孔板复合吸声结构。  本文重点围绕利用压电PVDF主动吸声控制的方法改善微穿孔板吸声体声学性能的问题展开相关研究,文章主要的研究工作包括以下几个方面的内容:  1.根据Bao和Varadan等人的提出的声电类比等效电路模型[24],分析了压电PVDF微穿孔板的吸声控制方法,提出了实施压电PVDF微穿孔板吸声体复合吸声的具体设想;利用Photiadis等人提出的用于压电材料声电类比分析的集中参数理论[27],分析了压电PVDF微穿孔板复合吸声结构的声电类比简化模型,推导出外加激励电压与额外增加声阻抗之间的关系,进而给出结构吸声系数的计算公式,为探究利用交流激励电压信号控制压电PVDF实现声阻抗匹配的可行性实验奠定了理论基础。  2.设计压电驱动电路系统时,首先根据进行压电PVDF主动吸声实验时所需激励电压信号与入射声波的关系,确定了驱动电路输出电压信号的频率和相位的可调范围,通过查询并测定了实验使用的压电PVDF的耐压值,确定了输出电压信号幅值的可调范围;其次是确立了使用信号源、普通功率放大电路搭配音频升压变压器的方案提供驱动信号,以满足对输出电压信号频率、幅值以及相位的要求;最后,测定了压电驱动电路输出主频率电压信号的可调范围。  3.开展了利用交流激励信号控制压电PVDF实现声阻抗匹配的可行性的实验研究。首先,分析了实验所涉及的相关声学量和电学量,确定具体的实验方案;其次,固定扬声器信号,测试单层压电PVDF薄板共振吸声体和单层压电PVDF微穿孔板吸声体的声学性能随声压信号的变化规律;然后,固定扬声器信号,测试双层压电PVDF微穿孔板吸声体在四种激励电压施加方式下吸声性能随声压信号的变化情况;最后,利用简化模型分析了施加声信号对应频率电压和声信号非对应频率电压时吸声系数的变化规律,并针对具体的实验结果进行了讨论和总结,提出了基于压电材料非对应频率激励的主动宽频带吸声控制的设想。
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