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微穿孔板吸声体是我国声学专家马大猷教授提出的,它是由穿孔直径在1毫米以下的薄板和板后空腔组成的共振吸声结构。与多孔吸声材料相比,微穿孔板吸声体具有不受材料限制、能够适应高温高湿、高速气流等恶劣环境、经久耐用、清洁无污染等优点,因而被广泛应用于噪声控制的各个领域,被誉为21世纪理想的绿色吸声材料。
普通单层微穿孔板吸声体的结构参数固定以后,吸声频带有限(约为1~2个倍频程),难以应对复杂的噪声环境。拓展频带宽度的有效方法是设计两层或多层的微穿孔板结构,但这种做法无疑提高了结构的复杂度,增加了制造成本;另一种方法是进一步缩小微穿孔板吸声体的穿孔直径,根据马氏理论,当孔径减小到丝米量级(小于0.1mm),有望达到微穿孔板吸声体频带宽度的极限(约3~4个倍频程),但相应的打孔密度会大大增加,传统的打孔工艺成本较高,不适于批量化生产。同时随着穿孔直径的减小,微穿孔板吸声体的共振峰朝高频移动,对低频噪声的吸收能力相对减弱。增大微穿孔板背后的空腔深度可以改善其低频性能,但实际工程应用中,由于空间距离条件的制约,单层微穿孔板吸声体低频段的吸声性能仍然不足。
本文重点围绕拓展单层微穿孔板吸声体的频带宽度,尤其是低频的吸声频带,展开相关的研究。
主要的研究内容包括以下几个方面:
1.有效吸声频带宽度是微穿孔板吸声体吸声性能的主要评价指标,由自身的结构参数决定。本文通过MATLAB数值仿真,分析了微穿孔板吸声体的各结构参数对频带宽度的影响。然后运用MEMS技术加工了不同孔径的超微孔硅基微穿孔板,并在驻波管中测试它们的垂直入射吸声系数,实验发现其有效吸声频带宽度是常规孔径微穿孔板吸声体的2倍以上。
2.超微孔硅基微穿孔板吸声体频带宽度增加了,但随着穿孔直径的减小,其共振峰朝高频移动,对低频噪声的吸收能力减弱。因此本文提出了基于PVDF压电薄膜的微穿孔板吸声体(PVDF-MPPA),PVDF压电薄膜具有良好的柔性,入射声波的作用会引起薄膜的振动。利用薄膜的振动效应和微穿孔效应的耦合作用可以提高低频的吸声性能。基于有限柔性微穿孔板理论,设计合理的PVDF-MPPA结构参数,并根据设计的结构参数加工了实验样品,对实验样品的垂直入射吸声系数进行了测试,结果发现其有效吸声频带确实拓宽了。
3.基于PVDF压电薄膜的柔性微穿孔板,不仅具有良好的柔性,而且具有独特的压电效应。结合压电分流阻尼技术,在PVDF-MPPA两端接入分流电路可以进一步拓展低频的吸收频带。根据Hagood和Von Flotow提出的压电分流结构的数学模型和参数优化方法,设计了针对单个模态的纯电阻电路以及共振分流电路;并在驻波管中测试了PVDF-MPPA在分流电路开路、短路、接入纯电阻分流电路、共振分流电路条件下的吸声系数曲线,实验发现:通过调节分流电路的参数,进一步拓展了PVDF-MPPA在某个低频段的吸声频带。
4.利用PVDF压电薄膜的压电效应,也可以将其应用于主动噪声控制领域(ANC)。文中阐述了经典ANC的基本原理以及研究现状,并针对PVDF-MPPA这一具体结构,提出了相应的主动噪声控制方案。将PVDF-MPPA的被动吸声与主动噪声控制结合,有望显著提升单层微穿孔板吸声体对宽频噪声的吸收能力。