雙自由度共振消聲器及其控制研究

陳龍虎　呂海峰　郭俊娜　張景惠　馬智宇

摘要： 提出一種具有可調雙消聲波峰的壓電式消聲器，可依據降噪要求來調節電壓和穿孔率大小，實現兩個低頻段的聲波吸收可調諧。運用Comsol聲固耦合模塊計算消聲結構參數對頻移特性影響的規律：?穿孔率減小，雙消聲峰向低頻偏移，第二消聲峰的幅值和頻率范圍明顯減小，反共振點位置不變;膜厚增加，第一階消聲峰值基本不變，第二階消聲峰值向低頻偏移。分析了不同加載電壓下的壓電薄膜位移變化情況，搭建實驗平臺測試不同電壓條件下結構的傳輸特性，基于逆壓電效應的壓電薄膜可以有效地抑制或增強膜的振動響應，改變反共振點位置，電壓由0增加到300 V，第一消聲峰值頻率向高頻偏移85 Hz，第二消聲峰向高頻域移動了125 Hz。

關鍵詞： 共振消聲器;?雙自由度;?壓電薄膜;?可調頻

中圖分類號： TB535.2 ???文獻標志碼： A ???文章編號： 1004-4523（2022）02-0426-08

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.018

引??言

低頻噪聲的特征譜線明顯，衍射能力強，能量衰減慢，對工業生產和人們生活環境帶來了很大的危害，低頻噪聲高效、穩定、持續的吸收和衰減一直是一個亟待解決的難題。近年來，利用超材料薄膜和人工周期結構來調整和控制聲波傳播的想法受到了廣泛的關注，對不同類型的聲學材料，如薄膜型超材料、空間折疊型超材料、聲學超表面等進行了深入的研究。這些超材料表現出有趣的聲學特性，如消聲、帶隙、負有效質量和負模量等。Huang將管路中的一段剛性壁替換為柔性薄膜，研究流管聲傳播特性;發現當聲波流經薄膜時，聲波的彈性與薄膜耦合，很大程度上降低管內波速，波速的驟降引起膜與剛性壁交界處發生了聲反射和散射。為了防止聲泄露，Huang在柔性薄膜外附加擴張腔室，通過無限個傅里葉積分表示導管內的聲場和腔，然后代入膜結構中來確定壓力場，但這種方法不具有一般性。Lawrie等采用模態匹配法計算了膜在與管道平齊的這一水平以上或以下位置時的消聲特性，結果顯示將膜向上提高一小段距離時，阻帶寬度增加了38%，隨著膜片在腔內位置增高，阻帶的頻率范圍發生偏移，諧振腔的聲輻射強度增大，聲傳輸損失曲線向膨脹腔靠近。

上述研究的被動消聲器結構設計一旦完成，其消聲能力便局限于特定的頻帶范圍，很難進行調節。主動聲學超材料可以通過調節材料內部屬性以及協同耦合外部介質來抑制低頻聲波，實現聲學響應的自適應控制。Choy等在自然通風條件下測量膜結構消聲器的插入損失，結果表明，在消聲器所需的最佳張力下，膜的湍流激振不會產生明顯的附加聲。Yu等在剛性管道側壁上搭建了一組由諧振器組合而成的聲學超材料結構，通過改變施加在壓電薄膜上的電壓調節由此產生的衰減帶，多個衰減帶結合起來可以實現寬頻帶消聲效果。Chen等通過控制電路實現負有效剛度，利用機械和電子元件調節超材料剛度，進而實現聲波可調諧。

然而，到目前為止提出的大多數主動消聲結構的調頻帶寬相對較小，欲消除多個頻段上的具有一定帶寬的噪聲，則需要多個調頻裝置串聯，結構較為冗雜。本文提出的穿孔管與膜片耦合的消聲結構存在兩個可調消聲波峰，可以針對兩個可調頻段的聲波進行有效地衰減，并且兩個消聲峰值具有一定的帶寬。