CN112150998A - 多工作状态可切换的声学*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多工作状态可切换的声学***，包括受体部、执行部以及控制部，所述受体部、控制部分别作为声学***的前端、后端，所述执行部连接受体部和控制部，所述受体部包括受体单元，所述受体单元包括框架以及分别安装在框架两侧的第一薄片、第二薄片且第一薄片和第二薄片之间形成容纳腔室，所述执行部包括驱动件以及引线，所述驱动件安装在第一薄片和第二薄片之间，所述引线分别与驱动件的正极、负极电连接，本发明中控制部通过调节驱动件上的电荷分布，实现受体单元两侧声阻抗的定量调控，实现对声学***透射系数、反射系数和吸声系数的调整，能够应用于多种场景，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及声学材料应用领域，具体地，涉及一种多工作状态可切换的声学***。
背景技术
声学材料广泛应用于建筑、交通、能源、电器、检测以及通讯等领域。按照有无外部源，例如力源、电源、磁源等，声学材料一般可分为无源声学材料和有源声学材料两类。其中，无源声学材料的机械阻抗由其构成材料和结构形式共同决定，一旦构成材料选定并加工成型，其机械阻抗就无法改变，从而导致透射系数、反射系数和吸声系数无法随着应用场景的变化而灵活调整。有源声学材料正是为了克服无源声学材料的这一不足而被提出。有源声学材料主要依靠外部源供能，进而驱动诸如由气动液压部件、压电材料、电磁感应结构、形状记忆合金、磁致伸缩材料等构成的执行***对声学材料的机械阻抗进行定量调控，最终实现对声学材料透射系数、反射系数和吸声系数的调整。
然而，现有的有源声学材料大多仅能针对某一项声学特性，局限在声学材料的单一工作状态进行调整。例如，局限于声学材料的吸声状态，仅能够在一定范围内改变声学材料的吸声系数峰值频率以应对具有变化频率特征的吸声应用场景。当前，随着声学材料应用场景的复杂程度不断增加，亟需一种功能多样，可针对多项声学特性进行多个工作状态有效调整的声学材料。
专利文献CN107039031A公开了一种声斜入射全透射的实现方法，其中声子晶体模型在XM方向具有固定的狄拉克点，当橡胶为正方体柱，其边长为0.38a时，产生一个约化频率wD＝0.7671(2πv0/a)的狄拉克点，该狄拉克点频率在其他位置都存在着禁带，即当声波以8.8°角度入射到声子晶体中时，该声波不发生发散，能够发生全透射，但该设计不能进行更多工作状态的调节。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多工作状态可切换的声学***。
根据本发明提供的一种多工作状态可切换的声学***，包括受体部、执行部以及控制部；
所述受体部作为声学***的前端，所述控制部作为声学***的后端，所述执行部连接受体部和控制部。
优选地，所述受体部能够呈现声学***的工作状态，包括受体单元，所述受体单元的数量为一个或多个；
所述受体单元包括框架、第一薄片以及第二薄片，所述第一薄片、第二薄片分别安装在框架的两侧。
优选地，所述第一薄片和第二薄片之间形成容纳腔室；
所述容纳腔室能够填充空气、稀有气体和/或多孔材料。
优选地，所述多孔材料包括玻璃纤维棉、海绵、泡沫中的任一种或任多种组合。
优选地，所述执行部包括施加于受体部的驱动件以及承接控制部的引线；
所述驱动件安装在第一薄片和第二薄片之间，所述引线分别与驱动件的正极、负极电连接。
优选地，所述驱动件上设置有重量块。
优选地，所述驱动件采用机电换能材料，所述机电换能材料包括压电陶瓷、压电薄膜、电磁感应线圈中的任一种或任多种。
优选地，所述控制部包括控制电路；
所述控制电路连接一个或多个执行部。
优选地，当声音由受体单元的一侧传递到受体单元的另一侧时，所述控制部通过调节执行部中的驱动件能够改变受体单元的声阻抗进而能够实现声波在受体单元中的全透射、全反射或全吸收。
优选地，当容纳空腔的厚度d远小于声音的入射波长λ,即
时，则有：
其中，τ为透射系数，γ为反射系数，
为第一薄片的声阻抗，
为第二薄片的声阻抗，
为容纳空腔的声阻抗，Z0为空气的声阻抗，Z2为第二薄片的声阻抗；
当满足τ＝0,γ＝0时，实现受体单元声音全吸收的条件为：
其中，
为第一薄片的声阻抗，
为第二薄片1122的声阻抗，Z0为空气的声阻抗，k0＝ω/c0为波数，ω为入射声波的角频率，c0为空气中的声速，d为容纳空腔的厚度，
为第二薄片的声阻抗，j为虚数单位；
当满足γ＝0,τ＝1，实现受体单元声音全透射的条件为：
当满足γ＝1,τ＝0，实现受体单元声音全透射的条件为：
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明中的声学***能够对声学材料的机械阻抗进行定量调控，最终实现对声学材料透射系数、反射系数和吸声系数的调整，解决了现有技术中声学材料仅能实现单一工作状态调整的局限，本发明实现功能多样，实现了对多项声学特性进行多个工作状态有效调整，能够适应多种应用场景的需求，实用性强。
2、本发明中的声学材料厚度小(不超过10mm)，可贴附在物体表面，适用于对安装尺寸有要求的应用场景，能够在有限的空间内实现对声音的控制。
3、本发明的声学***能够对声学材料的机械阻抗进行定量调控，最终实现对声学材料工作频率的控制，解决了现有技术中声学材料工作频段单一、狭窄的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为受体单元的立体结构示意图；
图2为本发明的整体构成框图；
图3为受体单元的结构***示意图；
图4为本发明多工作状态控制逻辑图；
图5为受体单元的侧视图。
图中示出：
受体部1 引线22 第一薄片1121
执行部2 重量块23 第二薄片1122
控制部3 框架111 容纳腔室113
驱动件21
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种多工作状态可切换的声学***，如图1-图4所示，包括受体部1、执行部2以及控制部3，所述受体部1作为声学***的前端，所述控制部3作为声学***的后端，所述执行部2连接受体部1和控制部3，所述受体部1能够呈现声学***的工作状态，包括受体单元，所述受体单元的数量为一个或多个，所述控制部3包括控制电路，所述控制电路与一个或多个执行部2连接。在一个优选例中，所述控制电路通过第二引线与一个或多个执行部2连接。
具体地，所述控制部3还包括可调电阻器与电容器、运算器，在实际应用中，根据具体应用场景的不同，例如工作频率、作用带宽、实现状态等，在运算器、可调电阻器与电容器、控制电路的配合下发出控制命令并输出到执行部，进而满足不同应用场景的需求。
进一步地，如图1、图3所示，所述受体单元包括框架111、第一薄片1121以及第二薄片1122，所述第一薄片1121、第二薄片1122分别安装在框架111的两侧，所述第一薄片1121和第二薄片1122之间形成容纳腔室113，其中，所述容纳腔室113能够填充空气、稀有气体和/或多孔材料，所述多孔材料包括玻璃纤维棉、海绵、泡沫中的任一种或任多种组合。
具体地，如图1、图3所示，所述执行部2包括施加于受体部1的驱动件21以及承接控制部3的引线22，所述驱动件21安装在第一薄片1121和第二薄片1122之间，在实际应用中，驱动件21的安装存在多种情况，可以是所述驱动件21安装在第一薄片1121朝向容纳腔室113一侧的表面，也可以是所述驱动件21安装在第二薄片1122朝向容纳腔室113一侧的表面，还可以是所述驱动件21安装在第一薄片1121和第二薄片1122之间且驱动件21的两侧分别与第一薄片1121、第二薄片1122接触，在具体地应用中根据实际场景进行选择。所述引线22分别与驱动件21的正极、负极电连接。其中，所述驱动件21采用机电换能材料，所述机电换能材料包括压电陶瓷、压电薄膜、电磁感应线圈中的任一种或任多种。
具体地，如图1、图3所示，在一个优选例中，所述驱动件21上设置有重量块23，重量块23能够增加驱动件21的重量，起配重效果，重量块23优选质量小于或等于40g的重量块。
本发明的工作原理如下：
如图1-图5所示，声音由x轴正向或负向入射到声学***，受体单元声音入射的一侧的表面声阻抗为Z1,受体单元另一侧的表面声阻抗为Z2。控制部3通过调节执行部2中驱动件21的电荷分布，改变驱动件21的机械属性。由于驱动件21固定安装于受体单元的两个薄片112之上，受体单元的声阻抗Z1、Z2会产生定量的变化。当受体单元的两侧声阻抗同时达到特定的预设值时，受体单元表现出特定的声学特性，如全透射、全反射或全吸收。例如表1中所示，当控制部3通过调节驱动件21上的电荷分布，使得受体单元两侧的声阻抗Z1、Z2分别为特定值Za＝Z0+jZ0cot(k0d)、正无穷时，受体单元的整体宏观声学特性表现为全吸收状态，即入射声波被材料完全吸收，几乎不发生反射与透射；而当控制部3通过调节驱动件21上的电荷分布，使得受体单元两侧的声阻抗Z1、Z2均为0时，受体单元的整体宏观声学特性表现为全透射状态，即入射声波可以无视声学***，全部透射到另一端，而不会被反射和吸收。
具体地，现定义薄片与容纳腔室113接触一侧为内侧，则图4中的
表示：第一薄片1121外侧的表面声速，
表示：第一薄片1121外侧的表面声压，
表示：第一薄片1121内侧的表面声速，
表示：第一薄片1121内侧的表面声压，
表示：第二薄片内侧的表面声速，
表示：第二薄片1122内侧的表面声压，
表示：第二薄片1122外侧的表面声速，
表示：第二薄片1122外侧的表面声压。用
表示第一薄片1121与第二薄片1122的声阻抗，则薄片两侧表面声速和声压的关系可以用传递矩阵Ti(i＝1,2)表示：
当容纳空腔113的厚度d远小于入射波长λ,即
时，容纳空腔113的声阻抗
可以表示为集总参数的声阻抗：
其中k0＝ω/c0为波数，ω为入射声波的角频率，c0为空气中的声速，d为容纳空腔113的厚度，
为第二薄片1122的声阻抗，j为虚数单位，Z0为空气的声阻抗，容纳空腔113的传递矩阵Tc可表示为：
则受体单元的整体传递特性T可表示为：
其中，
为第一薄片1121的声阻抗，T1为第一薄片1121的传递矩阵，T2为第二薄片1122的传递矩阵，若容纳空腔113的厚度d远小于入射波长时，则有：
其中，τ为透射系数，γ为反射系数，Z0为空气的声阻抗，Z2为第二薄片1122的声阻抗。
全吸收：
要使声能吸收系数α＝1，即实现全吸收，需要满足τ＝0,γ＝0，将该条件带入式(5)，可得全吸收的声学条件，即当且仅当：
时可以实现声能的全吸收。当第二薄片1122的声阻抗趋近于无穷时，带入式(2)，空腔113的声阻抗可简化为：
因此全吸收对第一薄片1121的声阻抗
和第二薄片1122的声阻抗
的要求为：
全透射：
要实现声能的全透射需满足γ＝0,τ＝1，实现全透射可退化为第一薄片1121和第二薄片1122均满足声阻抗为0，将
带入式(2)，得到：
将
和式(9)带入式(5)得到：
τ＝1
γ＝0 (10)
全反射：
若想实现声能的全反射γ＝1,τ＝0，只需第一薄片1121实现阻抗无穷大，即
综上所述，可总结声学材料的多工作状态控制逻辑图如图2中的呈现状态所示。
具体地，在本发明中，当驱动件为压电材料时,则驱动件的柔度系数矩阵
可写作：
其中，E表示电场强度矢量，sE表示压电片恒电场情况下的柔度矩阵,d表示压电应变常数矩阵,
表示归一化电阻抗，εT表示介电常数，ZE表示压电片与并联电路的总阻抗矢量，ZED表示压电片自身电阻抗矢量，用D表示电位移矢量。
如图5所示，压电材料有多种运动模式，本实施例以13运动方向为例。当压电片受到1方向的力时，根据正向压电效应，压电片在3方向产生电势差。此时，式(11)中的驱动件的柔度系数矩阵
用
表示：
其中，sE11表示压电片11方向柔度系数，k13表示压电片13方向机电耦合系数，
特别地，当压电片并联电路开路时，
此时开路柔度系数矩阵可表示为：
由机械阻抗的定义
σ表示应力张量，A表示各方向面积的矢量，ε表示应变张量，L表示各方向厚度的矢量，s为复变量jω，定义归一化机械阻抗
为：
其中，ZM表示压电片并联电路后的机械阻抗，ZMD表示压电片的开路机械阻抗，
表示开路情况下压电片的柔度系数，
表示并联电路后压电片的柔度系数。
用Koc表示没有外接电路时，压电片的模态刚度，则压电片此时的机械阻抗表示为：
其中，ω为入射声波的角频率，j为虚数单位。
因此，压电片在3方向并联电路的控制下，所等效的机械阻抗
可表示为：
其中，
表示开路情况下压电片的机械阻抗，
表示压电片归一化机械阻抗。
为了实现第一薄片与第二薄片的声阻抗变换，将控制部与执行部的驱动件(机电换能材料)通过引线连接。控制部通过调节压电片与并联电路的总阻抗矢量ZE对驱动件的机械阻抗
进行调控。用
表示薄片自身的机械阻抗，则薄片与驱动件构成的***所呈现的机械阻抗ZM为：
而薄片的声阻抗ZA与ZM存在关系：
其中，
为振型补偿系数，M为压电片的模态质量，ω为入射声波的角频率，j为虚数单位，K为与压电片相连薄片的模态刚度，η为薄片的阻尼比。
因此，本发明中的控制部可以通过调节压电片并联的电阻抗，实现
的调节，进而对第一薄片与第二薄片声阻抗ZA进行调控，使得受体部1在图4所示的声学状态间进行切换。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种多工作状态可切换的声学***，其特征在于，包括受体部(1)、执行部(2)以及控制部(3)；
所述受体部(1)作为声学***的前端，所述控制部(3)作为声学***的后端，所述执行部(2)连接受体部(1)和控制部(3)。
2.根据权利要求1所述的多工作状态可切换的声学***，其特征在于，所述受体部(1)能够呈现声学***的工作状态，包括受体单元，所述受体单元的数量为一个或多个；
所述受体单元包括框架(111)、第一薄片(1121)以及第二薄片(1122)，所述第一薄片(1121)、第二薄片(1122)分别安装在框架(111)的两侧。
3.根据权利要求2所述的多工作状态可切换的声学***，其特征在于，所述第一薄片(1121)和第二薄片(1122)之间形成容纳腔室(113)；
所述容纳腔室(113)能够填充空气、稀有气体和/或多孔材料。
4.根据权利要求3所述的多工作状态可切换的声学***，其特征在于，所述多孔材料包括玻璃纤维棉、海绵、泡沫中的任一种或任多种组合。
5.根据权利要求2所述的多工作状态可切换的声学***，其特征在于，所述执行部(2)包括施加于受体部(1)的驱动件(21)以及承接控制部(3)的引线(22)；
所述驱动件(21)安装在第一薄片(1121)和第二薄片(1122)之间，所述引线(22)分别与驱动件(21)的正极、负极电连接。
6.根据权利要求5所述的多工作状态可切换的声学***，其特征在于，所述驱动件(21)上设置有重量块(23)。
7.根据权利要求5所述的多工作状态可切换的声学***，其特征在于，所述驱动件(21)采用机电换能材料，所述机电换能材料包括压电陶瓷、压电薄膜、电磁感应线圈中的任一种或任多种。
8.根据权利要求1所述的多工作状态可切换的声学***，其特征在于，所述控制部(3)包括控制电路；
所述控制电路连接一个或多个执行部(2)。
9.根据权利要求5所述的多工作状态可切换的声学***，其特征在于，当声音由受体单元的一侧传递到受体单元的另一侧时，所述控制部(3)通过调节执行部(2)中的驱动件(21)能够改变受体单元的声阻抗进而能够实现声波在受体单元中的全透射、全反射或全吸收。
10.根据权利要求9所述的多工作状态可切换的声学***，其特征在于，当容纳空腔(113)的厚度d远小于声音的入射波长λ,即
时，则有：
其中，τ为透射系数，γ为反射系数，
为第一薄片(1121)的声阻抗，
为第二薄片(1122)的声阻抗，
为容纳空腔(113)的声阻抗，Z0为空气的声阻抗，Z2为第二薄片1122的声阻抗；
当满足τ＝0,γ＝0时，实现受体单元声音全吸收的条件为：
其中，
为第一薄片(1121)的声阻抗，
为第二薄片(1122)的声阻抗，Z0为空气的声阻抗，k0＝ω/c0为波数，ω为入射声波的角频率，c0为空气中的声速，d为容纳空腔(113)的厚度，
为第二薄片(1122)的声阻抗，j为虚数单位；
当满足γ＝0,τ＝1，实现受体单元声音全透射的条件为：
当满足γ＝1,τ＝0，实现受体单元声音全透射的条件为：
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140354112A1 (en) * | 2013-05-31 | 2014-12-04 | GM Global Technology Operations LLC | Piezoelectric resonators for reduction of noise and vibration in vehicle components |
| CN109493840A (zh) * | 2018-12-06 | 2019-03-19 | 南京航空航天大学 | 基于永磁铁斥力作用的可调双层薄膜板声学超材料结构 |
-
2020
- 2020-11-04 CN CN202011216756.1A patent/CN112150998A/zh active Pending
Patent Citations (2)
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