CN113012673B - 一种吸声频带可调的吸声体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种吸声频带可调的吸声体，涉及低频吸声技术领域，包括依次连接的盒顶、盒体和盒底，盒体内依次装有吸声海绵层、曲面变形吸声结构和自动振动吸声结构；吸声海绵层位于盒顶内顶壁；曲面变形吸声结构和自动振动吸声结构的个数为多个；曲面变形吸声结构包括柔性基体层、片状电极、控制***和电源，片状电极的个数为多个，多个片状电极呈矩阵排列分布在柔性基体层的两面或一面，柔性基体层为离子交换膜层；所述片状电极与电源连接，电源与控制***连接，致使柔性基体层发生形变。本发明的有益效果在于：本发明中的吸声频率可调的吸声体结构简单、尺寸小，且吸声性能可调。
Description
技术领域
本发明涉及低频吸声技术领域，具体涉及一种吸声频带可调的吸声体。
背景技术
低频振动噪声在现代社会中普遍存在，例如伴随着泵、风机等旋转机械的旋转噪声；发动机等动力机械的低阶谐振频率导致的辐射噪声等。对于这些噪声的控制和处理研究贯穿了整个工业发展。传统的多孔吸声材料满足线性响应理论，其内部噪声衰减与频率正相关，因此，对中高频噪声有较好的吸隔声效果，而对低频噪声的吸收效率非常低下。近年来，声子晶体和超材料的发展为低频噪声吸收注入了新的生机，为实现亚波长吸声结构提供了重要途径。
此外，通常的无源吸声结构只能在特定频率范围下实现最佳性能，频带设计因受材料、结构的限制而优化空间极为有限。而现有研究中具有较为突出吸声性能的吸声体，往往都具有复杂的内部结构，且一旦制备出来，吸声性能就不能改变。如公开号为CN101727894A的专利公开一种内置共振腔体的复合吸声单元。这一点在很大程度上与先进设备的自适应设计方向相违背。伴随着薄膜型超材料的发展，在声学***中引入柔性智能材料成为近几年快速发展进来的前沿研究方向。目前探索较多的柔性智能材料主要有压电聚合物PVDF，DE驱动器以及磁流变弹性体。
离子聚合物-金属复合材料(Ionic Polymer-Metal Composites，IPMC)，为柔性智能材料，是一种典型的离子型电致动聚合物。目前仍没有关于其吸声性能方面的研究和应用。现有研究表明，IPMC在机械力作用下，内部离子和溶剂可以产生定向迁移，从而在两片电极间产生电势差(即产生电能损耗)，且IPMC内部具有无数微纳米跨尺度孔隙及电极颗粒(利于产生热能损耗)，这些特点都正面或侧面证明了IPMC在低频可调吸声领域的应用潜力。
发明内容
本发明针对现有技术中低频吸声体笨重、尺寸大、结构复杂及吸声体一旦制备出来，其吸声性能难以改变等瓶颈问题，提供一种基于柔性智能材料的吸声频率可调的吸声体。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种吸声频率可调的吸声体，包括依次连接的盒顶、盒体和盒底，所述盒体内依次装有吸声海绵层、曲面变形吸声结构和自动振动吸声结构；
所述吸声海绵层位于盒顶内顶壁；所述曲面变形吸声结构和自动振动吸声结构的个数为多个；
所述曲面变形吸声结构包括柔性基体层、片状电极、控制***和电源，所述片状电极的个数为多个，多个片状电极呈矩阵排列分布在柔性基体层的两面或一面，所述柔性基体层为离子交换膜层；所述片状电极与电源连接，所述电源与控制***连接，致使柔性基体层发生形变。
有益效果：柔性基体层和片状电极形成IPMC结构，将电极外接电源，电源与控制***连接，控制***对电极施加电压，片状电极间产生电势差，使得柔性基体中的阳离子和水向阴极移动，从而使IPMC结构发生厘米级柔性形变。通过对电极施加不同的电压来控制IPMC结构的变形，可以改变吸声体的结构，从而改变整体结构的吸声频段。
使用控制***对将多个片状电极施加不同的电压，使每个IPMC曲面变形步调不统一，可使得柔性基体膜产生复杂曲面变形，进一步增加吸声频率范围。本发明中的吸声频率可调的吸声体结构简单、尺寸小，且吸声性能可调。
优选地，所述自动振动吸声结构包括并列间隔设置的IPMC条状薄膜。
有益效果：自由振动吸声结构的低频吸声特性结合能量转换定律将声能转换成了附加在IPMC膜上的机械能，再由IPMC将机械能转化为电能。不仅实现了吸声降噪的功能，还将无用的噪音能量转换为了有用的电能，实现了能量的再利用。利用IPMC的电致动特性结合低频吸声特性，通过对其通电产生复杂变形来改变其吸收声音的频段从而满足不同的低频吸声要求。
优选地，所述自由振动吸声结构由两列IPMC条状薄膜组成，每列中设置多行IPMC条状薄膜，两列一IPMC条状薄膜之间设有间隙，每行IPMC条状薄膜之间设有间隙。
优选地，所述片状电极的表面呈椭圆形、半圆形等非对称图形结构。
有益效果：非对称结构对于提升吸声效果有重要作用。
优选地，所述吸声频率可调的吸声体还包括保水封装层，所述保水封装层包裹在柔性基体层和片状电极外。
有益效果：IPMC在电致动过程中易失水，采用保水封装层对其进行包裹，防止其失水。
优选地，所述柔性基体层的长度为5～50mm，宽度为5～50mm，所述电极与IPMC薄膜接触的表面积占IPMC薄膜的表面积的比例为20-80％。
优选地，所述曲面变形吸声结构和自动振动吸声结构的个数分别为两个，从盒顶到盒底内依次为吸声海绵层、曲面变形吸声结构、自动振动吸声结构、曲面变形吸声结构、自动振动吸声结构。
优选地，所述离子交换膜层选自Dupont公司的Nafion系列离子交换膜、AsahiChemical公司的Aciplex系列离子交换膜、Asahi Glass公司的Flemion系列离子交换膜或SolvaySolexis公司的Aquivion系列离子交换膜。
优选地，所述片状电极的电极材料为Pd、Au、Ag、Cu、碳黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。
优选地，所述电源施加的电压为1-10V。
优选地，所述曲面变形吸声结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)对基体膜进行清洗、除杂、糙化预处理后，用掩膜材料对柔性基体层未分布片状电极的部分进行掩膜处理，将电极材料电镀在未掩盖掩膜材料的柔性基体层上，形成片状电极；
(2)取下掩膜材料，将片状电极与电源及控制***连接。
有益效果：本发明制备方法简单。
优选地，所述掩膜材料为透明胶、有机玻璃夹板或聚四氟乙烯夹板。
优选地，在形成片状电极后，采用保水封装层对柔性基体层和片状电极进行封装。
优选地，所述保水封装层的材料为聚四氟乙烯和硅橡胶。
优选地，采用针板在片状电极上进行扎孔，形成周期性微米级孔洞。
优选地，所述片状电极上所扎孔为上下穿孔，每个孔的尺度在100um-4mm
有益效果：降低曲面变形吸声结构的整体刚度，有利于变形；微穿孔内空气振动会增加声波损耗，有利于IPMC单元体吸声层的吸声效果。
优选地，所述盒顶、盒体、盒底的材质均为金属材料或非金属材料。
优选地，所述金属材料包括铝板、镀锌板或不锈钢板。
有益效果：上述金属材料本身的隔声性能较优，不仅能满足低频吸声的要求，且其计权隔声量一般不低于30dB，能满足常规隔声降噪要求，可满足吸声、隔声综合降噪要求。
优选地，所述非金属材料包括塑料板或石膏板。
有益效果：可以为吸声单元的骨架起到支撑作用。
优选地，所述吸声频率可调的吸声体的个数为多个。
有益效果：多个吸声频率可调的吸声体自由排列或整列排列放置在空间内，对环境进行吸声处理。
本发明的优点在于：
柔性基体层和片状电极形成IPMC结构，将电极外接电源，电源与控制***连接，控制***对电极施加电压，片状电极间产生电势差，使得柔性基体中的阳离子和水向阴极移动，从而使IPMC结构发生厘米级柔性形变。通过对电极施加不同的电压来控制IPMC结构的变形，可以改变吸声体的结构，从而改变整体结构的吸声频段。
使用控制***对将多个片状电极施加不同的电压，使每个IPMC曲面变形步调不统一，可使得柔性基体膜产生复杂曲面变形，进一步增加吸声频率范围。本发明中的吸声频率可调的吸声体结构简单、尺寸小，且吸声性能可调。
自由振动吸声结构的低频吸声特性结合能量转换定律将声能转换成了附加在IPMC膜上的机械能，再由IPMC将机械能转化为电能。不仅实现了吸声降噪的功能，还将无用的噪音能量转换为了有用的电能，实现了能量的再利用。利用IPMC的电致动特性结合低频吸声特性，通过对其通电产生复杂变形来改变其吸收声音的频段从而满足不同的低频吸声要求。
附图说明
图1为本发明实施例1中曲面变形吸声结构的结构示意图；
图2为本发明实施例1中吸声频率可调的吸声体的***结构示意图；
图3为本发明实施例1中自由振动吸声结构的结构示意图；
图4为本发明实施例1中曲面变形吸声结构未施加电压的吸声性能测定结果图；
图5为本发明实施例1中曲面变形吸声结构施加电压时的吸声性能测定结果图；
图中：盒顶11；盒体12；盒底13；吸声海绵层14；曲面变形吸声结构15；柔性基体层151；片状电极152；导线153；自动振动吸声结构16；IPMC条状薄膜161；弹性胶带层17。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
吸声频率可调的吸声体，如图1-图3所示，包括依次连接的盒顶11、盒体12和盒底13，盒体12内依次装有吸声海绵层14、曲面变形吸声结构15和自动振动吸声结构16。
如图2所示，盒顶11、盒体12和盒底13上设置对应的螺纹孔，通过螺栓将盒顶11、盒体12和盒底13连接，盒顶11、盒体12和盒底13连接后呈长方体状。盒顶11、盒体12、盒底13的材质均为金属材料或非金属材料，金属材料可以为但不仅限于铝板、镀锌板或不锈钢板，非金属材料可以为但不仅限于塑料板或石膏板。
吸声海绵层14位于盒顶11内顶壁，吸声海绵层14与盒顶11内顶壁之间无空隙，可以用双面胶将吸声海绵层14粘于盒顶11内顶壁。
曲面变形吸声结构15和自动振动吸声结构16的个数为多个，本实施例中曲面变形吸声结构15和自动振动吸声结构16的个数分别为两个，从盒顶11到盒底13内依次为吸声海绵层14、曲面变形吸声结构15、自动振动吸声结构16、曲面变形吸声结构15、自动振动吸声结构16。曲面变形吸声结构15、自动振动吸声结构16均通过双面粘合的弹性胶带层17夹合。
如图1所示，曲面变形吸声结构15包括柔性基体层151、片状电极152、控制***(图未示)和电源(图未示)，片状电极152的个数为多个，多个片状电极152呈矩阵排列分布在柔性基体层151的两面或一面，柔性基体层151为离子交换膜层；片状电极152与电源连接，电源与控制***连接，致使柔性基体层151发生形变。
本实施例中片状电极152的表面呈椭圆形，片状电极152的表面也可以呈半圆形等其他非对称图形结构，非对称结构对于提升吸声效果有重要作用，本实施例中片状电极152的个数为9个但不仅限于9个，9个片状电极152以三行三列方式分布在柔性基体层151的一面。
如图2和图3所示，自动振动吸声结构16包括并列间隔设置的IPMC条状薄膜161，IPMC条状薄膜161的一端粘合在弹性胶带层17上，本实施例中自动振动吸声结构16由两列IPMC条状薄膜161组成，每列中设置十行IPMC条状薄膜161，两列IPMC条状薄膜161之间设有间隙，每行IPMC条状薄膜161之间设有间隙。
为防止IPMC在电致动过程中失水，本实施例还包括保水封装层，保水封装层包裹在柔性基体层151和片状电极152外。
其中曲面变形吸声结构15的制备方法包括以下步骤：
(1)本实施例中的柔性基体层151为Dupont公司的Nafion系列离子交换膜，也可以为Asahi Chemical公司的Aciplex系列离子交换膜、Asahi Glass公司的Flemion系列离子交换膜或SolvaySolexis公司的Aquivion系列离子交换膜，对基体膜进行清洗、除杂、糙化预处理后，将柔性基体层151进行裁剪；
(2)用透明胶对柔性基体层151未分布片状电极152的部分进行掩膜处理，未掩膜的每个部分呈椭圆形；本实施例中的掩膜材料为透明胶但不仅限于透明胶，如有机玻璃夹板或聚四氟乙烯夹板。
(3)然后使用现有IPMC制备方法，将电极材料电镀在未掩盖掩膜材料的柔性基体层151上，形成片状电极152；本实施例中电极材料为Pd，但不仅限于Pd，也可以为Au、Ag、Cu、碳黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。
(4)取下掩膜材料，采用针板在片状电极152上扎微孔(图未示)，形成周期性微米级孔洞，片状电极152上所扎孔为上下穿孔，每个孔的尺度在100um-4mm。降低曲面变形吸声结构15的整体刚度，有利于变形；微穿孔内空气振动会增加声波损耗，有利于提高吸声效果。
(5)将片状电极152通过导线153与电源的正极连接，电源负极通过导线153与柔性基体层151连接，电源与控制***连接，电源和控制***均为现有技术，并不涉及本申请的改进点。
(6)采用聚四氟乙烯和硅橡胶或者其他高阻隔性薄膜材料，或者气体阻隔层对柔性基体层151和片状电极152进行封装。具体封装过程采用公开号为CN103280522A的专利一种可提高IPMC驱动器稳定性的封装工艺或公开号为CN102306704A的专利一种IPMC驱动器的封装工艺中的封装方法。
曲面变形吸声结构15具有吸声性能的证明：
对本实施例中曲面变形吸声结构15的吸声性能进行测定，测定方法如下：
曲面变形吸声结构15的吸声系数与声阻抗由阻抗管测得。对相关设备经过一系列的调整，最终测得一组数据，再绘制成数据图。具体测试方法可以参考专利《GBT 18696.2-2002声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2部分传递函数法》。
测定结果如图4和图5所示，可以看出，曲面变形吸声结构15具有吸声性能，对曲面变形吸声结构15施加不同的电压(或不施加电压)，可以使其发生变形从而改变其吸声频段。
本实施例中的吸声频率可调的吸声体在使用时，可以将多个吸声频率可调的吸声体排列设置，如自由排列或整列排列放置在空间内，如放置在高铁、飞机等舱室内。
振动可以产生声波，声波可以激励固体产生振动。声波会使IPMC发生振动，产生形变，从而产生微弱的电流。IPMC通电后其内部水分子的分布和聚合物结构发生了变化，才使其吸声频段发生了改变。IPMC薄膜条状体层可将声波的机械能，再转化为电能以及相邻空气的振动(内能)，从而实现整体结构的吸声降噪功能。
工作原理：声音从吸声结构的盒顶11进入，经过吸声海绵层14吸收掉一部分高频声波，然后经过两套曲面变形吸声结构15和自由振动吸声结构吸收掉相应频段的声波振动，从而实现了该结构的吸声降噪功能。吸声海绵起到辅助降噪的功能；设置多个可以曲面变形吸声结构15和自动振动吸声结构16，可以加强该吸声单元的吸声效果。
本实施例的优点：有多对曲面变形吸声结构15和自动振动吸声结构16，其低频吸声特性结合能量转换定律将声能转换成了附加在IPMC膜上的机械能，再由IPMC将机械能转化为电能。不仅实现了吸声降噪的功能，还将无用的噪音声能转换为了有用的电能，实现了能量的再利用。利用IPMC的电致动特性结合低频吸声特性，通过对其通电产生复杂变形来改变其吸收声音的频段从而满足不同的低频吸声要求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种吸声频率可调的吸声体，其特征在于：包括依次连接的盒顶、盒体和盒底，所述盒体内依次装有吸声海绵层、曲面变形吸声结构和自动振动吸声结构；所述吸声海绵层位于盒顶内顶壁；所述曲面变形吸声结构和自动振动吸声结构的个数为多个；
所述曲面变形吸声结构包括柔性基体层、片状电极、控制***和电源，所述片状电极的个数为多个，多个片状电极呈矩阵排列分布在柔性基体层的两面或一面，所述柔性基体层为离子交换膜层；所述片状电极与电源连接，所述电源与控制***连接，致使柔性基体层发生形变；
所述自动振动吸声结构包括并列间隔设置的IPMC条状薄膜；所述自动振动吸声结构由两列IPMC条状薄膜组成，每列中设置多行IPMC条状薄膜，两列一IPMC条状薄膜之间设有间隙，每行IPMC条状薄膜之间设有间隙。
2.根据权利要求1所述的吸声频率可调的吸声体，其特征在于：所述吸声频率可调的吸声体还包括保水封装层，所述保水封装层包裹在柔性基体层和片状电极外。
3.根据权利要求1所述的吸声频率可调的吸声体，其特征在于：所述片状电极的表面呈椭圆形或半圆形。
4.根据权利要求1所述的吸声频率可调的吸声体，其特征在于：所述柔性基体层的长度为5～50mm，宽度为5～50mm，所述电极与IPMC薄膜接触的表面积占IPMC薄膜的表面积的比例为20-80％。
5.根据权利要求1所述的吸声频率可调的吸声体，其特征在于：所述曲面变形吸声结构和自动振动吸声结构的个数分别为两个，从盒顶到盒底内依次为吸声海绵层、曲面变形吸声结构、自动振动吸声结构、曲面变形吸声结构、自动振动吸声结构。
6.根据权利要求1所述的吸声频率可调的吸声体，其特征在于：所述吸声频率可调的吸声体的个数为多个。
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