CN116312438A - 一种微穿孔吸声体的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含压电‑多相介质微穿孔吸声体及其设计方法，包括微穿孔板、液体介质、弹性隔膜、气体介质、压电复合材料及刚性壁面；所述的微穿孔板位于结构的下端，刚性壁面位于结构的上端；在二者之间依次是液体介质、弹性隔膜、气体介质和压电复合材料；所述压电复合材料的两侧（正负极）分别外界电容、电阻及电感三种电子元件，其具有良好的压电效应与逆压电效应；所述弹性隔膜具有良好的弹性，将上侧的气体介质和液压介质隔开，并能将液体介质的压力波动几乎无损失的传递给气体介质；所述橡胶隔膜和刚性壁面形成一个密闭空间；所述微穿孔的穿孔率由特定的公式计算得到；所述气体介质、弹性隔膜、气体介质及压电复合材料的厚度根据特定的公式计算得到；所述电容、电感、电容采取多种串、并联形式，个数根据实际需要确定，不仅仅局限于示意图中的串联形式及单个。本发明结构简单紧凑，可较好的吸收液压介质中的声波，且具有抑制幅度大、抑制频率范围宽的特性。

Description

一种微穿孔吸声体的设计方法
技术领域
本发明属于减振降噪技术领域，具体涉及一种用于抑制液体介质（如液压油）中声波传递的微穿孔吸声体及其设计方法。
背景技术
液压***的减振降噪，几乎都面临抑制液压***低频段、宽频带压力脉动的问题。现有研究表明液压***的振动噪声大多在2000Hz以内，且呈多线谱分布方式。在管道上安装压力脉动衰减装置是降低液压***压力脉动的主要方法，按照衰减压力脉动的原理不同，衰减装置主要分为抗性、阻性和复合式三种类型。抗性衰减结构是利用声波（压力脉动）传递过程中在横截面积突变处发生反射、干涉及共振等声学现象来达到衰减压力脉动的目的，其具有结构简单、消声频率低及消声性能好的优点，但也有体积较大（尤其是压力脉动频率较低、介质为液体时）及消声频带较窄的不足，很难实现宽频消声；阻性衰减结构是利用声波通过阻性材料时与材料壁面摩擦，将声能转化为热能的方式来抑制压力脉动，具有结构相对较小及中高频段消声性能较好的优点，但由于其流阻较大，应用于液体介质中时容易堵塞，且低频衰减性能较差。阻抗复合式结构兼具抗性和阻性结构的特点。总体而言，现有压力脉动衰减结构很难有效抑制液压***中的低频段、宽频带压力脉动。因此，研究液体介质（如液压油）中的低频段、宽频带压力脉动抑制技术迫在眉睫。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明本项目提出了一种谐振腔含有气-固-液三相介质和压电复合材料的新型微穿孔吸声体结构及其设计方法，用来解决液体介质中低频段、宽频带振动噪声难抑制的问题。
本发明采用的技术方案是：一种含压电-多相介质的微穿孔吸声体，包括微穿孔板、液体介质、弹性隔膜、气体介质、压电复合材料及刚性壁面；所述的微穿孔板位于结构的下端，刚性壁面位于结构上端；在二者之间依次是液体介质、弹性隔膜、气体介质和压电复合材料；所述压电复合材料的两侧（正负极）分别外界电容、电阻及电感三种电子元件，其具有良好的压电效应与逆压电效应。
所述弹性隔膜具有良好的弹性，将上侧的气体介质和液压介质隔开，并能将液体介质的压力波动几乎无损失的传递给气体介质。
上述微穿孔吸声体中，所述橡胶隔膜和刚性壁面形成一个密闭空间。
所述微穿孔的穿孔率由特定的公式计算得到。
所述气体介质、弹性隔膜、气体介质及压电复合材料的厚度根据特定的公式计算得到。
所述压电复合材料紧紧的贴在刚性壁面上，且和刚性壁面之间曾在一层很薄的绝缘膜。
所述电容、电感、电容采取多种串、并联形式，个数根据实际需要确定，不仅仅局限于示意图中的串联形式及单个。
本发明结构简单紧凑，可较好的吸收液压介质中的声波，且具有抑制幅度大、抑制频率范围宽的特性。
下面对该微穿孔吸声体具有良好吸声性能的设计方法进行说明。
设计方法：
（1）吸声频带宽度△f
Figure SMS_1
Figure SMS_2
上述各式中：r为相对声阻，m为相对声抗，k 1为波数，k 1 =2πf/c，D为小孔的周长，γ为热力学系数，由于介质为液压油，该值可近似取为1；ε根据小孔的直径和波长的关系来取不同的值，t 1=(2μ/ρω)0.5，μ为动态粘度，ρ为介质的密度；l e为有效声学长度；d为微穿孔板小孔的直径，M为马赫数，D为微穿孔板背腔的厚度，D 1为液体介质的厚度，D 2为弹性薄膜的厚度，D 3气体介质的厚度，c p为平均波速，c 1、c 2和c 3分别为声波在液体介质、弹性隔膜和气体介质中的传播速度。f1和f2分别是低半吸声频率和高半吸声频率，二者对应的吸声系数为最大吸声系数的一半。
根据所需要的抑制声波频率的带宽，根据上式来确定穿孔板的直径d、厚度t以及穿孔率。例如当所需要抑制的带宽约为300Hz时，介质为液压油时，穿孔板的穿孔直径约为0.5~1mm，厚度t为0.6~1mm，穿孔率为5%~22%。
（2）吸声性能
吸声性能强弱由不同频率处的吸声系数确定，吸声系数越大则吸声性能越好，吸声系数的计算公式为：
Figure SMS_3
式中：ρ 1、ρ 2、ρ 3分别为液体介质、弹性隔膜和气体介质的密度。
上述公式中，当微穿孔参数确定后，吸声系数主要由微穿孔吸声体谐振腔内各相介质的设计参数（密度、速度及厚度）确定，通过计算和优化可以选出气-固-液各项介质最佳的设计参数。根据分析，当微穿孔板内介质为液压油时，谐振腔内液压油介质、弹性隔膜及气体介质的厚度比为1:（0.1~0.2）：（0.8~1.2）时，该微穿孔吸声体具有良好的吸声性能。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：
（1）本发明微穿孔吸声体的谐振腔设有气-固-液三相介质，由于三相介质间的声阻抗特性差异很大，因此通过调节气-固-液三相介质的类型和厚度可使微穿孔吸声体谐振腔声阻抗的变化范围很广，进而可通过设置谐振腔背腔介质的相关参数，使谐振腔的声阻抗和穿孔板的声阻抗尽可能的相匹配，进而达到使微穿孔吸声体具有良好吸声性能的目的。
（2）本发明的谐振腔设置有具有良好压电效应的复合压电层，由于压电复合材料具有良好的逆压电效应，在收到压力作用时在材料的上下表面会产生正负电荷，即声能转化为电能；通过在正负电荷之间设置电阻（R）、电感（L）和电容（C），可以将电能转化为热能，最终实现声能到热能的转换，达到进一步提高微穿孔吸声体吸声性能的目的。
（3）通过采用本发明提出的结构，并采用本发明所提出的吸声性能的设计方法，可以达到所提出结构能有效的吸收液体介质中低频段、宽频带的振动和噪声（声波/压力脉动）。
（4）本发明还具有结构简单紧凑，制造方便，成本低的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明微穿孔板的结构示意图。
其中：
1、压电复合材料；2、气体介质；3、弹性隔膜；4、微穿孔板；5、电阻；6、电容；7、电感；8、刚性壁面；9、液体介质；10、入射声波。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，1、压电复合材料；2、气体介质；3、弹性隔膜；4、微穿孔板；5、电阻；6、电容；7、电感；8、刚性壁面；9、液体介质。
所述的微穿孔板4位于结构的下端，刚性壁面8位于结构上端；在二者之间依次是液体介质9、弹性隔膜3、气体介质2和压电复合材料1；声波10从微穿孔板4经液体介质9、弹性隔膜3、气体介质2，最后达到压电复合材料1。
所述压电复合材料1的两侧（正负极）分别外界电容6、电阻5及电感7三种电子元件，其具有良好的压电效应与逆压电效应；
所述弹性隔膜3具有良好的弹性，一般为橡胶材料，将上侧的气体介质2和液压介质9隔开，并能将液体介质9的压力波动几乎无损失的传递给气体介质2；
上述微穿孔吸声体中，所述弹性隔膜3和刚性壁面8形成一个密闭空间；
所述压电复合材料1紧紧的贴在刚性壁面8上，且和刚性壁面8之间曾在一层很薄的绝缘膜；
所述电容6、电感7、电阻5采取多种串、并联形式，个数根据实际需要确定，不仅仅局限于示意图中的串联形式及单个；
所述微穿孔板上均匀的开有直径小于1mm的小孔，其穿孔率为1%~15%；
所述微穿孔的穿孔率由特定的公式计算得到；
所述气体介质、弹性隔膜、液体介质的厚度根据吸声频带和特定的公式计算得到；
下面对该微穿孔吸声体具有良好吸声性能的设计方法进行说明。
设计方法：
（1）吸声频带宽度△f
Figure SMS_4
Figure SMS_5
上述各式中：r为相对声阻，m为相对声抗，k 1为波数，k 1 =2πf/c，D为小孔的周长，γ为热力学系数，由于介质为液压油，该值可近似取为1；ε根据小孔的直径和波长的关系来取不同的值，t 1=(2μ/ρω)0.5，μ为动态粘度，ρ为介质的密度；l e为有效声学长度；d为微穿孔板小孔的直径，M为马赫数，D为微穿孔板背腔的厚度，D 1为液体介质的厚度，D 2为弹性薄膜的厚度，D 3气体介质的厚度，c p为平均波速，c 1、c 2和c 3分别为声波在液体介质、弹性隔膜和气体介质中的传播速度。f 1和f 2分别是低半吸声频率和高半吸声频率，二者对应的吸声系数为最大吸声系数的一半。
根据所需要的抑制声波频率的带宽，通过带宽△f的计算公式（1），来确定穿孔板的直径d、厚度t以及穿孔率。例如当所需要抑制的带宽约为300Hz时，液-固-气三相介质分别为液压油、橡胶及常压气体时，欲满足吸声带宽为300Hz，则微穿孔板的的相关设计参数，通过上述式（1）-式（5）可计算得到：微穿孔板的穿孔直径d约为0.5~1mm，厚度t为0.6~1mm，穿孔率为5%~10%。
（2）吸声性能
吸声性能强弱由不同频率处的吸声系数确定，吸声系数越大则吸声性能越好，吸声系数的计算公式为：
Figure SMS_6
式中：ρ 1、ρ 2、ρ 3分别为液体介质、弹性隔膜和气体介质的密度。
上述公式中，当微穿孔板4的参数确定后，吸声系数主要由微穿孔吸声体4谐振腔内各相介质的设计参数（密度、速度及厚度）确定，通过计算和优化可以选出液体介质9、弹性隔膜3、气体介质2的最佳设计参数。例如，根据公式（6），当微穿孔板内介质为液压油时，谐振腔内介质依次是液压油、橡胶隔膜及气体时，欲具有较大的吸声系数（较好的吸声性能），三种介质的厚度比为1:（0.1~0.2）：（0.8~1.2）时，该微穿孔吸声体具有良好的吸声性能。

Claims (6)

1.一种含压电-多相介质的微穿孔吸声体，其特征是：包括微穿孔板、液体介质、弹性隔膜、气体介质、压电复合材料及刚性壁面。
2.根据权利要求1所述的微穿孔吸声体，其特征是：微穿孔板位于结构的下端，刚性壁面位于结构上端；在二者之间依次是液体介质、弹性隔膜、气体介质和压电复合材料。
3.根据权利要求1所述的微穿孔吸声体，其特征是：压电复合材料的两侧（正负极）分别外界电容、电阻及电感三种电子元件，其具有良好的压电效应与逆压电效应。
4.根据权利要求1所述的微穿孔吸声体，其特征是：弹性隔膜具有良好的弹性，将上侧的气体介质和液压介质隔开，并能将液体介质的压力波动几乎无损失的传递给气体介质。
5.根据权利要求1所述的微穿孔吸声体，其特征是：吸声频带宽度△f通过说明书中的公式（1）-（5）计算得到，根据所需要的抑制声波频率的带宽，通过明书中的式（1）-（5）来确定穿孔板的直径d、厚度t以及穿孔率。
6.根据权利要求1所述的微穿孔吸声体，其特征是：吸声性能强弱由不同频率处的吸声系数确定，吸声系数越大则吸声性能越好，吸声系数的计算公式通过说明书中的式（6）计算得到，当微穿孔参数确定后，吸声系数主要由微穿孔吸声体谐振腔内各相介质的设计参数（密度、速度及厚度）确定，通过计算和优化可以选出气-固-液各项介质最佳的设计参数。
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