基于压电材料的薄膜型声学超材料隔声性能研究.pdf

年第 期基于压电材料的薄膜型声学超材料隔声性能研究亢健霖,孙文楷,周文杰,钟新成,苟玮,徐晓美(南京林业大学汽车与交通工程学院,江苏 南京 )摘要:本文利用C OM S O L软件研究了一种基于压电材料的薄膜型声学超材料的隔声性能,分析了压电块外接电路的电阻和电感对其隔声性能的影响,并探讨了其在汽车顶板上应用的可行性.研究表明,加入压电块的薄膜型声学超材料隔声性能明显提高;外接电路的电感和电阻仅在传声损失峰值所对应的频率处对材料的传声损失有影响,传声损失峰值随电阻或电感的增大而减小,峰值位置基本不随电阻或电感而改变;外接电路中电阻对传声损失峰值的影响明显弱于电感;复合了压电薄膜型声学超材料的汽车顶板相比于单一钢板压制的汽车顶板具有更好的隔声能力.关键词:隔声性能;声学超材料;压电材料;可调性;有限元方法中图分类号:T B ;T B 文献标识码:A文章编号:X()S o u n dI n s u l a t i o nP e r f o r m a n c eo fM e m b r a n e t y p eA c o u s t i cM e t a m a t e r i a l sB a s e do nP i e z o e l e c t r i cM a t e r i a l sK a n gJ i a n l i n,S u nW e n k a i,Z h o uW e n j i e,Z h o n gX i n c h e n g,G o uW e i,X uX i a o m e i(C o l l e g eo fA u t o m o b i l ea n dT r a f f i cE n g i n e e r i n g,N a n j i n gF o r e s t r yU n i v e r s i t y,J i a n g s uN a n j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:C OM S O Ls o f t w a r e i su s e d t os t u d y t h e s o u n d i n s u l a t i o np e r f o r m a n c e(S I P)o f am e m b r a n e t y p ea c o u s t i cm e t a m a t e r i a l(MAM)b a s e do np i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s,a n dt h ee f f e c to f t h er e s i s t a n c ea n d i n d u c t a n c eo ft h ee x t e r n a l c i r c u i to f t h ep i e z o e l e c t r i cb l o c ko n i t sS I Pi sa n a l y z e d T h e f e a s i b i l i t yo f i t sa p p l i c a t i o no na u t o m o b i l er o o f i sa l s od i s c u s s e d R e s u l t ss h o wt h a t t h eS I Po f t h eMAM w i t hp i e z o e l e c t r i cb l o c k s i ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d;t h e i n d u c t a n c e a n dr e s i s t a n c eo f t h e e x t e r n a l c i r c u i t o n l ya f f e c t t h e s o u n d t r a n s m i s s i o n l o s s(S T L)o f t h em a t e r i a l a t t h e f r e q u e n c yc o r r e s p o n d i n g t o t h ep e a kv a l u eo f t h eS T L T h ep e a kv a l u eo f t h eS T Ld e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo ft h er e s i s t a n c eo ri n d u c t a n c e,a n dt h ep o s i t i o no ft h ep e a kv a l u eo ft h eS T Lb a s i c a l l yd o e sn o tc h a n g ew i t ht h er e s i s t a n c eo r i n d u c t a n c e T h ee f f e c to f r e s i s t a n c eo nt h ep e a kv a l u eo fS T Li ss i g n i f i c a n t l yw e a k e r t h a nt h a to f i n d u c t a n c e T h ea u t o m o b i l e r o o fw i t hc o m p o s i t ep i e z o e l e c t r i cMAMh a sb e t t e rS I Pt h a nt h ea u t o m o b i l er o o fw i t hs i n g l es t e e l p l a t e K e yw o r d s:S o u n d i n s u l a t i o np e r f o r m a n c e;A c o u s t i cm e t a m a t e r i a l;P i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l;T u n a b i l i t y;F i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n基金项目:年江苏省大学生实践创新训练计划项目(省级一般项目:Y)作者简介:亢健霖(),男,青海省西宁人,优秀本科生,主要研究方向声学超材料研究.通信作者:徐晓美(),教授,研究方向:车辆噪声控制、车辆系统动力学控制.引言声学超材料具有负等效质量密度、负等效体积模量、负折射效应等特性,能突破传统声学材料质量定律的限制,实现轻量化低频隔声.压电材料因具有控制精度高、响应快、成本低等优势近年来在光、热、电、声等领域获得了较广泛的应用.压电材料的出现,为声学超材料隔声隔振性能的调节提供了可行性 .贺子厚等针对低频噪声的隔离问题,设计了一种基于压电材料的可调控薄膜声学超材料,计算了其各阶特征频率与 H z频段的传声损失曲线,并试验验证了有限元计算结果的可靠性.李泽等研究了压电超材料分流电路数字控制器的设计方法,通过分析压电片等效弹性模量的零极点特征,提出了一种适用于超材料传递函数零极点配置的方法,以实现对超材料带隙的灵活控制.林丽芳等以超构材料存在带隙特性为出发点,设计了一种周期性铺设有压电纤维片的圆环超构材料,外接负电容分流电路以实现振动衰减作用.研究表明,圆环超构材料出现了局域共振带隙,负电容分流电路不仅在一定程度上拓宽了带隙,而且其减振效果十分显著.本文基于已有的研究,研究了一种贴有压电块的薄膜型 声 学 超 材 料(M e m b r a n e t y p ea c o u s t i c m e t a m a t e r i a l,MAM)在低频范围内的隔声性能,以及其外接电路中电阻与电感对隔声性能的影响,以为汽车车内低频噪声控制提供参照.压电MAM单胞有限元模型构建图为贺子厚等人设计的基于压电材料的薄膜声学超材料单胞结构.图中的压电块贴在张紧的弹性膜上、下表面,并固定在金属外框上.压电块材料为陶瓷P Z T H,薄膜材料为硅橡胶,金属框材料为钢.图中方形膜和金属框的厚度均为 mm,压电块的厚度为 mm,其他尺寸如图,单位mm.图中的压电块与外部电路连接,如图所示.图内燃机与配件w w w n r j p j c n中,电阻R和电感L串联,压电块与硅橡胶贴合的表面接地,另一表面设置为悬浮电位,通过外部端子与电路耦合.图声子晶体单胞与结构尺寸图电路与压电块连接示意图为研究压电MAM单胞的隔声性能,利用C OM S O L软件构建其有限元仿真模型,如图所示.在固体域中,设定单胞框架及薄膜四周为固定边界,以模拟固定约束条件下单胞的隔声性能;压力声学域的两端面设置为平面波辐射,图中的上端面为声波入口,添加垂直于单胞入射、声波幅值为P a的入射压力场以模拟声激励,图中的下端面为声波出口,为无反射边界.图隔声有限元模型定义式()和式()两个积分算子,分别对声波入口处和出口处的声压进行面积积分,可得入射声功率Wi n和透射声功率Wo u t:Wi n(Pi n/c)dSi n,()Wo u t(Po u t/c)dSo u t,()其中,Pi n和Po u t分别表示入射声压和透射声压,和c分别表示空气的密度和声速,Si n和So u t分别表示声波入口和出口端面的面积.由此,结构或材料的隔声量,即S T L可表达为S T L l g(Wi n/Wo u t)()压电MAM单胞隔声性能分析本文主要研究目的是为车内低频噪声的控制提供参照.相关研究表明,H z内汽车顶棚振动对车内噪声起主导作用,车内壁板振动噪声频率范围为 H z,在 H z时顶棚贡献值达到峰值,且根据相关实车测试,车内低频噪声主要集中在 H z.因此,综合考虑上述车内频率,将研究频率范围设置为 H z.压电块影响为探究压电块的添加对MAM单胞隔声性能的影响,基于所建立的隔声有限元模型,仿真研究了压电块添加前、后MAM单胞的隔声性能,如图所示.由图可以看出,加入压电块后,在 H z的频率范围内,MAM单胞的传声损失整体有明显提升.图添加压电质量块前后的传声损失根据加入压电块后的传声损失曲线的表现,对隔声峰,隔声谷及突变处的几个典型频率的振动模态进行了分析,如图所示.(a)H z(b)H z(c)H z图典型频率的振动模态图(a)为 H z处隔声谷的振动模态,在此处MAM单胞的传声损失下降至接近,此时结构发生剧烈的横向共振,大部分声波能量可以穿过薄膜,压电块的存在使其在低频范围内的隔声量衰减速度更快.图(b)为 H z处隔声峰的振动模态,此时传声损失达到了 d B,由振动模态可以看出压电块绕平行于短边的线转动,两端振幅不同,不能相互抵消,因此传声损失在达到峰值后就急剧下降.图(c)为 H z处隔声谷的振动模态,从振动模态可以看出,该模态下压电块发生横向转动,声波能量可以穿过薄膜,因而传声损失下降.外接电路中电感影响为探究外接电路中的电感值对MAM单胞传声损失的影响,控制外接电路中电阻R为 保持不变,改变电感值为 H、H、H进行仿真,结果如图所示.图不同电感对MAM单胞传声损失的影响 年第 期由图可以看出,除在峰值或部分谷值处外,压电外接电路中的电感对传声损失曲线的影响并不明显.在 H z时,传声损失随电感值的增大而减小.这意味着,此处的隔声峰为幅值可调的隔声峰.此外,由图可见,传声损失峰值对应的频率受电感变化的影响很小.外接电路中电阻影响为探究外接电路中的电阻值对MAM单胞传声损失的影响,控制外接电路中电感L为 H保持不变,改变电阻值R为、进行仿真,结果如图所示.由图可以看出,改变电路中的电阻值对压电MAM单胞的隔声性能总体上并无太大影响,只在隔声峰处可以看出变化趋势.在 H z时,电阻对传声损失的影响规律与电感的影响规律类似,即随着电阻的增大,隔声峰幅值变小.但比较图和图可以看出,虽然压电块外接电路的电感和电阻对MAM单胞峰值传声损失的影响趋势相同,但电阻的影响明显弱于电感.电感从 H变化到 H时,传声损失峰值处的值变化约为 d B,而当电阻从 变化到 时,峰值传声损失变化仅约为 d B.图不同电阻对MAM单胞传声损失的影响压电MAM在车身上的应用对车身板件进行分类,可大致分为七部分,即前地板、后地板、左侧板、右侧板、前围板、行李箱盖板和顶棚.由车辆在粗糙路面行驶时每块板的车内噪声贡献量可知,车顶棚对车内总声压级的贡献量较大.因此,本文以车顶棚为压电MAM的应用对象,探讨压电MAM在车身上应用的可行性.如图所示,建立块长为 mm,厚度为 mm的钢板,并在其上复合块边长为 mm,其它水平尺寸为图中水平尺寸倍的压电MAM单胞.图钢板复合压电MAM结构示意图将图中的钢板复合压电MAM板以及同尺寸的钢板分别应用于车顶棚,在C OM S O L软件中建立相应的有限元分析模型,并进行隔声性能仿真分析.压电MAM中外接电路的电阻值为 ,电感为 H.两种板件的隔声性能对比如图所示.图钢板与钢板复合压电MAM的隔声性能对比由图可以看出,除了在 H z内,钢板复合压电MAM板的 传 声 损 失 低 于 单 一 钢 板 的 外,在 分 析 频率内的其 他 频 率 段,复 合 了 压 电MAM的 车 顶 板 件 的隔声能力均 明 显 优 于 单 一 的 钢 制 顶 板.由 此 可 见,压电MAM能显 著 地 提 高 车 顶 棚 的 隔 声 内 力,降 低 车 内低频噪声水平.结论本文对一种基于压电材料的薄膜声学超材料开展了隔声性能及影响因素研究,并探讨了其在汽车顶板上应用的可行性,所取得的主要研究结论如下:()在薄膜型声学超材料上附加压电块后,MAM单胞的传声损失有明显提高,说明压电块对降低低频噪声具有显著作用.()MAM单胞的振动模态解释了传声损失曲线上的峰值、谷值、突变值的产生机理.()外接电路的电感和电阻仅在传声损失峰值所对应的频率处对材料的传声损失有影响,传声损失峰值随电阻或电感的增大而减小,峰值位置基本不随电阻或电感而改变.虽然压电块外接电路的电感和电阻对MAM单胞峰值传声损 失 的 影 响 趋 势 相 同,但 电 阻 的 影 响 明 显 弱 于电感.()复合了压电MAM的汽车顶板相比于单一钢板压制的汽车顶板具有更好的隔声能力.参考文献:L i J,C h a nCT D o u b l e n e g a t i v e a c o u s t i cm e t a m a t e r i a lJ P h y s i c a lR e v i e wE,():李政阳,王彦正,马天雪,等智能压电声子晶体与超材 料 研 究 现 状 与 展 望 J科 学 通 报,():李文智,曹瑶琴,何志平基于材料及结构的直升机噪声抑制技术研究进展J航空材料学报,():贺子厚,赵静波,姚宏,等基于压电材料的薄膜声学超 材 料 隔 声 性 能 研 究 J物 理 学 报,():李泽,王勋宝,刘钊,等压电超材料主动控制分流电路设计J压电与声光,():林丽芳,陆泽琦,丁虎,等负电容压电分流的圆环超构材料隔振J哈尔滨工程大学学报,():