双自由度共振消声器及其控制研究

陈龙虎　吕海峰　郭俊娜　张景惠　马智宇

摘要： 提出一种具有可调双消声波峰的压电式消声器，可依据降噪要求来调节电压和穿孔率大小，实现两个低频段的声波吸收可调谐。运用Comsol声固耦合模块计算消声结构参数对频移特性影响的规律： 穿孔率减小，双消声峰向低频偏移，第二消声峰的幅值和频率范围明显减小，反共振点位置不变;膜厚增加，第一阶消声峰值基本不变，第二阶消声峰值向低频偏移。分析了不同加载电压下的压电薄膜位移变化情况，搭建实验平台测试不同电压条件下结构的传输特性，基于逆压电效应的压电薄膜可以有效地抑制或增强膜的振动响应，改变反共振点位置，电压由0增加到300 V，第一消声峰值频率向高频偏移85 Hz，第二消声峰向高频域移动了125 Hz。

关键词： 共振消声器; 双自由度; 压电薄膜; 可调频

中图分类号： TB535.2    文献标志码： A    文章编号： 1004-4523（2022）02-0426-08

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

引  言

低频噪声的特征谱线明显，衍射能力强，能量衰减慢，对工业生产和人们生活环境带来了很大的危害，低频噪声高效、稳定、持续的吸收和衰减一直是一个亟待解决的难题。近年来，利用超材料薄膜和人工周期结构来调整和控制声波传播的想法受到了广泛的关注，对不同类型的声学材料，如薄膜型超材料、空间折叠型超材料、声学超表面等进行了深入的研究。这些超材料表现出有趣的声学特性，如消声、带隙、负有效质量和负模量等。Huang将管路中的一段刚性壁替换为柔性薄膜，研究流管声传播特性;发现当声波流经薄膜时，声波的弹性与薄膜耦合，很大程度上降低管内波速，波速的骤降引起膜与刚性壁交界处发生了声反射和散射。为了防止声泄露，Huang在柔性薄膜外附加扩张腔室，通过无限个傅里叶积分表示导管内的声场和腔，然后代入膜结构中来确定压力场，但这种方法不具有一般性。Lawrie等采用模态匹配法计算了膜在与管道平齐的这一水平以上或以下位置时的消声特性，结果显示将膜向上提高一小段距离时，阻带宽度增加了38%，随着膜片在腔内位置增高，阻带的频率范围发生偏移，谐振腔的声辐射强度增大，声传输损失曲线向膨胀腔靠近。

上述研究的被动消声器结构设计一旦完成，其消声能力便局限于特定的频带范围，很难进行调节。主动声学超材料可以通过调节材料内部属性以及协同耦合外部介质来抑制低频声波，实现声学响应的自适应控制。Choy等在自然通风条件下测量膜结构消声器的插入损失，结果表明，在消声器所需的最佳张力下，膜的湍流激振不会产生明显的附加声。Yu等在刚性管道侧壁上搭建了一组由谐振器组合而成的声学超材料结构，通过改变施加在压电薄膜上的电压调節由此产生的衰减带，多个衰减带结合起来可以实现宽频带消声效果。Chen等通过控制电路实现负有效刚度，利用机械和电子元件调节超材料刚度，进而实现声波可调谐。

然而，到目前为止提出的大多数主动消声结构的调频带宽相对较小，欲消除多个频段上的具有一定带宽的噪声，则需要多个调频装置串联，结构较为冗杂。本文提出的穿孔管与膜片耦合的消声结构存在两个可调消声波峰，可以针对两个可调频段的声波进行有效地衰减，并且两个消声峰值具有一定的带宽。