陳龍虎　呂海峰　郭俊娜　張景惠　馬智宇

摘要： 提出一種具有可調(diào)雙消聲波峰的壓電式消聲器，可依據(jù)降噪要求來調(diào)節(jié)電壓和穿孔率大小，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)低頻段的聲波吸收可調(diào)諧。運(yùn)用Comsol聲固耦合模塊計(jì)算消聲結(jié)構(gòu)參數(shù)對頻移特性影響的規(guī)律：?穿孔率減小，雙消聲峰向低頻偏移，第二消聲峰的幅值和頻率范圍明顯減小，反共振點(diǎn)位置不變;膜厚增加，第一階消聲峰值基本不變，第二階消聲峰值向低頻偏移。分析了不同加載電壓下的壓電薄膜位移變化情況，搭建實(shí)驗(yàn)平臺測試不同電壓條件下結(jié)構(gòu)的傳輸特性，基于逆壓電效應(yīng)的壓電薄膜可以有效地抑制或增強(qiáng)膜的振動(dòng)響應(yīng)，改變反共振點(diǎn)位置，電壓由0增加到300 V，第一消聲峰值頻率向高頻偏移85 Hz，第二消聲峰向高頻域移動(dòng)了125 Hz。

關(guān)鍵詞： 共振消聲器;?雙自由度;?壓電薄膜;?可調(diào)頻

中圖分類號： TB535.2 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ???文章編號： 1004-4523（2022）02-0426-08

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

引??言

低頻噪聲的特征譜線明顯，衍射能力強(qiáng)，能量衰減慢，對工業(yè)生產(chǎn)和人們生活環(huán)境帶來了很大的危害，低頻噪聲高效、穩(wěn)定、持續(xù)的吸收和衰減一直是一個(gè)亟待解決的難題。近年來，利用超材料薄膜和人工周期結(jié)構(gòu)來調(diào)整和控制聲波傳播的想法受到了廣泛的關(guān)注，對不同類型的聲學(xué)材料，如薄膜型超材料、空間折疊型超材料、聲學(xué)超表面等進(jìn)行了深入的研究。這些超材料表現(xiàn)出有趣的聲學(xué)特性，如消聲、帶隙、負(fù)有效質(zhì)量和負(fù)模量等。Huang將管路中的一段剛性壁替換為柔性薄膜，研究流管聲傳播特性;發(fā)現(xiàn)當(dāng)聲波流經(jīng)薄膜時(shí)，聲波的彈性與薄膜耦合，很大程度上降低管內(nèi)波速，波速的驟降引起膜與剛性壁交界處發(fā)生了聲反射和散射。為了防止聲泄露，Huang在柔性薄膜外附加擴(kuò)張腔室，通過無限個(gè)傅里葉積分表示導(dǎo)管內(nèi)的聲場和腔，然后代入膜結(jié)構(gòu)中來確定壓力場，但這種方法不具有一般性。Lawrie等采用模態(tài)匹配法計(jì)算了膜在與管道平齊的這一水平以上或以下位置時(shí)的消聲特性，結(jié)果顯示將膜向上提高一小段距離時(shí)，阻帶寬度增加了38%，隨著膜片在腔內(nèi)位置增高，阻帶的頻率范圍發(fā)生偏移，諧振腔的聲輻射強(qiáng)度增大，聲傳輸損失曲線向膨脹腔靠近。

上述研究的被動(dòng)消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一旦完成，其消聲能力便局限于特定的頻帶范圍，很難進(jìn)行調(diào)節(jié)。主動(dòng)聲學(xué)超材料可以通過調(diào)節(jié)材料內(nèi)部屬性以及協(xié)同耦合外部介質(zhì)來抑制低頻聲波，實(shí)現(xiàn)聲學(xué)響應(yīng)的自適應(yīng)控制。Choy等在自然通風(fēng)條件下測量膜結(jié)構(gòu)消聲器的插入損失，結(jié)果表明，在消聲器所需的最佳張力下，膜的湍流激振不會產(chǎn)生明顯的附加聲。Yu等在剛性管道側(cè)壁上搭建了一組由諧振器組合而成的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)，通過改變施加在壓電薄膜上的電壓調(diào)節(jié)由此產(chǎn)生的衰減帶，多個(gè)衰減帶結(jié)合起來可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶消聲效果。Chen等通過控制電路實(shí)現(xiàn)負(fù)有效剛度，利用機(jī)械和電子元件調(diào)節(jié)超材料剛度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聲波可調(diào)諧。

然而，到目前為止提出的大多數(shù)主動(dòng)消聲結(jié)構(gòu)的調(diào)頻帶寬相對較小，欲消除多個(gè)頻段上的具有一定帶寬的噪聲，則需要多個(gè)調(diào)頻裝置串聯(lián)，結(jié)構(gòu)較為冗雜。本文提出的穿孔管與膜片耦合的消聲結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)可調(diào)消聲波峰，可以針對兩個(gè)可調(diào)頻段的聲波進(jìn)行有效地衰減，并且兩個(gè)消聲峰值具有一定的帶寬。