基于压电混合分流电路的宽带低频隔声装置及其设计方法与流程

1.本发明属于宽带低频噪声隔离技术领域，具体涉及一种基于压电混合分流电路的宽带低频隔声装置及其设计方法。


背景技术：

2.随着机械装备向大型化、重载化、高速化发展，引发的低频噪声问题日益突出。低频噪声首先会严重影响到乘员的舒适性，引起注意力不集中，甚至危害乘员健康。研究表明，人类如果长时间置身于80db以上的噪声环境中，就会造成听力损伤。其次，低频噪声会引起机械结构的疲劳失效以及精密仪器的故障，降低装备的安全性、可靠性和服役寿命。另外，过大的低频噪声还可能掩盖装备正常运行中的指令声和报警声，引发严重的事故。因此，低噪声品质是现代装备发展的一个重要目标。低频噪声控制已经成为我国装备制造业争夺国际市场亟需解决的关键技术问题之一。
3.传统隔声材料在低频范围内受制于质量定律，每增加一倍质量，仅能提升6db隔声量。因此，使得低频隔声成为难题，迫切需要在隔声新理论、新技术和新方法等方面取得突破。近十年来，研究发现通过在弹性介质基体中嵌入周期性的局域振子，能够在窄带低频范围内获得超常等效物理参数，从而提高人们操控声波的能力，为低频隔声提供了一种可能的技术手段。然而，当前文献中的局域振子大多受能量转换效率的影响，仅能实现窄带低频隔声。宽带低频隔声仍然是噪声控制领域的一项难题。


技术实现要素：

4.针对噪声控制领域的宽带低频隔声难题，本发明所要解决的一个技术问题是提供一种基于压电混合分流电路的宽带低频隔声装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种基于压电混合分流电路的宽带低频隔声装置的设计方法，能够突破质量定律的限制，达到宽带低频隔声的目的。
5.本发明的基于压电混合分流电路的宽带低频隔声装置，其特点是，所述的宽带低频隔声装置由基板、压电片、混合分流电路组成；基板为平板，材料为有机玻璃或者金属铝；压电片分为相同的两组，每组阵列排列，一组粘附在基板的上表面上，另一组对称粘附在基板的下表面上；混合分流电路由主动负电容电路和被动电感电路串联组成，混合分流电路的数量与压电片的数量相同，每个混合分流电路独立串联一个压电片；l为被动电感分流电路中电感的值，cn为主动负电容分流电路中负电容的值；主动负电容电路由一个定值电阻r1、一个可调电阻r2、一个电容c和一个运算放大器oa组成；电容c、可调电阻r2和定值电阻r1顺序相联，运算放大器oa的输出端连接电容与可调电阻r2之间的节点；运算放大器oa的同相输入端即+端，连接电容c的另一端；运算放大器oa的反相输入端即-端，连接可调电阻r2与定值电阻r1之间的节点。
6.进一步地，所述的基板的厚度h为0.1-20mm。
7.进一步地，所述的压电片的厚度h
p
为0.1-2mm，材质为pzt-5h压电陶瓷。
8.进一步地，所述的压电片的边长为1-100mm。
9.本发明的基于压电混合分流电路的宽带低频隔声装置的设计方法，包括以下步骤：s10.设计主动负电容电路的负电容；主动负电容电路的阻抗特性相当于一个电容，主动负电容电路的负电容的值为cn：s20.计算宽带低频隔声装置的局域共振频率；宽带低频隔声装置的局域共振频率f0由下式决定：式中，c
p
为压电片的固有电容，cb为与压电片和基板参数相关的数值量；式中，是压电片的压电应力常数，和是压电片的柔顺系数，h
p
是压电片的厚度，as为压电片电极的面积，eb为基板的杨氏模量，为基板的泊松比，h是基板的厚度，α是基板表面贴有压电片的面积占整个基板表面面积的面积比；s30.调节主动负电容电路的负电容；为了满足系统的稳定性，调节负电容的值时，需遵循以下条件：m为设定的常数，m》1；s40.计算主动负电容电路的机电耦合系数；串联负电容电路之后的混合分流电路的机电耦合系数kn为：式中，k为无负电容电路的混合分流电路的机电耦合系数；因为m》1，所以有kn＞k；上式说明，负电容使得能量转换效率更高，从而展宽隔声峰；当m越靠近于1的时候，负电容越提高能量转换效率，拓宽隔声峰的效果越明显；当m趋向于∞的时候，负电容电路短路，不再起作用，不能提高能量转换效率；
mm。压电片2为正方形的薄片，边长l
p = 36 mm，厚度h
p = 1 mm，压电片2的周期间隔l = 40 mm，压电片2的材料选用与杨氏模量与铝类似的pzt-5h压电材料。
16.通过调节混合分流电路3参数，被动电感电路和压电片2可以产生低频局域共振，同时主动负电容电路可以提高机电耦合效率，从而实现宽带低频声波传输带隙，高效地阻隔宽带低频噪声。
17.当在主动负电容电路的电容元件上施加交流电时，电容两极之间的电压的相位会滞后于流过电容的电流的相位90度。实际存在的电容元件的电容值都是正值。负电容并不是一个实际存在的电路元件，主动负电容电路是通过电阻、电容和运算放大器组成的模拟电路来实现的，主动负电容电路的电路图参见图3。主动负电容电路由一个定值电阻r1，一个可调电阻r2，一个电容c和一个运算放大器oa组成。主动负电容电路两端的电压和流经主动负电容电路的电流符号相反，并且电压相位滞后于电流90度，其效果等效于一个具有负值的电容。根据电路基本原理，主动负电容电路的阻抗特性相当于一个电容，其电容值为：通过调节可调电阻r2的值，可以调节负电容的电容值。
18.理论分析可知，宽带低频隔声装置的局域共振频率f0由下式决定：式中，l为被动电感分流电路中电感的值，c
p
为压电片2的固有电容，cn为主动负电容分流电路中负电容的值，cb为与压电片2和基板1参数相关的数值量，由下式决定：式中，是压电片2的压电应力常数，和是压电片2的柔顺系数，h
p
是压电片2的厚度，as为压电片2电极的面积，eb为基板1的杨氏模量，为基板1的泊松比，h是基板1的厚度，α是基板1表面贴有压电片2的面积占整个基板1表面面积的面积比；调节负电容的值时，需遵循以下条件：以满足系统的稳定性。其中m为预先设置的常数，且须满足m》1。
19.串联负电容电路之后的机电耦合系数kn为：
式中，k为无负电容电路的机电耦合系数。因为m》1，所以有kn＞k。上式说明，负电容使得能量转换效率更高，从而可以展宽隔声峰。当m越靠近于1的时候，负电容越能够提高能量转换效率，拓宽隔声峰的效果越明显。当m趋向于∞的时候，负电容电路相当于短路，不再起作用，不能提高能量转换效率。
20.图4给出了本实施例获得的隔声曲线，隔声曲线由有限元方法计算得到。声波以倾斜角θ=π/3入射到隔声装置上。为了展示负电容电路对隔声峰的展宽效果，在调节负电容的值时，同时调节了电感的值，以将隔声峰固定在同一频率。图4中虚线为m
→
∞，即隔声装置的主动负电容电路不起作用时的隔声曲线。点划线和实线分别为m =1.2，m =1.05，即负电容cn=-1.2(c
p
‑ꢀ
cb)和cn=-1.05(c
p
‑ꢀ
cb)时，隔声装置的隔声曲线。作为对比，图4中还用细虚线示出了质量定律所限定的隔声量。如图4所示，当m
→
∞，即主动负电容电路不起作用时，隔声装置的隔声曲线上出现了一个峰值频率为618hz的隔声峰，并且在617-623hz（带宽为6hz）范围内获得了比质量定律提高6db（传统材料要增加一倍质量，才能提高6db）的隔声量，突破了质量定律的限制，但是隔声峰的频带相对比较窄。当m =1.2时，可以看出隔声峰的频带被明显的拓宽了，隔声量突破质量定律6db以上的频率范围拓宽为567-641hz（带宽为74hz）。当m =1.05时，可以看出隔声峰的频带被进一步拓宽，隔声量突破质量定律6db以上的频率范围达到480-724hz（带宽为244hz）。从图4可以看出，具有混合分流电路3的隔声装置，其隔声频带明显的比不含混合分流电路3时要宽，而且当混合分流电路3中的负电容cn的绝对值越接近于c
p
‑ꢀ
cb，即m越靠近于1的时，隔声峰频带的越宽。利用图4，针对所需的隔声频率，选择合适的m，反推对应隔声曲线的主动负电容电路的负电容的值cn，进而确定可调电阻r2的电阻值，实现调节宽带低频隔声装置的隔声性能。
21.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不限于上述实施例。