一种调频式共振消声器的设计

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噪声主动控制技术已逐渐成为噪声控制的发展趋势 。然而主动控制技术的缺点主要是高采样频率和高速处理芯片昂贵，控制算法复杂，如果控制不当，由于能量的输入还会引入更多的噪声～主动控制与被动控制相结合的噪声控制技术引起了广泛关注，出现了自适应-被动噪声控制的技术与装置。亥姆霍兹共振腔消声器通过机械装置改变共振腔的容积、开孔数量和孔径大小等 ，可以对某-频带 的噪声具有 良好的抑制作用L]。Lamancusa提 出了-种共振腔容积可变的消声器，在共振腔内放置-活塞 ，通过检测发动机的转速调整活塞在共振腔内的位置，从而改变共振腔的容积，将插入损失减小 30 dB[2]。

J.M.De Bedout[3]在共振腔内通过控制绕中心轴旋转的叶片，实现共振腔体积的改变，其体积改变范围为 1 491～14 093 cm。。邓兆祥等[ ]设计了-种半主动排气消声器，其工作原理是通过 自动调节不同条件下气流通道面积以达到发动机低速时减少低频噪声、高速时降低背压和气流再生噪声。上述可调频式消声器的控制精度不高，机械装置复杂，不便进行装配，同时大量配件的存在也减少了消声器内部的有效空间。

随着MEMS技术的不断发展，各种微小型传感器 、致动器 已经广泛应用于工程技术 的各个领域 。

MEMS技术制造的器件具有体积孝功能多、重量· 中北大学 自然科学基金资助项 目收稿 日期 ：2011-03-11；修改稿收到 日期 ：2011-05-29轻、谐振频率高、响应时间短并且稳定可靠的优点。

笔者将MEMS器件用于噪声控制中，通过驱动致动器件发生动作改变共振腔的体积，来达到对多个频率的噪声进行抑制的 目的，通过理论分析与试验验证了所设计消声器对噪声的抑制效果。

1 共振消声器原理共振腔消声器是由-段开有若干消声孔的管道和管外-个密闭的空腔所组成 ]。消声孔和空腔组成-个弹性振动系统 ，当气流的声波频率和共振腔振动系统的固有频率相同时，这个振动系统就发生共振 ∽颈中具有-定质量 的空气柱 ，使其运动速度加快，摩擦阻力增大 ，大量声能转化为热能，从而在噪声传播途径上进行控制[5]，达到消声的目的。

共振腔消声器的共振频率表达式如下fo (1)其中：C为声速；V为共振腔体积；G为传导率，是-个 以长度为单位的物理量。

由式(1)可以看出，体积的改变对共振频率的改变是有影响的，体积越大，共振频率越低 ；体积变小，共振频率则升高 。

传导率为(2)-G- /三振 动、测 试 与 诊 断 第 32卷其中：d为孔径；t为板厚； 为消声孔个数。

消声器元件的消声效果通常用4个评价指标来评定，即传递损失、插入损失、声压级差和声压级。消声器的传递损失只与结构本身有关，而不受源特性和尾管辐射特性的影响 ，是消声器声学性能研究 中最常用的指标 。

TLlg [ - ㈤其中：S为 肖声器主通道的横截面积；f为噪声频率；TI 为传递损失。

通过式 (3)可以看出，传递损失还撒于消声器的频率 ，其峰值在共振频率处 。因此，当消声器的结构-定时，它只对某-频率的噪声具有较好的消声效果，而车辆的排气噪声频率是随转速而发生变化的，因此对其他频率噪声的抑制效果不明显∩调频的共振消声器能适应此种频率改变的噪声，当噪声变化时，系统先采集信号，识别噪声的频率特性，进而自动调节某些参数，使其固有频率紧密地随噪声源频率而变化，并根据反馈信号不断进行必要的调整，使消声器始终处于共振状态，从而实现对噪声的衰减 。

笔者在消声器内部放置微小型致动器，通过致动器发生变形改变共振腔的体积，从而使消声器实现对多个频率噪声的抑制 。

2 气泡致动器气泡致动器是-种采用 MEMS技术制作的微小型致动器件，具有变形大、线性度好、质量轻、响应频率高等特点。现有的气泡致动器主要用于飞行器的流动控制中，通过气泡致动器改变飞行器的气动表面轮廓，从而对飞行器的俯仰、偏航及滚转等机动性能进行辅助控制68]。笔者主要研究气泡致动器对消声器声学性能的影响。

2.1 工作 原理气泡致动器的工作原理如图1所示。致动单元中的弹性薄膜两侧存在压力差时，弹性薄膜发生膨胀变形，形成气泡～气泡致动器安装在消声器共振腔的侧壁上，通过密封罩将气泡致动器薄膜密封，从而形成-个密闭腔体。向腔体内通入高压气体或泵出气体形成低压腔时 ，弹性薄膜两侧 由于压力差的存在发生变形，从而使共振腔的尺寸增大或减小，导致消声器的共振频率改变 。

基底基底(a)薄膜两侧不存在压力差(b)薄膜两侧存在压力差图l 气泡致动器的形成机理2.2 弹性薄膜的尺寸弹性薄膜在压力作用下形成气泡的大小与弹性薄膜的尺寸以及压力的大小相关。在相同压力作用下 ，弹性薄膜尺寸越大，其中心位移也越大 ，即气泡的高度越大，同时也要考虑弹性薄膜与基底 的黏结强度。硅橡胶 与金属 的黏接强度 为 0.8～ 1.0MPa[g]，当弹性薄膜发生变形产生的应力大于与基底的黏结强度时，弹性薄膜会从基底脱落，导致器件失效。因此，采用有限元法对压力作用下薄膜的变形情况进行分析。

分别选取边长为 3，6，9，12 mm、厚度为239 m的正方形弹性薄膜进行分析，硅橡胶的弹性梁模量选取为 7 MPaDo3，采用 Mooney-Rivlin超弹性材料模型，压力范围从 10 kPa递增到110 kPa。弹性薄膜的变形情况如图2所示 。

i、 有岳 溅教压力/10Pa图2 压力作用下弹性薄膜的中心位移由图2可以看出，弹性薄膜越小 ，相同压力作用下中心位移越小 。边长为3和6 mm 的弹性薄膜在压力作用下位移的线性明显优于边长为9和12 mm 的弹性薄膜。边长为3和6 mm 的弹性薄膜在所述压力振 动、测 试 与 诊 断 第 32卷表 1 消声器结构参数名称 数值/mm共振腔尺寸壁厚穿孔管穿孔管壁厚消声孔79×79×254335× 33433× 204消声器的结构参数确定后 ，根据式(3)计算得到该共振消声器的共振频率为759 Hz。计算传递损失曲线如图5所示。由图5可以看出，在 759 Hz时，消声器的传递损失最大，说明消声器对这-频率的噪声衰减效果最为明显。

兽 迎声音频率 ，Hz图 5 消声器传递损失为了将致动器安装在消声器上，在消声器的侧壁上加工出 2个 8 cm×3 cm 的矩形槽，将致动薄膜黏附其上 ，最后安装方形密封罩 ，使用环氧胶进行密封。致动薄膜与方形密封罩之间形成密闭腔体，当腔体内的空气被泵出后，弹性薄膜两侧形成压力差，导致薄膜变形，使消声器的共振腔体积发生改变。方形顶罩留有2个气孔，-个用于连接抽气泵，另-个连接调节阀，可对驱动压力进行调节。

3.2 消声器结构设计声学试验系统试验装置如图6所示 ，主要 由以下部分组成。

1)信号发生器：输出不同频率的正弦信号；2)功率放大器：对信号发生器输出的信号进行放大，输入到扬声器；3)扬声器 ：是系统的声源 ；4)消声器：侧壁安装有致动器，致动器发生动作时，共振腔的体积发生改变，从而对不同频率的噪声进行衰减；5)采集系统：由麦克风(声压传感器)、采集设备组成，完成对消声器出口处声压信号的采集，采样频率设为5 k，每次采样5 S，计算平均输出值。

图6 调频式共振消声器试验系统3.3 试验结果试验过程中，致动器的弹性薄膜在不同的驱动压力作用下鼓起的高度不相 同，因此分别测试 了无致动、驱动压力为 0.04和 0.07 MPa时麦克风的输出，测试结果如图 7所示。

图 7 试验结果声音的频率选取在700800 Hz，信号发生器的驱动电压为 3 V。由试验结果可以看出，致动器不发生动作时，声压传感器的输出曲线在745 Hz处发生明显的跳变，声压由0.92 Pa降至 0.71 Pa，变化了22.8 ，说明消声器对这-频率的声音抑制作用最为明显。消声器的固有频率经过计算为759 Hz，由于加工过程中存在误差，因此造成消声器的实际固有频率为745 Hz。通过调节控制阀，将驱动压力调至0.04 MPa时，气泡的弹性薄膜凸起变形，使得消声器的共振腔体积变大，此时声压曲线在736 Hz处，由0.79 Pa变化到0.62 Pa，改变了21.9 。当驱动压力调节至 0.07 MPa时，消声器对频率为 731 Hz的声音衰减作用最为明显，这-频率的声音通过消声器后，声压减小了23.7 。由上述分析可知，致动器发生动作时，消声器的共振腔体积变大，从而导致共振频率减小 ，能够对多个频率的声音进行抑制 ，这与第 6期 吕海峰，等：-种调频式共振消声器的设计 lO25理论分析得到的结果相-致。

4 结束语笔者采用MEMS工艺加工了-种气泡型致动器，致动单元采用柔性材料制作，因此可以整体弯曲变形，适用于各种异型消声器结构～所制作的致动器安装在消声器上，气泡致动器发生动作时，会使消声器共振腔的体积发生改变，导致共振频率随之变化，实现对不同频率噪声的抑制。试验结果表明，当致动器不发生动作时，消声器的共振频率为745 Hz。

当驱动压力为0.04和0.07 MPa时，消声器共振频率分别变化成736和731 Hz。通过调节气泡致动器驱动压力的大小 ，消声器对不同频率噪声产生了显著的抑制作用。