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第 41 卷 第 2 期 全飞熊等： 复合声子结构的声场模拟及噪声 -压电转化设计 189

表 3 纤维颗粒复合吸声层参数
Table 3 Parameters of fiber-granule composite sound absorption layer

厚度/mm 直径 100 mm 样品的质量/g 流阻率/(N·s·m −4 ) 孔隙度 弯曲度 黏性特征长度/µm 热特征长度/µm
2 3.015 2148 0.8402 1.1137 10.626 21.252
3 4.29 4042 0.8364 1.0934 10.672 21.344
4 6.168 6206 0.8356 1.0940 10.989 21.977
5 9.587 7973 0.7967 1.1203 13.292 26.584

dB 实扩展了该结构的吸声频度，且对声能转化为电能
100
的效率未产生负面影响。
90
进一步深入分析，声子晶体结构中短柱的半
80
径、高度以及散射体的形状 [15−16] 等均会对其带隙
70
结构产生影响。纤维层的流阻率、热特征长度 [17]
60
等参数也受其厚度、黏合剂的添加量 [14] 、纤维和颗
50
40 粒的尺寸 [18−20] 以及两种成分比例 [21−22] 的影响。
(a) ጜ፥ᮤዢܭՌծܦࡏവی 在本模型中，声子晶体柱体的半径和高度影响柱体
1.0 之间的距离，局域共振模之间的相互作用经表面耦
0.9 2 mm 合后也随之改变，从而导致局域共振带隙变宽或变
3 mm
0.8 4 mm [23]
5 mm
5 mm 窄 。同时，柱体附着于基底的面积的变化导致了
0.7
其共振频率的改变。纤维层的厚度、纤维和颗粒的
0.6
ծܦጇ஝ 0.5 尺寸也会影响产品的整体吸声效果。两者的吸声效
果在其界面处进行耦合，可通过实验寻找其耦合效
0.4
0.3
果的最优值。超薄吸声材料的界面复合效应及其力
0.2
学性能也是本设计后续的研究重点。
0.1
0 3.5 分析与讨论
0 1000 2000 3000 4000 5000
ᮠဋ/Hz 对该结构的各个部分以及整体效果进行了仿
(b) ˀՏԒएծܦࡏծஆጇ஝
真分析。结果显示在输入声压为 2 Pa 时，声子晶
图 11 纤维颗粒复合吸声层仿真 体结构带隙 1.1 kHz 处，压电片有最高的输出电压
3
Fig. 11 Simulation of fiber-granule composite 0.5 V，输出功率密度达到 308.49 µW/cm 。纤维颗
sound absorption layer 粒复合层对于低频噪声有较好的吸收效果，吸声系
3.4 装置整体效果仿真测试 数达到 0.6。整体结构实现了从低频到中高频噪声
将纤维吸声层模型加入声子晶体结构模型中， 的吸收，并将声能转化为电能可供储存和利用。值
对纤维吸声层设置多孔吸声材料条件，对应多空基 得指出的是，在纤维层内部有很多互相连通的细微
体流阻率为 4042。对整体施加沿 z 轴方向的平面波 空隙，形成的空气通道可等效为固体框架间的毛细
辐射，并添加固体力学压电板块，设置压电区域电荷 管道结构。当噪声入射纤维层时，孔隙壁附件的空
守恒以及接地、终端条件。进行仿真后，得到整体模 气薄层由于黏滞效应与孔隙壁发生摩擦，使声波的
态图如图 12(a) 所示，整体的相对声压级曲线和压 振动能量转化为热能而被吸收 [24] 。同时，PVDF 压
电部分输出电压曲线如图12(b)所示。 电膜面积随着温度的上升会有小幅度缩减。压电
由仿真结果可知，当声子晶体结构与纤维吸声 常数 d 33 在温度达到 40 C 后开始减少，超过 70 C
◦
◦
层结合后，从低频噪声至中高频噪声均有较好的吸 后减少超过 10%。膜电容同样在温度升高至接近
收效果，且压电部分输出电压和功率与单独仿真时 50 C时开始减小 [25] 。这些变化会降低PVDF薄膜
◦
大致相当，证明声子晶体与纤维吸声层复合结构确 的压电转化效率。但由于日常生活噪声中的低频成