Page 155 - 《应用声学》2022年第5期

第 41 卷 第 5 期 陈杰等： 微穿孔介电弹性体薄膜的吸声性能试验分析 831

本文主要从试验角度分析 DE 薄膜吸声体的吸
0 引言
声性能，研究微穿孔的 DE 薄膜结构参数对吸声性
针对薄膜型降噪结构的声学性能研究，大多数 能的影响，分析微穿孔薄膜厚度、穿孔孔径等参数
学者致力于其隔声性能分析 [1−5] 。而薄膜型降噪结 变化对薄膜结构吸声性能的影响。目的是设计一种
构的吸声性能研究主要对象是线弹性薄膜。如鲁 宽频吸声体结构。
灿灿等 [6] 针对芳纶毡体、阻尼弹性薄膜进行了不同
厚度试样的吸声实验。李翔等 [7] 针对聚酯纤维 -薄 1 微穿孔薄膜吸声理论
膜 -筛网复合结构进行了低频吸声性能的优化。林
穿孔的介电弹性体薄膜与背腔组成共振吸声
君等 [8] 对聚对苯乙炔薄膜进行了吸声性能研究。赵
结构。当频率为 f 的声波以声速 c 0 在空气中传播，
俊娟等 [9] 设计研究了一种磁力负刚度薄膜结构的
多孔膜吸声体的吸声系数α 与微穿孔板结构有类似
低频吸声特性。但上述薄膜型吸声结构的吸声峰值
的表达式：
较少，吸声带宽较窄，并且只针对特定的频率有较好
4Re(z)
的降噪效果。 α = , (1)
(1 + Re (z)) + Im (z) 2
2
本文利用一种超弹性薄膜：介电弹性体 (Di-
其中，z 是电声模型的总声阻抗。等效电路有一个电
electric elastomer，简称 DE) 与背腔构成吸声体结
构。DE作为一种电活性聚合物，能够在电刺激下产 阻元件与空气腔体z H = jcotωH/c 0 的电抗串联，其
生形变 [10] 。介电弹性体基本结构是在介电弹性体 中 ω = 2πf。电阻元件由膜阻抗 z m 和穿孔阻抗 z p
薄膜的两侧布置有柔性电极，在电极之间施加电场， 并联组成。总声阻抗为
能够使薄膜在厚度方向形成压缩并在薄膜方向延 z = z m z p + z H . (2)
展 [11] 。由于介电弹性体具有较轻的重量、较高的能 z m + z p
量密度、较高的应变、较快的响应速度，且能够在外 在空气密度为 ρ 0 、空气黏度为 µ 的空气中受到
部电场的作用下产生很大的应变，在撤销电场后又 压力波的作用产生振动。膜的张力 T(v) 可以通过
迅速恢复至初始状态。介电弹性体已应用于人造肌 电压调整。当薄膜半径为 R 0 ，膜面密度为 ρ m 和内
肉仿昆虫独立行走机器人 [12] 、旋转电机 [13] 以及驱 部阻尼为η，其薄膜的声阻抗z m 为 [20]
动器 [14−17] 等领域。 ωρ m [ 2 J 1 (K mem R o ) ] −1
z m = − 1 , (3)
在目前针对介电弹性体的研究中，大多数集中 jρ 0 c 0 K mem R o J 0 (K mem R o )
于介电弹性体驱动器的应用。而介电弹性体质量
其中，K mem = ω ρ m /(T + j2ωη) 与电压相关的常
2
轻，且能够在较宽的频率范围内适应任何形状或表
数，J 1 是一类一阶贝塞尔函数，J 0 是零阶贝塞尔函
面，因此它被认为在声学与降噪技术方面有着很大
数。外径为 R 0 的圆形柔性薄膜孔的声阻抗是半径
的潜力。例如利用它在房间或车辆内部和表面安装
为a的N 个孔的声阻抗总和 [20] 。
扬声器等 [18] ；也可利用 DE 材料设计新型的管道消
[ N 2 ]
∑ a 1
声器 [19] ，该装置能够在外部电场的作用下使 DE 薄 z p = . (4)
2
R z hole (R)
膜的内部应力产生变化，将装置的共振峰值转移至 n=1 0
较低的频率段。 单个孔的声阻抗z h 由式(5)给出 [20] ：
[ ( ) ] −1
j2ρ 0 c 0 J 1 (K air a) J 0 (K mem R) 1
z h (R) = − 1 + , (5)
ωρ m K air a J 0 (K air a) J 0 (K mem R o ) z ′ Maa p
2
2
其中，K air = −j(ρ 0 ω/µ)，p = Na /R 。刚性板中孔的声阻抗Maa [21] 由式(6)给出：
0
√ √
( ′2 ) ( )
t x 2 x a −3 ωt 1 a
′
−3
z Maa = 36.75 × 10 1 + + + j0.294 × 10 1 + √ + 1.70 , (6)
′
2
2
a p 32 4 h p 9 + x /2 t
√
其中，x = a 2f/5是穿孔常数。
′