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壓電陶瓷促動器在低頻噪聲控制等室內聲學中的應用

更新時間: 2022-12-28

低頻噪聲或通常50100Hz范圍內的低頻聲波,始終是最難吸收或操縱的。它穿透能力強、傳播距離遠、不易衰減,因此,對其進行有效控制是非常難的。

人造吸聲材料或超材料的出現(xiàn)使有效的聲音衰減成為可能,但這種被動聲學結構在低頻范圍仍然受到結構尺寸的限制。

主動消聲/降噪技術是通過發(fā)射與噪聲的頻譜相同但相位相反(即差180°)的聲波,即主動發(fā)射響應波來干涉和消除一定體積內的噪聲波,對噪聲進行干擾、中和、消除。這種技術在耳機、汽車等領域應用非常廣泛。 

壓電陶瓷促動器是一種出力大、位移相對較小的執(zhí)行器,它的出力可達上萬牛頓,位移可從幾μm260μm以上不等。它有多種不同尺寸,外徑越大,它的出力越大;高度越高,它的位移將越長。


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壓電陶瓷促動器舉例


型號

行程

/拉力

空載諧振頻率

PSt150/5/60 VS10

57μm

550/100N

15kHz

PSt150/7/80 VS12

76μm

1200/200N

12kHz

PSt150/10/100 VS15

95μm

2300/250N

10kHz

PSt150/14/120 VS20

114μm

4700/700N

8kHz

PSt150/20/140 VS25

133μm

7300/1000N

6kHz

PSt150/20/200 VS25

190μm

7300/1000N

3kHz

PSt1000/10/150 VS18

150μm

4000/700N

5kHz

PSt1000/16/60 VS25

60μm

12000/1500N

27kHz

PSt1000/25/40 VS35

40μm

25000/4000N

30kHz

PSt1000/35/20 VS45

20μm

50000/6000N

35kHz



而通過壓電陶瓷促動器進行低頻噪聲控制的原理,是通過壓電促動器對噪聲空間內的墻壁進行振動位移調節(jié),如位移頻率、相位等,從而改變墻壁等表面的阻抗。當墻壁的阻抗與空氣的阻抗相匹配時,會使得噪音被全部吸收,而當其阻抗為零時,就會引起相位反轉,引起全反射。此外,也可以調制反射波的幅度。


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要使壓電陶瓷促動器的調諧達到效果,可以通過聲傳感器與壓電控制器形成閉環(huán)控制,聲傳感器(如麥克風等)對噪聲進行接收、處理,并生成相應的電信號,電信號可以反饋至壓電控制器,壓電控制器對其進行接收、處理后,再發(fā)送與調諧位移相對應的電壓信號至壓電陶瓷促動器,壓電陶瓷促動器產生對應的振動位移,使得其驅動的墻壁產生振動位移,進行調諧,達到噪聲的全吸收或全反射。


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低頻噪聲一般波長較長,對壓電陶瓷促動器的位移要求較大,因此就需要對壓電陶瓷促動器的位移進行放大。但也因它的低頻,時間延遲相比高頻要長,感測噪聲的傳感器可以具有更多的處理時間,壓電陶瓷促動器也具有更多的位移調節(jié)時間,位移振動功率也相對更低。

壓電陶瓷促動器的工作功率通常小于5W,可通過U^2fC進行估算。


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針對大位移的要求,可采用機械放大結構,將壓電陶瓷促動器的位移進行放大,達到低頻波長要求。

此外,也可直接采用壓電機構放大促動器對墻壁進行驅動,它的出力相對要小,但它輸出的位移更大,可長達2mm。




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壓電機構放大促動器舉例


型號

行程

推力

空載諧振頻率

95A10

95μm

540N

350Hz

100A7

100μm

155N

1950Hz

500A10

500μm

22.5N

390Hz

2000A10

1600μm

11.2N

190Hz



在壓電促動器的驅動下,聲波反射的墻壁是主動可調諧的。而為了將噪聲全部吸收或全部反射,就需要其具有與噪聲相同頻率和相同幅度,但相位相反。首先,要將墻壁位移的相位與噪聲波的相位重合,并鎖定,再通過壓電陶瓷促動器對墻壁的位移進行連續(xù)的調整,以找到降噪的最佳位置。

在該過程中,墻壁的振動調整,即表面阻抗調整,需要在噪聲到達前調整完成。電信號傳輸速率比聲信號傳播要快得多,傳感器的信號會比噪聲提前到達,這為其后續(xù)降噪提供了優(yōu)勢。此外,聲傳感器與噪聲間距離更近,也會提高傳感信號的反饋和處理速度。聲傳感器的信號要提前到達,生成所需的驅動信號,并到達壓電陶瓷促動器,對幅度、相位等進行調節(jié),從而調整壁阻抗。在多種聲源情況下,就需要針對合成音軌進行調諧。


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該噪聲消除方式是針對低頻聲音。對于高頻聲波的控制,也可采用類似方法,但也可采用被動聲學超材料具有很好的效果。果針對較聲波控制,可采用主動調諧與被動控制相結合的方式。


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結語



通過壓電陶瓷促動器的快速位移幅度調節(jié),實現(xiàn)50100HZ低頻范圍的壁阻抗調節(jié),能夠實現(xiàn)全吸收或全反射的效果。對壓電陶瓷促動器的位移進行線性放大,以滿足低頻波長的要求,實現(xiàn)壁表面阻抗調制的目的。即使較小尺寸的壁面,也將會產生較好的降噪效果,對低頻聲音進行有效降噪,提供更好的室內聽覺體驗,該方法非常適用于各類場景的低頻降噪。

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