基于PVDF壓電薄膜陣列的多頻聲源設(shè)計(jì)

胡 明，孔德義，謝東岳，唐曉寧，徐 賀

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230601；2. 中國(guó)科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，傳感技術(shù)聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽省仿生感知與先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；3. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，湖北 武漢 430200)

0 引言

吸聲系數(shù)是衡量吸聲材料性能高低的一項(xiàng)重要指標(biāo)，傳統(tǒng)的檢測(cè)方式通常是在單一頻率噪聲的條件下對(duì)吸聲材料進(jìn)行測(cè)量，常見的測(cè)量方法有駐波管法[1]、傳遞函數(shù)法[2]及混響室法[3]，但實(shí)際環(huán)境噪聲頻率復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)測(cè)試吸聲材料的吸聲性能與實(shí)際應(yīng)用中吸聲效果存在差異[4]，而設(shè)計(jì)一種能模擬實(shí)際應(yīng)用噪聲環(huán)境的多頻聲源信號(hào)，可進(jìn)一步提高吸聲材料的吸聲系數(shù)精確度，對(duì)吸聲材料的檢測(cè)具有重要意義。1997年，ISO3382標(biāo)準(zhǔn)表明，全向聲源是室內(nèi)測(cè)量的一種理想聲源，而十二面體揚(yáng)聲器最受大眾接受。Timothy W.Leishman等[5]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，十二面體揚(yáng)聲器在測(cè)試頻帶上具有很好的輻射均勻性，但十二面體揚(yáng)聲器成本高，體積大，運(yùn)輸難，因此常采用其他聲源代替，如NikolaosM.Papadakis等[6]通過12個(gè)定向揚(yáng)聲器模擬十二面體揚(yáng)聲器的聲場(chǎng)，證明了該方法的有效性。文獻(xiàn)[7-9]將便攜、低成本的氣球、木板等作為一種脈沖源，但可操作性差，脈沖源頻率無法控制。本文提出一種聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜和樹脂基座的復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過外部激勵(lì)電路驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生噪聲頻率、聲壓級(jí)可調(diào)控的多頻聲源信號(hào)，為吸聲降噪等實(shí)驗(yàn)過程中檢測(cè)吸聲降噪性能提供便利。

PVDF薄膜具有材質(zhì)柔韌，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，力電耦合效應(yīng)明顯等特點(diǎn)，常作為致動(dòng)器和傳感器應(yīng)用于降噪、減振領(lǐng)域。本文將PVDF薄膜作為多頻聲源結(jié)構(gòu)中的聲信號(hào)產(chǎn)生元件，代替?zhèn)鹘y(tǒng)聲源結(jié)構(gòu)中的揚(yáng)聲器，通過電壓驅(qū)動(dòng)壓電薄膜產(chǎn)生可控聲源信號(hào)。該結(jié)構(gòu)中，PVDF壓電薄膜陣列由多路輸出信號(hào)電路控制，選用單片機(jī)程控AD模塊實(shí)現(xiàn)四路輸出，通過LCD和按鍵矩陣實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，經(jīng)升壓模塊實(shí)現(xiàn)波形信號(hào)放大，得到幅值(峰-峰值)高達(dá)2 000 V的正弦信號(hào)激勵(lì)壓電薄膜陣列，改變激勵(lì)電壓頻率、幅值，可得到指定頻率、聲壓級(jí)的多頻聲源。

1 聲源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)電路

1.1 聲源結(jié)構(gòu)

聲源裝置由PVDF薄膜、樹脂基座組成，如圖1所示。圖中，1#、2#、3#、4#表示不同編號(hào)的PVDF薄膜?；?、右設(shè)置兩塊擋板，中間每隔2 cm設(shè)置一個(gè)半圓狀凹槽，用來放置PVDF薄膜，共4個(gè)壓電薄膜組成陣列。表1為PVDF的材料參數(shù)。表中，d33為壓電應(yīng)變常數(shù)，g33為壓電電壓常數(shù)，ε/ε0為相對(duì)介電常數(shù)，k33為機(jī)電耦合系數(shù)。PVDF薄膜結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。表中，t為PVDF薄膜厚度。

圖1 壓電陣列底座

表1 PVDF材料參數(shù)

表2 PVDF薄膜結(jié)構(gòu)參數(shù)

多頻聲源實(shí)驗(yàn)測(cè)量在靜音室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，在壓電陣列裝置的正上方和正前方距離陣列裝置20 cm處分別放置傳聲器,用于檢測(cè)PVDF薄膜在外電路激勵(lì)條件下產(chǎn)生的聲源頻譜變化。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 驅(qū)動(dòng)電路

本文設(shè)計(jì)的高壓多路信號(hào)發(fā)生器選用STC-12C5A60S2芯片作為51單片機(jī)的主控芯片，4個(gè)AD9833模塊并聯(lián)輸出4路信號(hào)，通過按鍵與旋鈕控制頻率和幅值。同時(shí)，相應(yīng)的波形參數(shù)值顯示在LCD屏幕上。波形發(fā)生器生成的波形峰-峰值難以達(dá)到PVDF薄膜的驅(qū)動(dòng)電壓。因此，輸出電壓為峰-峰值0～2 000 V、頻率100～2 000 Hz的正弦信號(hào)，將功率放大器和音頻升壓變壓器作為驅(qū)動(dòng)電路的升壓模塊鏈接到信號(hào)發(fā)生器。整體的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

AD9833芯片具有28位加法累加器，即頻率寄存器的位數(shù)N=28，頻率控制字值為

(1)

式中:fout為輸出信號(hào)頻率;fclk為時(shí)鐘頻率，在此STC控制芯片中fclk=25 MHz。

AD9833數(shù)據(jù)端口SDATA采用16位串行讀入，將28位控制字分成2個(gè)14位進(jìn)行處理，通過單片機(jī)不同的端口控制每個(gè)AD9833的FSYNC、MOSI、SCLK端口，在V1端口輸出波形幅值為0～5 V。讀入數(shù)據(jù)時(shí)，將控制端FSYNC清0，在SCLK的脈沖信號(hào)下，MOSI串行讀入28位頻率控制字后，F(xiàn)SYNC置1，完成相應(yīng)的波形頻率，幅值則通過設(shè)置的旋鈕鍵，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)初始化時(shí)，輸出固定頻率、幅值的波形，實(shí)時(shí)判斷是否有按鍵按下，通過單片機(jī)修改相應(yīng)的頻率值再傳送回AD9833模塊中，同時(shí)4個(gè)AD模塊是由單片機(jī)的不同P端口控制，實(shí)現(xiàn)多路輸出波形信號(hào)。軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程

2 結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證PVDF壓電陣列可產(chǎn)生多頻聲源信號(hào)，采取4種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)頻譜對(duì)比,如表3所示。

表3 PVDF薄膜實(shí)驗(yàn)激勵(lì)方案

2.1 方案1

對(duì)1#、4#的單個(gè)PVDF薄膜施加200 V的激勵(lì)電壓進(jìn)行測(cè)試，觀察單個(gè)PVDF薄膜在電壓激勵(lì)的條件下，PVDF薄膜厚度對(duì)聲源頻率的影響。圖5為不同厚度PVDF薄膜在外電場(chǎng)激勵(lì)條件下的頻譜圖。

圖5 在外電場(chǎng)激勵(lì)條件下不同厚度的PVDF薄膜頻譜圖

由圖5(a)可以看出，對(duì)厚200 μm、500 μm的PVDF薄膜施加500 Hz激勵(lì)電壓,在實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)500 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz處，厚200 μm的PVDF薄膜的聲壓級(jí)分別為27.81 dB、10.23 dB、19.95 dB，厚500 μm的PVDF薄膜的聲壓級(jí)分別為46 dB、8.39 dB、13.34 dB。由圖5(b)可知，在電壓頻率500 Hz的激勵(lì)條件下，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)500 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz處,厚200 μm的PVDF薄膜的聲壓級(jí)分別為35.94 dB、18.66 dB、30.46 dB，厚500 μm的PVDF薄膜的聲壓級(jí)分別為41.06 dB、25.22 dB、24.86 dB。

對(duì)厚200 μm、500 μm的PVDF薄膜施加激勵(lì)電壓。在相同激勵(lì)條件下，厚500 μm的PVDF薄膜在激勵(lì)頻率點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓級(jí)高于厚200 μm的PVDF薄膜所產(chǎn)生的效果，但在高頻率點(diǎn)處，厚200 μm的PVDF薄膜激勵(lì)產(chǎn)生的效果較優(yōu)。

2.2 方案2

對(duì)1#單個(gè)PVDF薄膜施加350 V激勵(lì)電壓，改變激勵(lì)電壓頻率，其余PVDF薄膜無激勵(lì)，觀察單個(gè)PVDF薄膜在不同的激勵(lì)頻率條件下，激勵(lì)頻率對(duì)聲源頻率的影響。圖6為單個(gè)PVDF薄膜在不同頻率激勵(lì)條件下的頻譜圖。

圖6 單個(gè)PVDF薄膜在不同頻率激勵(lì)條件下的頻譜圖

由圖6可知，對(duì)于單個(gè)PVDF薄膜施加不同的激勵(lì)頻率，在激勵(lì)頻率點(diǎn)產(chǎn)生聲壓級(jí)峰值，且在激勵(lì)頻率點(diǎn)的倍數(shù)頻率點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生較小的聲壓級(jí)峰值。在不同的頻率點(diǎn)施加相同的激勵(lì)電壓，在高頻率點(diǎn)產(chǎn)生的效果更佳，聲壓級(jí)更高。

正上方傳聲器檢測(cè)到在激勵(lì)頻率點(diǎn)300 Hz、500 Hz、700 Hz、900 Hz產(chǎn)生的聲壓級(jí)峰值分別為26.41 dB、23.47 dB、23.53 dB、28.37 dB，而正前方傳聲器檢測(cè)到在激勵(lì)頻率點(diǎn)300 Hz、500 Hz、700 Hz、900 Hz產(chǎn)生的聲壓級(jí)峰值分別是25.65 dB、26.62 dB、36.48 dB、46.55 dB，相對(duì)于正上方傳聲器檢測(cè)到的聲壓級(jí)，除300 Hz處略微降低，正前方傳聲器檢測(cè)到的聲壓級(jí)明顯較高。

2個(gè)不同方位的傳聲器檢測(cè)到PVDF薄膜的厚度、激勵(lì)頻率對(duì)聲源影響規(guī)律基本相同，且正前方的傳聲器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)效果較佳。

2.3 方案3

通過改變單個(gè)PVDF薄膜激勵(lì)電壓幅值，固定激勵(lì)頻率500 Hz不變，其余PVDF薄膜無激勵(lì)，觀察單個(gè)PVDF薄膜激勵(lì)電壓幅值對(duì)聲源聲壓級(jí)的影響。圖7為單個(gè)PVDF薄膜在不同電壓激勵(lì)條件下的頻譜圖。

圖7 單個(gè)PVDF薄膜在不同電壓激勵(lì)條件下的頻譜圖

由圖7可知，當(dāng)1#單個(gè)PVDF薄膜施加250 V激勵(lì)電壓，在500 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz處聲壓級(jí)分別為29.75 dB、8.5 dB、16.66 dB，增加激勵(lì)電壓至400 V時(shí)，聲壓級(jí)分別為32.14 dB、10.4 dB、19.67 dB。而350 V激勵(lì)電壓在500 Hz激勵(lì)頻率點(diǎn)聲壓級(jí)為26.62 dB，小于250 V激勵(lì)電壓在500 Hz處聲壓級(jí)；在1 500 Hz處，聲壓級(jí)為24.25 dB，高于400 V激勵(lì)電壓在1 500 Hz處的聲壓級(jí)?？傊?，提高激勵(lì)頻率點(diǎn)的激勵(lì)電壓，激勵(lì)頻率點(diǎn)的聲壓級(jí)隨著電壓的升高逐漸增大，同時(shí)在高頻、低頻段均有不同程度的拉升聲壓級(jí)的效果。但當(dāng)施加350 V激勵(lì)電壓時(shí)，在倍數(shù)頻率點(diǎn)明顯提升了聲壓級(jí)，在激勵(lì)頻率點(diǎn)聲壓級(jí)略微降低。

由單個(gè)壓電薄膜激勵(lì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，產(chǎn)生的峰聲級(jí)頻率有限，如900 Hz單獨(dú)激勵(lì)PVDF薄膜僅在激勵(lì)點(diǎn)產(chǎn)生聲壓級(jí)峰值，而300 Hz、500 Hz和700 Hz處激勵(lì)，也僅在激勵(lì)點(diǎn)和激勵(lì)頻率的倍頻處產(chǎn)生兩個(gè)聲壓級(jí)峰值。

2.4 方案4

為實(shí)現(xiàn)多頻聲源信號(hào)，對(duì)多個(gè)型號(hào)的壓電薄膜同時(shí)施加不同頻率的激勵(lì)電壓，分析聲壓級(jí)的頻譜特性。

圖8為PVDF壓電陣列在外電場(chǎng)激勵(lì)條件下的頻譜圖。由圖可知，當(dāng)對(duì)1#PVDF薄膜施加300 Hz激勵(lì)電壓時(shí)，在300 Hz處從21.1 dB提升至26.51 dB，在1 500 Hz處從1.89 dB提升至7.86 dB；當(dāng)同時(shí)用300 Hz和500 Hz激勵(lì)電壓分別激勵(lì)1#、2# PVDF薄膜時(shí)，300 Hz處的峰聲級(jí)升至27.49 dB，500 Hz、1 500 Hz處聲壓級(jí)分別升至41.7 dB、25.75 dB；當(dāng)增加700 Hz激勵(lì)3# PVDF薄膜時(shí)，300 Hz、500 Hz、1 500 Hz處聲壓級(jí)分別為25.86 dB、41.68 dB、27.09 dB，同時(shí)增加了700 Hz、1 000 Hz、1 200 Hz、1 400 Hz 4個(gè)聲壓級(jí)峰值，分別為45.65 dB、14.95 dB、20.2 dB、16.5 dB；當(dāng)增加900 Hz激勵(lì)4# PVDF薄膜時(shí)，300 Hz、500 Hz、700 Hz、1 000 Hz、1 200 Hz、1 400 Hz、1 500 Hz處聲壓級(jí)分別為26.93 dB、42.31 dB、45.43 dB、10.47 dB、18.35 dB、16.92 dB、29.36 dB，額外新增加了900 Hz聲壓級(jí)峰值40.99 dB。

圖8 PVDF壓電陣列在外電場(chǎng)激勵(lì)條件下的頻譜圖

由此可見，保持激勵(lì)電壓不變，當(dāng)增加壓電材料的激勵(lì)數(shù)目，且以不同的頻率施加激勵(lì)，壓電陣列可顯著增加峰聲級(jí)頻率，當(dāng)對(duì)4個(gè)型號(hào)的PVDF薄膜分別施加300 Hz、500 Hz、700 Hz、900 Hz激勵(lì)時(shí)，在300～1 600 Hz頻率段可產(chǎn)生多達(dá)8個(gè)頻率點(diǎn)的峰聲級(jí)，優(yōu)于單個(gè)PVDF薄膜激勵(lì)效果，可滿足吸聲性能檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)所需的多頻率峰值的模擬噪聲源。表4為外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)不同數(shù)量的PVDF薄膜時(shí)，聲源峰聲級(jí)和頻率的變化規(guī)律。

表4 外電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)不同數(shù)量PVDF薄膜對(duì)聲源峰聲級(jí)和頻率的變化規(guī)律

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于PVDF壓電陣列的多頻聲源產(chǎn)生方式，并且設(shè)計(jì)了激勵(lì)PVDF壓電陣列的4路輸出電路，將4個(gè)PVDF薄膜放置在間隔2 cm的半圓弧樹脂基座上，通過對(duì)PVDF薄膜的激勵(lì)電壓幅值和頻率的控制，產(chǎn)生多頻聲源信號(hào)。通過對(duì)該聲源的頻譜特性分析發(fā)現(xiàn)，該壓電陣列能產(chǎn)生指定頻率、聲壓級(jí)的單頻或多頻聲源信號(hào)，可作為具有多頻率峰值的混合聲源應(yīng)用于吸聲材料性能檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)研究。