一种隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板

摘要

本发明公开了一种隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，包括第一复合单元和第二复合单元，第二复合单元设置于两个所述第一复合单元之间，第一复合单元包括基板和设置于两个所述基板之间的第一隔声组件，第二复合单元包括连接两个所述第一复合单元的连接板和设置于上下两个所述基板上的压电片。本发明提出了一种隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板结构，该结构由颗粒增强梯度蜂窝芯、正交肋板以及阵列压电片组成，在保证隔声性能的前提下，将增强体颗粒引入梯度蜂窝层作为复合板芯层使结构实现轻质化，十分适合作为飞机、舰船、高铁等高尖端领域的隔声材料。

权利要求

1.一种隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，其特征在于：包括，第一复合单元(100)，包括基板(101)和设置于两个所述基板(101)之间的第一隔声组件(102)；以及，第二复合单元(200)，设置于两个所述第一复合单元(100)之间，包括连接两个所述第一复合单元(100)的连接板(201)和设置于上下两个所述基板(101)上的压电片(202)。

2.如权利要求1所述的隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，其特征在于：所述第一隔声组件(102)包括蜂窝芯层基材(102a)和增强体颗粒(102b)，所述增强体颗粒(102b)设置于所述蜂窝芯层基材(102a)内。

3.如权利要求2所述的隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，其特征在于：所述增强体颗粒(102b)的材料为碳化硅、碳纤维或高熵合金，所述增强体颗粒(102b)的质量分数沿垂直于所述基板(101)方向呈线性梯度分布。

4.如权利要求3所述的隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，其特征在于：位于上方的所述压电片(202)和位于下方的所述压电片(202)对应设置。

5.如权利要求1、2或4任一所述的隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，其特征在于：所述连接板(201)包括横向肋板(201a)和纵向肋板(201b)，所述压电片(202)设置于所述横向肋板(201a)和纵向肋板(201b)所形成的区域内。

6.如权利要求5所述的隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，其特征在于：多个所述压电片(202)形成的阵列外接含有电阻元件的分流电路。

7.如权利要求1、2、4或6任一所述的隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，其特征在于：所述基板(101)采用碳纤维材料。

8.如权利要求1、2、4或6任一所述的隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，其特征在于：所述连接板(201)与所述基板(101)胶连。

9.如权利要求1、2、4或6任一所述的隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，其特征在于：所述连接板(201)采用碳纤维材料。

10.如权利要求2～4任一所述的隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，其特征在于：所述蜂窝芯层基材(102a)的形状为梯形台结构。

说明书

一种隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板

技术领域

[0001] 本发明涉及隔声用复合板技术领域，特别是一种隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板。

背景技术

[0002] 近年来，人们对飞机的乘坐舒适性提出了更高的要求。对于载人飞行器的舒适性，主要是要求在机舱内保持一个较低的振动与噪声水平，从而提高乘客和飞行员的舒适度。飞机舱内的混响噪声场，具有噪声源分布广、源特性复杂、宽频带等特点。因此飞机舱室降噪是一个极其复杂又至关重要的科学问题，是目前民用及军用航空器先进设计技术的前沿研究方向之一。

[0003] 双层结构由于具有良好的隔声、隔热、轻质等性能，被广泛应用于航空航天、高铁等领域。近年来，双层结构在飞机舱室减振降噪领域取得了系列理论和工程实践成果，现有双层结构在中、高频带具有良好的隔声降噪效果，但在低频段降噪效果较差。如果要获得在低频的隔声效果，需要使共振频率向更低频移动，这就需要增大空腔厚度或者增加板的质量，从而间接增加飞机重量，实际上多不可行。若采用Helmholtz共振器和动力吸振器等结构对噪声进行被动控制，则只能在单个共振频率处起到衰减的作用，且随着被控频率的降低，其体积和质量将变得非常巨大，限制了其在宽频带隔声中的应用。因此，如何根据双层隔声结构的声学特性，研究设计新型轻质宽频噪声控制结构，是目前双层隔声控制领域迫切需要解决的关键问题。

发明内容

[0004] 本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

[0005] 鉴于上述和/或现有的隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板中存在的问题，提出了本发明。

[0006] 因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，其包括，第一复合单元，包括基板和设置于两个所述基板之间的第一隔声组件；以及，第二复合单元，设置于两个所述第一复合单元之间，包括连接两个所述第一复合单元的连接板和设置于上下两个所述基板上的压电片。

[0008] 作为本发明所述隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的一种优选方案，其中：所述第一隔声组件包括蜂窝芯层基材和增强体颗粒，所述增强体颗粒设置于所述蜂窝芯层基材内。

[0009] 作为本发明所述隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的一种优选方案，其中：所述增强体颗粒的材料为碳化硅、碳纤维或高熵合金，所述增强体颗粒的质量分数沿垂直于所述基板方向呈线性梯度分布。

[0010] 作为本发明所述隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的一种优选方案，其中：位于上方的所述压电片和位于下方的所述压电片对应设置。

[0011] 作为本发明所述隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的一种优选方案，其中：所述连接板包括横向肋板和纵向肋板，所述压电片设置于所述横向肋板和纵向肋板所形成的区域内。

[0012] 作为本发明所述隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的一种优选方案，其中：多个所述压电片形成的阵列外接含有电阻元件的分流电路。

[0013] 作为本发明所述隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的一种优选方案，其中：所述基板采用碳纤维材料。

[0014] 作为本发明所述隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的一种优选方案，其中：所述连接板与所述基板胶连。

[0015] 作为本发明所述隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的一种优选方案，其中：所述连接板采用碳纤维材料。

[0016] 作为本发明所述隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的一种优选方案，其中：所述蜂窝芯层基材的形状为梯形台结构。

[0017] 本发明有益效果为：提出了一种隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板结构，该结构由颗粒增强梯度蜂窝芯、正交肋板以及阵列压电片组成，在保证隔声性能的前提下，将增强体颗粒引入梯度蜂窝层作为复合板芯层使结构实现轻质化，十分适合作为飞机、舰船、高铁等高尖端领域的隔声材料。

附图说明

[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

[0019] 图1为隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的结构图。

[0020] 图2为隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的侧视图。

[0021] 图3为隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的单个蜂窝芯层基材示意图。

[0022] 图4为隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的单个蜂窝芯层基材俯视图。

[0023] 图5为隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的连接板与蜂窝芯层基材位置示意图。

[0024] 图6为隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的压电片与连接板位置示意图。

[0025] 图7为隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的隔声量曲线示意图。

[0026] 图8为隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的加入增强体颗粒后隔声量曲线示意图。

[0027] 图9为隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的加入压电片后隔声量曲线示意图。

[0028] 图10为隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板的加入压电片时外接的分流电路示意图。

具体实施方式

[0029] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0030] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0031] 其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

[0032] 实施例1

[0033] 参照图1～图6，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板包括第一复合单元100和第二复合单元200，第二复合单元200设置于两个所述第一复合单元100之间。

[0034] 具体的，第一复合单元100包括基板101和设置于两个所述基板101之间的第一隔声组件102，第二复合单元200包括连接两个所述第一复合单元100的连接板201和设置于上下两个所述基板101上的压电片202，所述基板101、连接板201优选采用碳纤维材料，质地更轻，隔音效果更好。连接板201与所述基板101通过环氧树脂AB胶胶粘剂或改性聚氨酯胶粘剂进行胶连。压电片202敷设在基板101表面。多个压电片202以基板101的两条中心线对称设置。

[0035] 优选的，所述第一隔声组件102包括蜂窝芯层基材102a和增强体颗粒102b，所述增强体颗粒102b设置于所述蜂窝芯层基材102a内，可以通过粉末冶金工艺将增强体颗粒102b和蜂窝芯层基材102a的混合物进行冷压烧结。蜂窝芯层基材102a的形状为梯形台结构，使用的材料更少，质量更轻。蜂窝芯层基材102a采用铝基复合材料，

[0036] 优选的，所述增强体颗粒102b的材料为碳化硅、碳纤维或高熵合金，所述增强体颗粒102b的质量分数沿垂直于所述基板101方向呈线性梯度分布。

[0037] 位于上方的所述压电片202和位于下方的所述压电片202对应设置。

[0038] 述连接板201包括横向肋板201a和纵向肋板201b，所述压电片202设置于所述横向肋板201a和纵向肋板201b所形成的区域内。

[0039] 多个所述压电片202形成的阵列外接含有电阻元件的分流电路。

[0040] 需要注意的是，在铝基材料中增加碳纳米增强体颗粒将改变材料的体积模量K，剪切模量G，杨氏模量E以及泊松比v，颗粒增强材料参数等效理论如下：

[0041]

[0042]

[0043]

[0044]

[0045] 其中Vf为增强体体积分数，Kf为增强体体积模量，Km为基体体积模量，Gf为增强体剪切模量，Gm为基体剪切模量。

[0046] 在靠近肋板一侧的基板101上敷设压电片202并外接分流电路将进一步改变材料的杨氏模量E以及泊松比v，压电片202参数等效理论如下：

[0047]

[0048]

[0049]

[0050]

[0051] 其中，hp为压电片厚度，Ap为压电片面积，ω为角频率，Z为压电片等效阻抗，Cp为压电片及其分流电路等效电容，R1和R2为外接分流电路的电阻，s11和s12为压电片柔度系数，d31为压电片压电系数，ε33为压电片介电常数。将压电片202的参数与基板101的参数进一步等效，得到含压电阵列碳纤维基板的杨氏模量与泊松比，其等效理论如下：

[0052]

[0053]

[0054] 其中，Ep为压电片的等效杨氏模量，vp为压电片的等效泊松比，κ为压电片与碳纤维表板的面积比。

[0055] 需要说明的是，平面声波可垂直入射或斜入射到复合板表面。

[0056] 本发明所述结构，采用颗粒增强梯度蜂窝作为芯层可以在保证隔声性能的同时，实现芯层结构的轻质化，此外，梯度蜂窝的强度高于普通蜂窝，因此可以满足整个双层复合板隔声结构的强度设计要求。

[0057] 本发明中的梯度蜂窝层中具有正向排列和反向排列的空腔结构，利用声波与梯度蜂窝的空腔结构耦合共振，可以实现低频范围内有效的隔声效果。通过调节结构尺寸，从而改变空腔尺寸及其对应的空腔谐振频率，可以实现对隔声峰值与谷值的调谐。

[0058] 本发明中的增强梯度蜂窝芯双层复合板，可通过改变增强体颗粒102b尺寸、形状、排列方式、填充率等参数调节弹性模量、密度等力学参数，从而实现隔声峰值和谷值的调谐，改善结构的隔声性能。

[0059] 本发明中的压电片202阵列，将增强梯度蜂窝芯双层复合板受到声激励所产生的振动能转换为电能，并通过外接分流电路中的电阻元件将电能耗散掉。调节电阻元件参数能够改变外接分流电路的谐振频率，可以实现对隔声峰值和谷值的调谐。

[0060] 实施例2

[0061] 参照图1～10，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例。

[0062] 蜂窝芯层基材102a为梯形台结构，其边长尺寸沿垂直于基板101方向线性梯度变化，最小边长尺寸为a1，最大边长尺寸为a2，蜂窝芯层的厚度为t，蜂窝芯层高度为h1，基板101厚度为h2，增强体颗粒102b半径尺寸为r1，增强体颗粒102b质量分数为n。连接板201的高度为H，横向肋板201a间距为lx，纵向肋板201b间距为ly。

[0063] 压电阵列为PZT_5H类型，并外接分流电路，压电片202边长为ap，压电片202厚度为hp，压电片202柔度系数为s11和s12，压电片202压电系数为d31，压电片202介电常数为ε33，压电片202与横向肋板201a距离为lx1，压电片202与纵向肋板201b距离为ly1，分流电路包含电阻元件电阻为R1和R2。

[0064] 在本实施例中，芯层高度为h1＝20mm，基板101厚度为h2＝5mm，蜂窝芯层基材102a最小边长为a1＝5mm，蜂窝芯层基材102a最大边长为a2＝10mm，蜂窝芯厚度为t＝0.5mm，连接板201高度为H＝30mm，横向肋板201a间距为lx＝17.32mm，纵向肋板201b间距为ly＝15mm，入射角度为θ＝30°时，经过仿真测试，如图7，该复合板在285Hz时达到最大隔声量
39.7dB，在频率为511Hz左右时，隔声量曲线出现谷值，并在100‑10000Hz频带范围内的平均隔声量达到89.0dB。

[0065] 在梯度蜂窝芯层中添加增强体颗粒102b，当增强体颗粒102b质量分数为n＝1％9
时，蜂窝芯层基材102a的材料为铝合金，其弹性模量E＝50*10Pa，泊松比v＝0.33，密度ρ＝
3 9
2700kg/m ，增强体颗粒102b的材料为碳纳米颗粒，其弹性模量E＝3700*10 Pa，泊松比v＝
3 9
0.307，密度ρ＝1500kg/m ，基板101的材料为碳纤维板，其弹性模量E＝700*10Pa，泊松比v
3
＝0.307，密度ρ＝1500kg/m ，经过仿真测试，如图8，其中虚线为未增加增强体颗粒102b的隔声量曲线，实线为增加增强体颗粒102b后的隔声量曲线。由图8可知，在增加碳纳米颗粒之后，隔声量曲线的第一个峰值并无太大变化，但双层复合板在100‑10000Hz频段的平均隔声量峰值增加2.2dB，隔声谷值对应频率向低频移动至495Hz。主要是因为碳纳米颗粒具有高弹性模量和低密度，结构刚度增加，声波在经过界面时发生强烈的阻抗失配，因此声波被更高程度上阻隔；且高弹性模量的增强体颗粒使进入梯度蜂窝芯层的声能量被更多地耗散，综合以上两点实现了隔声量的提高。

[0066] 通过添加压电片202阵列及其外接分流电路，当压电片202边长尺寸为ap＝4mm，压‑12 ‑12电片202厚度为hp＝0.5mm，压电片202柔度系数为s11＝16.5×10 ，s12＝‑4.78×10 ，压‑10 ‑8
电片202压电系数为d31＝‑2.74×10 ，压电片202介电常数为ε33＝3.01×10 ，压电片202与横向肋板201a距离为lx1＝4.16mm，压电片202与纵向肋板201b距离为ly1＝3mm，分流电路电阻R1＝0.3R2时，经过仿真测试，如图9，其中虚线为未增加压电片202阵列的隔声量曲线，实线为增加压电片202阵列后的隔声量曲线。由图9可知，在增加压电片202阵列之后，双层复合板的隔声量峰值增加4.87dB，隔声谷值对应频率进一步向低频移动约37Hz，这是由于压电片及其外接分流电路将声波对板产生的振动能量转化为电能并通过外界分流电路耗散，从而增强隔声性能。

[0067] 综上所述，本发明设计的隔声用含压电阵列颗粒增强梯度蜂窝芯双层复合板，可应用于对结构轻质化要求较高的隔声结构中。通过加入碳纳米增强体颗粒，在保持整体质量不增加的同时提高芯层材料的杨氏模量，突破传统方法中根据质量定律，通过增加结构质量提高隔声量的限制。通过引入压电阵列及其外接分流电路，可实现对隔声频带的调谐作用

[0068] 应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。