一种可调的介电弹性体夹层蜂窝-微穿孔板结构及设计方法

摘要

本发明涉及一种可调的介电弹性体夹层蜂窝‑微穿孔板结构，包括上面板与下面板及夹在上面板与下面板之间的蜂窝芯，所述上面板为微穿孔面板，其特征在于，所述蜂窝芯包括上蜂窝芯和下蜂窝芯，所述上蜂窝芯和下蜂窝芯之间设置有介电弹性体薄膜夹层，所述介电弹性体薄膜夹层上设置有柔性电极并由导线引出，通过导线对介电弹性体薄膜夹层施加不同的电压使介电弹性体薄膜夹层处于不同的应力状态。本发明可以根据实际需要，调整结构对应中低频带的吸声峰值以达到最佳的降噪效果；本发明设计方法简单，保证结构轻质的同时，只需周期性加入夹层结构就有较好的吸声效果。

说明书

技术领域

本发明属于蜂窝-微穿孔板结构的改进设计，特别涉及一种可调的介电弹性体夹层蜂窝-微穿孔板结构及设计方法。

背景技术

蜂窝夹层结构作为一种特殊的复合材料结构，以其具有的质轻、比轻度高、性能可设计性、良好的隔声降噪性能已广泛应用于航空航天等工业领域。传统的蜂窝夹层结构由较薄的上下面板与中间较厚的蜂窝夹芯层构成，传统结构在中高频有较好的隔声效果，对结构的中低频吸声效果不够明显。为了提高蜂窝夹层结构的中低频吸声效果，现阶段主要方法是在蜂窝夹层中添加吸声泡沫或者采用蜂窝-微穿孔板组合结构以及主动控制技术。虽然以上技术有一定的中低频吸声效果提升，但是不能做到对吸声频率的可调。

蜂窝-微穿孔板结构参数确定后其可针对的吸声频率就确定了下来。这样就无法实现对整体结构吸声频带的可调。薄膜利用共振吸声原理能够对噪声有很好吸收效果。介电弹性体薄膜具有超大变型、超快响应速度、高疲劳寿命和较好的致电可变形性，利用介电弹性体的致电可变形性能够改变薄膜内部的应力状态从而改变薄膜吸声频率，进而对带有薄膜夹层的蜂窝-微穿孔板结构进行吸声频带调节。

发明内容

本发明在基础的蜂窝-微穿孔板结构基础改进设计了一种致电可变形的薄膜夹层放置在蜂窝-微穿孔板结构中间部位，通过对结构引出导线施加电压能够调整薄膜夹层的内部应力，从而达到调整蜂窝-微穿孔板结构的吸声频带的效果，提升蜂窝-微穿孔板结构整体降噪性能。

本发明通过如下技术方案实现。

一种可调的介电弹性体夹层蜂窝-微穿孔板结构，包括上面板与下面板及夹在上面板与下面板之间的蜂窝芯，所述上面板为微穿孔面板，其特征在于，所述蜂窝芯包括上蜂窝芯和下蜂窝芯，所述上蜂窝芯和下蜂窝芯之间设置有介电弹性体薄膜夹层，所述介电弹性体薄膜夹层上设置有柔性电极并由导线引出，通过导线对介电弹性体薄膜夹层施加不同的电压使介电弹性体薄膜夹层处于不同的应力状态。

优选的，所述蜂窝芯为圆柱形的密排蜂窝芯结构。

优选的，所述介电弹性体薄膜夹层通过亚克力环固定在上蜂窝芯和下蜂窝芯之间。

优选的，以七个蜂窝芯为一个整体，仅在其中相邻的三个蜂窝芯的介电弹性体薄膜夹层上设置柔性电极.

优选的，该三个设置有柔性电极的蜂窝芯的中心呈等边三角形状。

一种可调的介电弹性体夹层蜂窝-微穿孔板结构的设计方法，设计步骤如下：在介电弹性体薄膜上下表面加上电压后，薄膜上下表面会产生电场，由电场力的作用，薄膜的厚度减小，内应力减小；

介电弹性体薄膜内部厚度方向应力σ

其中ε

介电弹性体薄膜内部平面方向应力σ

其中σ

其相应等效薄膜张力为：

介电弹性体材料在厚度方向的应变可写为：

其中Y为介电弹性体材料的弹性模量，E＝V/h是施加的电场强度；

由式(1)-(4)式可知，当其他参数不变的情况下，随着介电弹性体薄膜上电压的增大，其厚度变薄，面内方向应力下降，等效薄膜张力下降；考虑到薄膜张力是薄膜类声学材料的重要参数，张力的变化对薄膜吸声频带有很大影响，可利用介电弹性体薄膜动态调节整体结构的吸声频带；

薄膜的吸声基于共振原理，吸声频带与自身共振频率相关，薄膜的共振频率为：

由式5知，薄膜的共振频率与张力有关，通电后薄膜的张力如式3中T

由式5知当介电弹性体薄膜上下表面存在电压时，介电弹性体薄膜会在电场力的作用下的作用下延展扩大，相应薄膜预应力会降低,介电弹性体薄膜固有频率随之减小，从而吸声频带向低频偏移。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明可以根据实际需要，调整结构对应中低频带的吸声峰值以达到最佳的降噪效果；

2、本发明设计方法简单，保证结构轻质的同时，只需周期性加入夹层结构就有较好的吸声效果。

附图说明

图1是蜂窝-微穿孔板结构图示意图；

图2是带有介电弹性体薄膜夹层的蜂窝-微穿孔板单元结构；

图3是带有介电弹性体薄膜夹层的蜂窝-微穿孔板整体结构；

图4是圆形蜂窝-微穿孔板结构俯视图；

图5是带有薄膜夹层单元的蜂窝-微穿孔板俯视图；

图6是实例结构吸声实验结果图；

图中：1、上面板，2、蜂窝芯，3、下面板，4、介电弹性体薄膜夹层，5、柔性电极，6、导线；201、上蜂窝芯，202、下蜂窝芯。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1至图6所示，一种可调的介电弹性体夹层蜂窝-微穿孔板结构，包括上面板1与下面板3及夹在上面板1与下面板3之间的蜂窝芯2，所述上面板1为微穿孔面板，其特征在于，所述蜂窝芯2包括上蜂窝芯201和下蜂窝芯202，所述上蜂窝芯201和下蜂窝芯202之间设置有介电弹性体薄膜夹层4，所述介电弹性体薄膜夹层4上设置有柔性电极5并由导线6引出，通过导线6对介电弹性体薄膜夹层4施加不同的电压使介电弹性体薄膜夹层4处于不同的应力状态。

作为优选的实施方案，所述蜂窝芯2为圆柱形的密排蜂窝芯结构。

作为优选的实施方案，所述介电弹性体薄膜夹层4通过亚克力环固定在上蜂窝芯201和下蜂窝芯202之间。

作为优选的实施方案，以七个蜂窝芯2为一个整体，仅在其中相邻的三个蜂窝芯2的介电弹性体薄膜夹层4上设置柔性电极5.

作为优选的实施方案，该三个设置有柔性电极5的蜂窝芯2的中心呈等边三角形状。

一种可调的介电弹性体夹层蜂窝-微穿孔板结构的设计方法，设计步骤如下：在介电弹性体薄膜上下表面加上电压后，薄膜上下表面会产生电场，由电场力的作用，薄膜的厚度减小，内应力减小；

介电弹性体薄膜内部厚度方向应力σ

其中ε

介电弹性体薄膜内部平面方向应力σ

其中σ

其相应等效薄膜张力为：

介电弹性体材料在厚度方向的应变可写为：

其中Y为介电弹性体材料的弹性模量，E＝V/h是施加的电场强度；

由式(1)-(4)式可知，当其他参数不变的情况下，随着介电弹性体薄膜上电压的增大，其厚度变薄，面内方向应力下降，等效薄膜张力下降；考虑到薄膜张力是薄膜类声学材料的重要参数，张力的变化对薄膜吸声频带有很大影响，可利用介电弹性体薄膜动态调节整体结构的吸声频带；

薄膜的吸声基于共振原理，吸声频带与自身共振频率相关，薄膜的共振频率为：

由式5知，薄膜的共振频率与张力有关，通电后薄膜的张力如式3中T

由式5知当介电弹性体薄膜上下表面存在电压时，介电弹性体薄膜会在电场力的作用下的作用下延展扩大，相应薄膜预应力会降低,介电弹性体薄膜固有频率随之减小，从而吸声频带向低频偏移。

实施例

为了使蜂窝夹层结构具有较好的吸声效果，在蜂窝芯2的上表面铺设一层参数固定的微穿孔板，及上面板1，如图1所示，在上蜂窝芯201和下蜂窝芯202的夹层中添加介电弹性体薄膜夹层4结构，利用亚克力环3将预拉伸好的介电弹性体薄膜夹层4固定好再与铝制的蜂窝芯2粘连起来。在三个相邻蜂窝芯2中间薄膜夹层上加上柔性电极5，形成整体结构如图3所示，后续引出两条导线6，对导线6施加不同大小的电压，能够使介电弹性体薄膜夹层4处于不同的应力状态，从而达到整体结构的吸声频带调节。

圆柱形的密排蜂窝结构如图3所示，俯视图如图4所示，蜂窝芯2尺存如下：内径28mm，高度66mm，上面板和下面板尺存如下：半径49.5mm,厚度0.5mm，其中上面板穿孔率为5％。实例在完整的七个蜂窝芯中布置好介电弹性体薄膜夹层4，介电弹性体薄膜夹层4具有一定预拉伸，在相邻三个蜂窝芯2涂上柔性电极5，在阻抗管中进行吸声实验，测试蜂窝-微穿孔板结构在加膜(指介电弹性体薄膜夹层4)前后吸声效果情况，后续对结构加上不同电压情况，观察结构吸声效果，如图6所示。

从图6中可以看出加入介电弹性体薄膜夹层4后整体吸声效果在600Hz以后有大幅提升，未加介电弹性体薄膜夹层4时蜂窝结构整体吸声频带大部分在吸声系数0.6以下，加入介电弹性体薄膜夹层4后吸声频带整体提升至吸声系数0.6以上，并且在700Hz到1100Hz左右有吸声系数高达0.8的吸声频带。在给整体结构施加4kv电压后结构整体吸声频带向低频偏移50Hz左右，在给结构加上6kv电压后吸声频带继续向低频偏移。同时在835Hz左右出现一个吸声系数高达0.964的峰值。从实例可以看出，利用本发明在蜂窝-微穿孔板结构中周期性布置介电弹性体薄膜夹层4结构可以实现吸声频带的可调，进而控制噪声。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。