用于三层有源隔声结构误差传感的压电传感薄膜阵列及其优化设计

    基于平面声源的三层有源隔声结构系统易于实现且具有良好的低频隔声性能,实现该系统需解决的关键问题是误差信号的检测.本文将压电传感薄膜聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)阵列检测简支梁辐射模态的理论拓展到二维结构,并应用到三层隔声结构实现误差传感的优化设计.根据三层结构中特殊的能量传输规律,对误差传感方案中目标函数的选取、PVDF数目确定以及传感系统优化等问题进行深入分析.研究表明,由于辐射板能量主要集中在有限个振动模态上,只需将少数经固定系数加权的PVDF薄膜输出电流求和即可获得前三阶辐射模态幅值.辐射模态幅值的检测值与理论值符合良好,保证传感精度的同时有效简化了系统. 

    1引言

    与单层结构相比，双层隔声结构具有优越的隔声性能，被广泛应用到噪声控制领域.双层隔声结构在中高频具有良好的隔声性能，受板一腔祸合共振的影响，在低频段其隔声性能急剧下降.单纯通过施加被动措施(如添加吸声与隔声材料等)不但收效甚微而且会增加系统重量.为了提高低频隔声性能，将有源控制技术引入双层结构，形成了双层有源隔声结构[1-81

    己有的双层结构有源控制可分为利用次级力源控制结构振动[2-4,7, 8]和利用次级声源控制空腔声场[X1,3-8]两种策略.空腔控制策略从传播途径有效抑制了声能量的传输，与结构控制策略相比能获得更好的控制效果[#].传统的次级声源为集中参数系统的电动式纸盆扬声器，其体积庞大不易安装，导致系统难以实现.近年来，像平面扬声器这类分布参数式扬声器得到极大发展，且被逐步应用到有源噪声控制领域[9-11}.将平面声源平行置于双层结构中形成的三层有源隔声结构，系统易于实现，进行有源隔声的同时能进一步提高系统的被动隔声性能.

    基于平面声源的多层有源隔声结构系统实现时，误差信号的检测是关键性且关乎整个系统性能的问题.直接传感外侧辐射板的声功率需要大量位于远场的声传感器[f121，且太长的次级通路延时还会影响系统的稳定性[f131，导致系统难以实现.于是，人们引入结构传感器来代替声传感器，其中较有效的传感方式应将结构一流体的祸合考虑在内，念[X14]的提出解决了上述问题，它是结构表面一组相互独立的辐射形式，只要减少任一阶辐射模态的幅值(或声功率)，总的声功率就可降低[}15,16}.辐射模态幅值可通过结构传感器(如分布式智能材料聚偏氟乙烯，PVDF)测量获得[}17}，实现了误差传感的同时使得控制系统更加简单紧凑.单层或双层板情况下，仅以前一阶或两阶辐射模态的声功率为控制目标即可获得满意的宽频段降噪效果[yg-2y.然而对于本文所涉及的三层结构，由于特殊的声能量传输规律导致辐射板低频段内不同的辐射模态声功率在不同的频段占主导，因而控制目标须同时包含前三阶辐射模态的声功率才能获得低频段内良好的降噪效果.采用条形PVDF薄膜进行直接传感，传感一阶辐射模态幅值需设计两条甚至多条[22]具有特定形状的PVDF薄膜，且必须布置于特定位置.对于本文的三层结构，就需同时设计多对形状各异且布置于特定位置的PVDF薄膜，这无疑增加了PVDF薄膜的裁剪与敷设难度，同时增大检测误差.间接传感辐射模态幅值}23}，虽然无须形状设计但要获得精确的检测结果需布置大量的PVDF薄膜，系统仍无法实现.由于三层结构中声能量的特殊传输规律，导致辐射板能量主要集中在有限几个振动模态内.结合上述规律，本文对通过PVDF薄膜阵列检测辐射模态幅值的传感策略进行优化设计，能同时克服上述传感方式的弊端而有效解决三层复杂结构的误差传感问题.