基于PVDF壓電薄膜陣列的多頻聲源設計

胡 明，孔德義，謝東岳，唐曉寧，徐 賀

(1.合肥工業大學 電子科學與應用物理學院，安徽 合肥 230601；2. 中國科學院 合肥物質科學研究院，傳感技術聯合國家重點實驗室，安徽省仿生感知與先進機器人技術重點實驗室，安徽 合肥 230031；3. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院，紡織新材料與先進加工技術國家重點實驗室培育基地，湖北 武漢 430200)

0 引言

吸聲系數是衡量吸聲材料性能高低的一項重要指標，傳統的檢測方式通常是在單一頻率噪聲的條件下對吸聲材料進行測量，常見的測量方法有駐波管法[1]、傳遞函數法[2]及混響室法[3]，但實際環境噪聲頻率復雜，實驗測試吸聲材料的吸聲性能與實際應用中吸聲效果存在差異[4]，而設計一種能模擬實際應用噪聲環境的多頻聲源信號，可進一步提高吸聲材料的吸聲系數精確度，對吸聲材料的檢測具有重要意義。1997年，ISO3382標準表明，全向聲源是室內測量的一種理想聲源，而十二面體揚聲器最受大眾接受。Timothy W.Leishman等[5]實驗結果表明，十二面體揚聲器在測試頻帶上具有很好的輻射均勻性，但十二面體揚聲器成本高，體積大，運輸難，因此常采用其他聲源代替，如NikolaosM.Papadakis等[6]通過12個定向揚聲器模擬十二面體揚聲器的聲場，證明了該方法的有效性。文獻[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合結構，通過外部激勵電路驅動，產生噪聲頻率、聲壓級可調控的多頻聲源信號，為吸聲降噪等實驗過程中檢測吸聲降噪性能提供便利。

PVDF薄膜具有材質柔韌，化學性質穩定，力電耦合效應明顯等特點，常作為致動器和傳感器應用于降噪、減振領域。本文將PVDF薄膜作為多頻聲源結構中的聲信號產生元件，代替傳統聲源結構中的揚聲器，通過電壓驅動壓電薄膜產生可控聲源信號。該結構中，PVDF壓電薄膜陣列由多路輸出信號電路控制，選用單片機程控AD模塊實現四路輸出，通過LCD和按鍵矩陣實現人機交互界面，經升壓模塊實現波形信號放大，得到幅值(峰-峰值)高達2 000 V的正弦信號激勵壓電薄膜陣列，改變激勵電壓頻率、幅值，可得到指定頻率、聲壓級的多頻聲源。

1 聲源結構設計與驅動電路

1.1 聲源結構

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#表示不同編號的PVDF薄膜。基座左、右設置兩塊擋板，中間每隔2 cm設置一個半圓狀凹槽，用來放置PVDF薄膜，共4個壓電薄膜組成陣列。表1為PVDF的材料參數。表中，d33為壓電應變常數，g33為壓電電壓常數，ε/ε0為相對介電常數，k33為機電耦合系數。PVDF薄膜結構參數如表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

表2 PVDF薄膜結構參數

多頻聲源實驗測量在靜音室中進行，實驗裝置如圖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PVDF薄膜在外電路激勵條件下產生的聲源頻譜變化。

圖2 實驗裝置

1.2 驅動電路

本文設計的高壓多路信號發生器選用STC-12C5A60S2芯片作為51單片機的主控芯片，4個AD9833模塊并聯輸出4路信號，通過按鍵與旋鈕控制頻率和幅值。同時，相應的波形參數值顯示在LCD屏幕上。波形發生器生成的波形峰-峰值難以達到PVDF薄膜的驅動電壓。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，將功率放大器和音頻升壓變壓器作為驅動電路的升壓模塊鏈接到信號發生器。整體的硬件結構如圖3所示。

圖3 硬件電路結構框圖

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

(1)

式中:fout為輸出信號頻率;fclk為時鐘頻率，在此STC控制芯片中fclk=25 MHz。

AD9833數據端口SDATA采用16位串行讀入，將28位控制字分成2個14位進行處理，通過單片機不同的端口控制每個AD9833的FSYNC、MOSI、SCLK端口，在V1端口輸出波形幅值為0～5 V。讀入數據時，將控制端FSYNC清0，在SCLK的脈沖信號下，MOSI串行讀入28位頻率控制字后，FSYNC置1，完成相應的波形頻率，幅值則通過設置的旋鈕鍵，可實時調節。系統初始化時，輸出固定頻率、幅值的波形，實時判斷是否有按鍵按下，通過單片機修改相應的頻率值再傳送回AD9833模塊中，同時4個AD模塊是由單片機的不同P端口控制，實現多路輸出波形信號。軟件設計流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程

2 結果與分析

為了驗證PVDF壓電陣列可產生多頻聲源信號，采取4種實驗方案進行實驗頻譜對比,如表3所示。

表3 PVDF薄膜實驗激勵方案

2.1 方案1

對1#、4#的單個PVDF薄膜施加200 V的激勵電壓進行測試，觀察單個PVDF薄膜在電壓激勵的條件下，PVDF薄膜厚度對聲源頻率的影響。圖5為不同厚度PVDF薄膜在外電場激勵條件下的頻譜圖。

圖5 在外電場激勵條件下不同厚度的PVDF薄膜頻譜圖

由圖5(a)可以看出，對厚200 μm、500 μm的PVDF薄膜施加500 Hz激勵電壓,在實驗測量點500 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz處，厚200 μm的PVDF薄膜的聲壓級分別為27.81 dB、10.23 dB、19.95 dB，厚500 μm的PVDF薄膜的聲壓級分別為46 dB、8.39 dB、13.34 dB。由圖5(b)可知，在電壓頻率500 Hz的激勵條件下，在實驗測量點500 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz處,厚200 μm的PVDF薄膜的聲壓級分別為35.94 dB、18.66 dB、30.46 dB，厚500 μm的PVDF薄膜的聲壓級分別為41.06 dB、25.22 dB、24.86 dB。

對厚200 μm、500 μm的PVDF薄膜施加激勵電壓。在相同激勵條件下，厚500 μm的PVDF薄膜在激勵頻率點產生的聲壓級高于厚200 μm的PVDF薄膜所產生的效果，但在高頻率點處，厚200 μm的PVDF薄膜激勵產生的效果較優。

2.2 方案2

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

圖6 單個PVDF薄膜在不同頻率激勵條件下的頻譜圖

由圖6可知，對于單個PVDF薄膜施加不同的激勵頻率，在激勵頻率點產生聲壓級峰值，且在激勵頻率點的倍數頻率點也會產生較小的聲壓級峰值。在不同的頻率點施加相同的激勵電壓，在高頻率點產生的效果更佳，聲壓級更高。

正上方傳聲器檢測到在激勵頻率點300 Hz、500 Hz、700 Hz、900 Hz產生的聲壓級峰值分別為26.41 dB、23.47 dB、23.53 dB、28.37 dB，而正前方傳聲器檢測到在激勵頻率點300 Hz、500 Hz、700 Hz、900 Hz產生的聲壓級峰值分別是25.65 dB、26.62 dB、36.48 dB、46.55 dB，相對于正上方傳聲器檢測到的聲壓級，除300 Hz處略微降低，正前方傳聲器檢測到的聲壓級明顯較高。

2個不同方位的傳聲器檢測到PVDF薄膜的厚度、激勵頻率對聲源影響規律基本相同，且正前方的傳聲器檢測到的數據效果較佳。

2.3 方案3

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

圖7 單個PVDF薄膜在不同電壓激勵條件下的頻譜圖

由圖7可知，當1#單個PVDF薄膜施加250 V激勵電壓，在500 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz處聲壓級分別為29.75 dB、8.5 dB、16.66 dB，增加激勵電壓至400 V時，聲壓級分別為32.14 dB、10.4 dB、19.67 dB。而350 V激勵電壓在500 Hz激勵頻率點聲壓級為26.62 dB，小于250 V激勵電壓在500 Hz處聲壓級；在1 500 Hz處，聲壓級為24.25 dB，高于400 V激勵電壓在1 500 Hz處的聲壓級。總之，提高激勵頻率點的激勵電壓，激勵頻率點的聲壓級隨著電壓的升高逐漸增大，同時在高頻、低頻段均有不同程度的拉升聲壓級的效果。但當施加350 V激勵電壓時，在倍數頻率點明顯提升了聲壓級，在激勵頻率點聲壓級略微降低。

由單個壓電薄膜激勵的實驗結果可看出，產生的峰聲級頻率有限，如900 Hz單獨激勵PVDF薄膜僅在激勵點產生聲壓級峰值，而300 Hz、500 Hz和700 Hz處激勵，也僅在激勵點和激勵頻率的倍頻處產生兩個聲壓級峰值。

2.4 方案4

為實現多頻聲源信號，對多個型號的壓電薄膜同時施加不同頻率的激勵電壓，分析聲壓級的頻譜特性。

圖8為PVDF壓電陣列在外電場激勵條件下的頻譜圖。由圖可知，當對1#PVDF薄膜施加300 Hz激勵電壓時，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；當同時用300 Hz和500 Hz激勵電壓分別激勵1#、2# PVDF薄膜時，300 Hz處的峰聲級升至27.49 dB，500 Hz、1 500 Hz處聲壓級分別升至41.7 dB、25.75 dB；當增加700 Hz激勵3# PVDF薄膜時，300 Hz、500 Hz、1 500 Hz處聲壓級分別為25.86 dB、41.68 dB、27.09 dB，同時增加了700 Hz、1 000 Hz、1 200 Hz、1 400 Hz 4個聲壓級峰值，分別為45.65 dB、14.95 dB、20.2 dB、16.5 dB；當增加900 Hz激勵4# PVDF薄膜時，300 Hz、500 Hz、700 Hz、1 000 Hz、1 200 Hz、1 400 Hz、1 500 Hz處聲壓級分別為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聲壓級峰值40.99 dB。

圖8 PVDF壓電陣列在外電場激勵條件下的頻譜圖

由此可見，保持激勵電壓不變，當增加壓電材料的激勵數目，且以不同的頻率施加激勵，壓電陣列可顯著增加峰聲級頻率，當對4個型號的PVDF薄膜分別施加300 Hz、500 Hz、700 Hz、900 Hz激勵時，在300～1 600 Hz頻率段可產生多達8個頻率點的峰聲級，優于單個PVDF薄膜激勵效果，可滿足吸聲性能檢測等實驗所需的多頻率峰值的模擬噪聲源。表4為外加電場驅動不同數量的PVDF薄膜時，聲源峰聲級和頻率的變化規律。

表4 外電場驅動不同數量PVDF薄膜對聲源峰聲級和頻率的變化規律

3 結束語

本文提出了一種基于PVDF壓電陣列的多頻聲源產生方式，并且設計了激勵PVDF壓電陣列的4路輸出電路，將4個PVDF薄膜放置在間隔2 cm的半圓弧樹脂基座上，通過對PVDF薄膜的激勵電壓幅值和頻率的控制，產生多頻聲源信號。通過對該聲源的頻譜特性分析發現，該壓電陣列能產生指定頻率、聲壓級的單頻或多頻聲源信號，可作為具有多頻率峰值的混合聲源應用于吸聲材料性能檢測等實驗研究。