單層寬頻柔性微穿孔板的加工方法和聲學特性研究

謝東岳，孔德義，李國欣，胡 明，徐 賀，錢玉潔，唐曉寧

(1. 合肥工業大學，安徽合肥230009；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. 中國科學技術大學，安徽合肥230026；4. 河海大學常州校區，江蘇常州213022；5. 武漢紡織大學，湖北武漢430200)

0 引 言

自馬大猷教授提出的微穿孔板理論模型[1-2]首次應用于德國波恩聯邦議會大廳以來[3]，由于其構造簡單、不污染環境、可回收重復利用、耐高溫高濕惡劣環境等特點，已經在建筑物內部、消聲器、輪船等眾多領域得到了廣泛應用，不過仍存在以下不足：(1) 與多孔吸聲材料相比，微穿孔板的吸聲頻帶相對較窄，通常只有1～2個倍頻程，雖然采用雙層或多層微穿孔板串聯可將吸聲頻帶拓寬到3個倍頻程以上[4-13]，但會增加微穿孔板的空間體積和制造成本，因此拓寬單層微穿孔板的吸聲頻帶，發揮其最大吸聲潛能，是一項非常有意義的研究工作；(2)目前大多數微穿孔板基本上都是采用剛性材料制作，“剛性有余，柔性不足”，不便于運輸攜帶以及在某些特殊場合使用，而柔性微穿孔板則可以通過彎曲變形，適用于某些特殊曲面形狀的噪聲源，并且在空間體積方面能夠做到小巧緊湊；(3) 當前常用的微穿孔板大都采用機械沖孔技術加工制造，穿孔直徑一般在 200 μm 以上，因此吸聲頻帶較窄，且穿孔效率較低，定位精度不高，該技術很難加工孔徑在 100 μm 左右、具有較寬吸聲頻帶的超微孔徑微穿孔板。

制約單層微穿孔板(無論是剛性或柔性微穿孔板)獲得高吸聲帶寬的主要因素就是穿孔加工技術，尤其是對超微孔徑(孔徑低于100 μm)的加工技術。馬大猷教授曾提出過用尖鉆在金屬薄片上鉆孔，用熱針穿刺塑料薄膜，以及直接采用紡織紗線織物等方法[14]，國內同行也曾采用激光打孔技術制作了孔徑為 0.2 mm 的不銹鋼微穿孔板[15]，但對于超微孔徑微穿孔板的加工效果均不是很理想。

針對上述現狀，本文著重研究了用于制造具有較寬吸聲頻帶的單層柔性超微孔徑微穿孔板的加工方法，包括微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)模板澆鑄脫模法、熱壓印穿孔法、針輥式穿孔法、數控銑床穿孔法，并比較和分析了這些加工方法的各自特點。進而，加工了多種柔性材質的微穿孔板膜片，包括聚二甲基硅氧烷，硬紙板，聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride, PVC)，聚碳酸酯，耐高溫聚酯等，其中部分單層柔性微穿孔板的吸聲帶寬可以達到3倍頻程。

1 MEMS模板澆鑄脫模法

MEMS模板澆鑄脫模法是先采用MEMS技術加工出圓形的金屬鎳柱陣列，再以鎳柱陣列為模板，通過澆鑄并旋涂液態高分子材料，固化后脫模即可復制出柔性微穿孔板膜片。其中，鎳柱的高度和直徑即為(或近似為)柔性微穿孔板膜片的厚度和孔徑。

加工金屬鎳柱陣列模板的工藝流程如圖 1所示，具體步驟如下：

圖1 制作金屬鎳圓柱陣列模板的工藝流程Fig.1 Fabrication procedure of Nickel pillars array

(1) 選用邊長為63 mm、厚度為2 mm的金屬鎳長方體模板，對其進行清洗干燥處理；

(2) 在金屬鎳上表面先旋涂一層厚度約為150 μm的SU-8光刻膠；

(3) 前烘后用紫外光刻機曝光、后烘；

(4) 冷卻后在金屬鎳上表面再旋涂一層厚度為120 μm的光刻膠；

(5) 對第二層光刻膠進行前烘、曝光、后烘；

(6) 顯影并清洗模板；

(7) 采用雙槽雙路精密電鑄機進行電鑄；

(8) 去除SU-8膠，得到金屬鎳圓柱陣列模板。

采用上述工藝流程加工出的金屬鎳柱陣列模板如圖2所示，圖中鎳柱直徑為80 μm。

圖2 金屬鎳圓柱陣列模板Fig.2 Nickel pillars array

將液態聚二甲基硅氧烷與固化劑以10:1混合，攪拌后澆鑄在金屬鎳柱模板上，旋涂并輔以一定機械壓力，經真空脫氣后，放置在80℃的熱板上固化3 h，從模板上剝離后即得到孔徑為80 μm的PDMS柔性微穿孔板，如圖3所示。

圖3 PDMS柔性微穿孔板Fig.3 Flexible PDMS micro perforated plate

該方法雖然制作金屬模板的工藝過程較長，成本較高，但是一旦加工出模板，即可批量復制加工柔性微穿孔板，大大提高效率并降低成本。其缺點是由于金屬鎳柱模板的尺寸不是太大，因而加工出的柔性微穿孔板的尺寸受到限制，另外孔徑過小的柔性微穿孔板在脫模時難度較大。

2 熱壓印穿孔法

我們設計并加工了一套熱針壓印裝置，由鋼針陣列、加熱板、導熱板、固定臺、溫控電路、手動壓緊臺組成。接通電源后，設置溫控板加熱溫度，加熱板達到設定溫度后保持恒溫，通過導熱板使鋼針陣列溫度均勻一致，利用手動壓緊裝置壓下鋼針至穿孔材料上，從而實現批量化穿孔。該熱壓印裝置的設計與實物如圖4所示。

圖4 熱壓印裝置Fig.4 Thermal imprinting device

該裝置中鋼針直徑為 0.5 mm，可穿孔深度為2 mm，鋼針之間間距為 3.2 mm。利用該裝置分別對柔性PET膜片和PVC膜片進行了穿孔實驗，其中PET膜片的熔點250～255 ℃，厚度有0.2 mm和0.15 mm兩種規格；PVC膜片熔點為212 ℃，厚度有0.2 mm和0.1 mm兩種規格。實驗發現，0.2 mm厚度的PET膜片在250 ℃下可以穿孔，但孔徑偏大，熱變形凝結；0.15 mm厚度的PET需要在300 ℃下才可以穿透，但溫度過高熱變性嚴重；兩種厚度規格的PVC膜片在215 ℃下都可以穿透，但由于PVC材質較軟，因此穿孔效果不如PET。對柔性PET膜片和PVC膜片的熱壓印穿孔實驗結果如圖5所示。

圖5 熱壓印的PET(a)和PVC穿孔膜片(b)Fig.5 Perforated PET (a) and PVC (b) membranes by thermal imprinting

3 針輥式穿孔法

針輥式穿孔是目前批量化打孔的一種手段，技術和設備較為成熟。針輥穿孔設備如圖 6所示(圖6(b)為輥針部分)。

圖6 針輥穿孔設備Fig.6 Needle roller perforation machine

分別采用直徑為0.1 mm和0.2 mm的輥針，對厚度為0.33 mm的金屬鋁薄板進行了穿孔試驗，發現鋁板可實現全部通孔，但實際加工出的鋁板通孔直徑尺寸與設計值(即輥針直徑)相差較大，在0.32～0.44 mm之間，如表1所示，因此這些采用針輥穿孔設備加工的金屬鋁微穿孔板吸聲體的吸聲特性很難達到設計要求。

表1 針輥設備加工的金屬鋁穿孔尺寸Table 1 Perforation sizes of Al plate by needle roller machining

進而，分別采用直徑為0.1 mm和0.2 mm的輥針對PET柔性膜片進行了穿孔實驗。選取了兩種厚度規格的PET柔性膜片，厚度分別為0.1 mm和0.2 mm。實際加工出的PET微穿孔板的通孔直徑尺寸如表2所示，其中圓孔較少，大多是扁平孔或線孔，尺寸也差異較大，均比設計值(輥針直徑)要高出不少，這主要是由于在輪輥的轉動過程中輥針的刺入與穿出會擴大孔徑，導致無法達到預期的孔徑設計值。因此，輥針穿孔法加工工藝不太適合對柔性微穿孔板、尤其是超微孔徑柔性微穿孔板的批量化加工。

表2 針輥設備加工的PET穿孔尺寸Table 2 Perforation sizes of PET plate by needle roller machining

4 數控銑床穿孔法

數控銑床是一種高度自動化的機械加工設備，通過選用不同規格的銑刀，可用于加工各種尺寸的機械或微機械結構。采用數控銑床來加工柔性微穿孔板有一定優勢，首先是制造成本相對較低，因為現在薄膜材料的價格低，可以使用不同的材質作為柔性微穿孔板的基板；其次，數控銑床可以選擇相應規格的銑刀并通過編程設置對應的步進間距，以及選擇被加工的柔性薄膜材料，來靈活地制造各種材質和結構設計參數的柔性微穿孔板。加工好的樣品可在顯微鏡下觀察其孔徑是否均勻，進而根據觀測結果，對下刀速度、提刀速率、參考高度等參數進一步優化。

采用數控銑床加工柔性微穿孔板的工藝流程如圖7所示，具體步驟如下：

圖7 數控銑床加工柔性微穿孔板的工藝流程Fig.7 Fabrication procedure of flexible perforated plate by CNC machining

(1) 用CAD軟件建模、編程、程序檢驗、輸出G代碼；

(2) 對樣品進行裝夾、定位；

(3) 預加工，主要是為了檢驗數控銑刀與作圖是否一致；

(4) 加工樣品；

(5) 對加工好的樣品進行超聲波清洗；

(6) 對樣品進行干燥處理。

采用數控銑床加工了硬紙板、PET(耐高溫聚酯)、PC(聚碳酸酯)、PVC(聚氯乙烯)這4種等柔性材質的微穿孔板，其結構設計參數如表3所示，表中：d是孔徑，b是孔間距，t是厚度，p是穿孔率。

表3 4種柔性微穿孔板的結構設計參數Table 3 Parameters of four flexible micro perforated plates

采用數控銑床加工出的4種柔性微穿孔板樣品如圖8所示。圖9是對這4種樣品中通孔形貌的掃描電鏡觀測結果，可以看出，PVC材料穿孔效果最好，紙板由于纖維較多，因此穿孔效果最差。

圖8 數控銑床加工的四種柔性微穿孔板Fig.8 CNC machined flexible micro perforated plates

圖9 4種柔性微穿孔板通孔形貌的掃描電鏡照片Fig.9 SEM pictures of perforations of four flexible micro perforated plates

在駐波管(AWA6128A)中測試了這 4種柔性微穿孔板的吸聲系數頻譜，背腔深度均固定為15 mm，測試結果如圖10所示。由圖10可以看出，PVC材質的微穿孔板與理論計算結果最接近，且在低頻范圍其吸聲頻帶有一定展寬，吸聲系數也有一定提高。

圖10 四種柔性微穿孔板的吸聲系數頻譜Fig.10 Sound absorption spectrums of four flexible micro perforated plates

5 單層寬頻柔性微穿孔板加工與測試

根據前文實驗結果，采用數控銑床加工 PVC材質的通孔精度較高，其吸聲特性實驗結果與理論計算值最接近，且該加工方法十分方便靈活，可根據設計需求加工出各種結構參數的柔性微穿孔板，因此，我們進一步采用數控銑床加工了一組具有不同結構設計參數的柔性 PVC微穿孔板，其結構設計參數如表4所示。圖11是其中一個加工完成的PVC微穿孔板樣品(1#-PVC)，其余樣品類似。

表4 PVC微穿孔板的結構設計參數Table 4 Parameters of PVC micro perforated plates

圖11 數控銑床加工的PVC微穿孔板(1#-PVC)Fig.11 CNC machined PVC micro perforated plates (1#-PVC)

該組 PVC微穿孔板在駐波管中的吸聲系數測試結果如圖12所示(AWA6128A)，背腔深度仍固定為15 mm。

圖12 不同設計參數的PVC微穿孔板吸聲系數頻譜Fig.12 Sound absorption spectrums of the PVC micro perforated plates with different design parameters

從測試結果來看，4種不同穿孔率設計參數的PVC柔性微穿孔板吸聲體吸聲系數的實驗值與馬氏微穿孔板理論計算值相比，吸聲頻帶均向低頻展寬，這是由于經典的馬氏微穿孔板理論模型是基于剛性材料假設提出的，而本文以 PVC材料作為基材，材料本身比較柔軟，由于薄板的振動，使其共振峰向低頻偏移。如果是對于同樣結構設計參數的剛性微穿孔板吸聲體，根據馬氏微穿孔板理論可計算出，1#、2#、3#、4#樣品的最大吸聲系數分別為0.94、0.99、0.96、0.88，其相應的倍頻程分別約為2.5、2.4、2.1、1.8(均以吸聲系數0.5作為有效吸聲范圍的低限，下同)，共振頻率分別為2 996、3 543、4 102、4 473 Hz。對于剛性的微穿孔板，隨著孔徑的減小，穿孔密度相應要增大，其共振峰向高頻移動，對低頻噪聲的吸聲效果相對減弱。但是相同結構設計參數的 PVC柔性微穿孔板吸聲體，對低頻噪聲的吸聲效果有所改進，如 4#樣品在頻率為1 500 Hz 時的吸聲系數為 0.395，而相同參數的剛性微穿孔板吸聲體在 1 500 Hz時的吸聲系數為0.261，相對提高了51.3%，同時也拓寬了柔性微穿孔板吸聲體的吸聲頻帶寬度，如1#、2#號PVC柔性微穿孔板吸聲體的吸聲帶寬達到3倍頻程，3#、4#號PVC柔性微穿孔板吸聲體的吸聲帶寬約為2.2倍頻程，與馬氏微穿孔板理論計算值相比，均有不同程度提高。

圖13給出了上述4種不同穿孔率設計參數的PVC樣品吸聲特性測試結果的對比情況。

圖13 不同穿孔率的PVC微穿孔板吸聲特性對比Fig.13 Sound absorption performances of the PVC micro perforated plates with different perforation ratios

6 結 論

本文針對柔性微穿孔板的加工制造工藝進行了研究，開發了基于 MEMS技術的模板澆鑄脫模法和熱壓印穿孔法，同時還研究了針輥式穿孔法和數控銑床穿孔法，并比較和分析了這些加工方法的各自特點。其中 MEMS模板澆鑄脫模法和數控銑床穿孔法可以實現孔徑小于 100 μm 的超微孔徑柔性微穿孔板加工，前者可以實現批量化加工，不過孔徑越小越難脫模，并且模板的加工成本較高；后者加工精確，可以加工出最小50 μm的通孔，但當孔徑較小、穿孔密度較大時，加工時間長，加工效率較低，因此不適合孔徑過小、穿孔密度過大的柔性微穿孔板批量化加工。熱壓印穿孔法和針輥式穿孔法可以實現批量化加工，加工效率高，但難以加工出孔徑100 μm以下的超微孔，且加工誤差較大。

在此基礎上，我們加工了多種柔性材質的微穿孔板膜片，包括PDMS(硅膠)，硬紙板，PVC(聚氯乙烯)，PC(聚碳酸酯)，PET(耐高溫聚酯)等。其中，采用數控銑床穿孔法加工的 PVC微穿孔板膜片有較高的加工精度和較好的吸聲性能，部分單層PVC微穿孔板吸聲體的吸聲帶寬可以達到3倍頻程。