基于PVDF压电薄膜阵列的多频声源设计

胡 明，孔德义，谢东岳，唐晓宁，徐 贺

(1.合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230601；2. 中国科学院 合肥物质科学研究院，传感技术联合国家重点实验室，安徽省仿生感知与先进机器人技术重点实验室，安徽 合肥 230031；3. 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院，纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室培育基地，湖北 武汉 430200)

0 引言

吸声系数是衡量吸声材料性能高低的一项重要指标，传统的检测方式通常是在单一频率噪声的条件下对吸声材料进行测量，常见的测量方法有驻波管法[1]、传递函数法[2]及混响室法[3]，但实际环境噪声频率复杂，实验测试吸声材料的吸声性能与实际应用中吸声效果存在差异[4]，而设计一种能模拟实际应用噪声环境的多频声源信号，可进一步提高吸声材料的吸声系数精确度，对吸声材料的检测具有重要意义。1997年，ISO3382标准表明，全向声源是室内测量的一种理想声源，而十二面体扬声器最受大众接受。Timothy W.Leishman等[5]实验结果表明，十二面体扬声器在测试频带上具有很好的辐射均匀性，但十二面体扬声器成本高，体积大，运输难，因此常采用其他声源代替，如NikolaosM.Papadakis等[6]通过12个定向扬声器模拟十二面体扬声器的声场，证明了该方法的有效性。文献[7-9]将便携、低成本的气球、木板等作为一种脉冲源，但可操作性差，脉冲源频率无法控制。本文提出一种聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜和树脂基座的复合结构，通过外部激励电路驱动，产生噪声频率、声压级可调控的多频声源信号，为吸声降噪等实验过程中检测吸声降噪性能提供便利。

PVDF薄膜具有材质柔韧，化学性质稳定，力电耦合效应明显等特点，常作为致动器和传感器应用于降噪、减振领域。本文将PVDF薄膜作为多频声源结构中的声信号产生元件，代替传统声源结构中的扬声器，通过电压驱动压电薄膜产生可控声源信号。该结构中，PVDF压电薄膜阵列由多路输出信号电路控制，选用单片机程控AD模块实现四路输出，通过LCD和按键矩阵实现人机交互界面，经升压模块实现波形信号放大，得到幅值(峰-峰值)高达2 000 V的正弦信号激励压电薄膜阵列，改变激励电压频率、幅值，可得到指定频率、声压级的多频声源。

1 声源结构设计与驱动电路

1.1 声源结构

声源装置由PVDF薄膜、树脂基座组成，如图1所示。图中，1#、2#、3#、4#表示不同编号的PVDF薄膜。基座左、右设置两块挡板，中间每隔2 cm设置一个半圆状凹槽，用来放置PVDF薄膜，共4个压电薄膜组成阵列。表1为PVDF的材料参数。表中，d33为压电应变常数，g33为压电电压常数，ε/ε0为相对介电常数，k33为机电耦合系数。PVDF薄膜结构参数如表2所示。表中，t为PVDF薄膜厚度。

图1 压电阵列底座

表1 PVDF材料参数

表2 PVDF薄膜结构参数

多频声源实验测量在静音室中进行，实验装置如图2所示，在压电阵列装置的正上方和正前方距离阵列装置20 cm处分别放置传声器,用于检测PVDF薄膜在外电路激励条件下产生的声源频谱变化。

图2 实验装置

1.2 驱动电路

本文设计的高压多路信号发生器选用STC-12C5A60S2芯片作为51单片机的主控芯片，4个AD9833模块并联输出4路信号，通过按键与旋钮控制频率和幅值。同时，相应的波形参数值显示在LCD屏幕上。波形发生器生成的波形峰-峰值难以达到PVDF薄膜的驱动电压。因此，输出电压为峰-峰值0～2 000 V、频率100～2 000 Hz的正弦信号，将功率放大器和音频升压变压器作为驱动电路的升压模块链接到信号发生器。整体的硬件结构如图3所示。

图3 硬件电路结构框图

AD9833芯片具有28位加法累加器，即频率寄存器的位数N=28，频率控制字值为

(1)

式中:fout为输出信号频率;fclk为时钟频率，在此STC控制芯片中fclk=25 MHz。

AD9833数据端口SDATA采用16位串行读入，将28位控制字分成2个14位进行处理，通过单片机不同的端口控制每个AD9833的FSYNC、MOSI、SCLK端口，在V1端口输出波形幅值为0～5 V。读入数据时，将控制端FSYNC清0，在SCLK的脉冲信号下，MOSI串行读入28位频率控制字后，FSYNC置1，完成相应的波形频率，幅值则通过设置的旋钮键，可实时调节。系统初始化时，输出固定频率、幅值的波形，实时判断是否有按键按下，通过单片机修改相应的频率值再传送回AD9833模块中，同时4个AD模块是由单片机的不同P端口控制，实现多路输出波形信号。软件设计流程如图4所示。

图4 软件设计流程

2 结果与分析

为了验证PVDF压电阵列可产生多频声源信号，采取4种实验方案进行实验频谱对比,如表3所示。

表3 PVDF薄膜实验激励方案

2.1 方案1

对1#、4#的单个PVDF薄膜施加200 V的激励电压进行测试，观察单个PVDF薄膜在电压激励的条件下，PVDF薄膜厚度对声源频率的影响。图5为不同厚度PVDF薄膜在外电场激励条件下的频谱图。

图5 在外电场激励条件下不同厚度的PVDF薄膜频谱图

由图5(a)可以看出，对厚200 μm、500 μm的PVDF薄膜施加500 Hz激励电压,在实验测量点500 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz处，厚200 μm的PVDF薄膜的声压级分别为27.81 dB、10.23 dB、19.95 dB，厚500 μm的PVDF薄膜的声压级分别为46 dB、8.39 dB、13.34 dB。由图5(b)可知，在电压频率500 Hz的激励条件下，在实验测量点500 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz处,厚200 μm的PVDF薄膜的声压级分别为35.94 dB、18.66 dB、30.46 dB，厚500 μm的PVDF薄膜的声压级分别为41.06 dB、25.22 dB、24.86 dB。

对厚200 μm、500 μm的PVDF薄膜施加激励电压。在相同激励条件下，厚500 μm的PVDF薄膜在激励频率点产生的声压级高于厚200 μm的PVDF薄膜所产生的效果，但在高频率点处，厚200 μm的PVDF薄膜激励产生的效果较优。

2.2 方案2

对1#单个PVDF薄膜施加350 V激励电压，改变激励电压频率，其余PVDF薄膜无激励，观察单个PVDF薄膜在不同的激励频率条件下，激励频率对声源频率的影响。图6为单个PVDF薄膜在不同频率激励条件下的频谱图。

图6 单个PVDF薄膜在不同频率激励条件下的频谱图

由图6可知，对于单个PVDF薄膜施加不同的激励频率，在激励频率点产生声压级峰值，且在激励频率点的倍数频率点也会产生较小的声压级峰值。在不同的频率点施加相同的激励电压，在高频率点产生的效果更佳，声压级更高。

正上方传声器检测到在激励频率点300 Hz、500 Hz、700 Hz、900 Hz产生的声压级峰值分别为26.41 dB、23.47 dB、23.53 dB、28.37 dB，而正前方传声器检测到在激励频率点300 Hz、500 Hz、700 Hz、900 Hz产生的声压级峰值分别是25.65 dB、26.62 dB、36.48 dB、46.55 dB，相对于正上方传声器检测到的声压级，除300 Hz处略微降低，正前方传声器检测到的声压级明显较高。

2个不同方位的传声器检测到PVDF薄膜的厚度、激励频率对声源影响规律基本相同，且正前方的传声器检测到的数据效果较佳。

2.3 方案3

通过改变单个PVDF薄膜激励电压幅值，固定激励频率500 Hz不变，其余PVDF薄膜无激励，观察单个PVDF薄膜激励电压幅值对声源声压级的影响。图7为单个PVDF薄膜在不同电压激励条件下的频谱图。

图7 单个PVDF薄膜在不同电压激励条件下的频谱图

由图7可知，当1#单个PVDF薄膜施加250 V激励电压，在500 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz处声压级分别为29.75 dB、8.5 dB、16.66 dB，增加激励电压至400 V时，声压级分别为32.14 dB、10.4 dB、19.67 dB。而350 V激励电压在500 Hz激励频率点声压级为26.62 dB，小于250 V激励电压在500 Hz处声压级；在1 500 Hz处，声压级为24.25 dB，高于400 V激励电压在1 500 Hz处的声压级。总之，提高激励频率点的激励电压，激励频率点的声压级随着电压的升高逐渐增大，同时在高频、低频段均有不同程度的拉升声压级的效果。但当施加350 V激励电压时，在倍数频率点明显提升了声压级，在激励频率点声压级略微降低。

由单个压电薄膜激励的实验结果可看出，产生的峰声级频率有限，如900 Hz单独激励PVDF薄膜仅在激励点产生声压级峰值，而300 Hz、500 Hz和700 Hz处激励，也仅在激励点和激励频率的倍频处产生两个声压级峰值。

2.4 方案4

为实现多频声源信号，对多个型号的压电薄膜同时施加不同频率的激励电压，分析声压级的频谱特性。

图8为PVDF压电阵列在外电场激励条件下的频谱图。由图可知，当对1#PVDF薄膜施加300 Hz激励电压时，在300 Hz处从21.1 dB提升至26.51 dB，在1 500 Hz处从1.89 dB提升至7.86 dB；当同时用300 Hz和500 Hz激励电压分别激励1#、2# PVDF薄膜时，300 Hz处的峰声级升至27.49 dB，500 Hz、1 500 Hz处声压级分别升至41.7 dB、25.75 dB；当增加700 Hz激励3# PVDF薄膜时，300 Hz、500 Hz、1 500 Hz处声压级分别为25.86 dB、41.68 dB、27.09 dB，同时增加了700 Hz、1 000 Hz、1 200 Hz、1 400 Hz 4个声压级峰值，分别为45.65 dB、14.95 dB、20.2 dB、16.5 dB；当增加900 Hz激励4# PVDF薄膜时，300 Hz、500 Hz、700 Hz、1 000 Hz、1 200 Hz、1 400 Hz、1 500 Hz处声压级分别为26.93 dB、42.31 dB、45.43 dB、10.47 dB、18.35 dB、16.92 dB、29.36 dB，额外新增加了900 Hz声压级峰值40.99 dB。

图8 PVDF压电阵列在外电场激励条件下的频谱图

由此可见，保持激励电压不变，当增加压电材料的激励数目，且以不同的频率施加激励，压电阵列可显著增加峰声级频率，当对4个型号的PVDF薄膜分别施加300 Hz、500 Hz、700 Hz、900 Hz激励时，在300～1 600 Hz频率段可产生多达8个频率点的峰声级，优于单个PVDF薄膜激励效果，可满足吸声性能检测等实验所需的多频率峰值的模拟噪声源。表4为外加电场驱动不同数量的PVDF薄膜时，声源峰声级和频率的变化规律。

表4 外电场驱动不同数量PVDF薄膜对声源峰声级和频率的变化规律

3 结束语

本文提出了一种基于PVDF压电阵列的多频声源产生方式，并且设计了激励PVDF压电阵列的4路输出电路，将4个PVDF薄膜放置在间隔2 cm的半圆弧树脂基座上，通过对PVDF薄膜的激励电压幅值和频率的控制，产生多频声源信号。通过对该声源的频谱特性分析发现，该压电阵列能产生指定频率、声压级的单频或多频声源信号，可作为具有多频率峰值的混合声源应用于吸声材料性能检测等实验研究。