一种基于压电复合吸声材料的消声器及其宽频消声性能设计方法

本发明属于减振降噪，具体涉及一种用于抑制液压系统流体压力脉动的基于压电复合吸声材料的消声器。

背景技术：

1、液压系统产生的压力脉动会以沿着液压管道传递到液压系统各个位置，进而导致液压系统上相连的各零部件产生振动，当压力脉动频率和管道零件固有频率相近时还会产生共振现象，进而加速液压系统零部件的损坏，进而影响设备运行的可靠性。

2、目前，抑制液压系统流体压力脉动的方法主要有三种：其一是降低振动源的压力脉动，即通过优化液压泵、液压阀等液压元件的结构，来减小液压元件工作过程中所产生的压力脉动；其二是减小负载阻抗，即通过优化控制算法使负载变化的更加平稳或通过减小负载的方法来减小负载所产生的压力脉动；其三是在管道上安装压力脉消声器，抑制管道中的流体压力脉动。由于优化液压泵的结构和减小负载的方法只能减小压力脉动，但并不能完全避免压力脉动的产生，因此在管道上安装压力脉消声器来抑制不可避免的压力脉动对降低液压系统的压力脉动具有重要意义。

3、目前降低液压系统压力脉动的衰减器，主要有共振式压力脉消声器和串/并联气囊式压力脉消声器，共振式压力脉消声器是通过结构或流体的共振来消耗压力脉动能量的原理来抑制流体压力脉动。并联气囊式压力脉消声器（如蓄能器）是将衰减器并联在液压管道上，通过气体/结构的共振来抑制流体压力脉动。串联气囊式压力脉消声器是通过将衰减器串联在液压管路中，通过气囊来进行能量的储存和释放，进而减小压力脉动。但这三类压力脉消声器均存在一定的不足：共振式压力脉消声器和并联气囊式压力脉消声器的衰减频带一般较窄，频率的选择性强，且体积一般较大；串联气囊式压力脉消声器虽然消声频带较宽，但其仅在一定工作压力范围内才具有良好的压力脉动衰减性能，且系统工作压力高时，气囊内气体的压力也会很高，进而导致了一定的安全隐患。因此上述三种压力脉消声器均不适合抑制压力变化较大、安装空间有限或压力脉动频带较宽的液压系统中的压力脉动。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于压力复合材料的消声器及其宽频消声性能设计方法，其不仅具有良好的消声性能，而且在压力幅值变化很大时也能具有交的消声性能。

2、本发明采用的技术方案是：一种一种基于压力复合材料的消声器及其宽频消声性能设计方法，包括壳体、支撑管、进口段、出口段、橡胶隔膜、微穿孔管、环形压电复合材料层、电阻、电容及电阻等；所述壳体两端开有同轴的通孔，微穿孔管、支撑管的两端均安装在壳体两端，且支撑管、穿孔管与壳体三者同中心轴线；所述支撑管的支撑管安装在微穿孔管内侧，用于支撑微穿孔管，微穿孔管和支撑管侧壁上均设有多个通孔；所述微穿孔板和壳体内壁面间设有橡胶隔膜，橡胶隔膜和壳体形成一个密闭空间；所示压电复合层紧贴壳体内壁面，压电复合层的正极和负极通过导线和电阻、电容及电感连接。

3、所述的一种基于压力复合材料的消声器及其宽频消声性能设计方法中，所述的壳体内壁面紧贴有一层压电复合层。

4、所述的一种基于压力复合材料的消声器及其宽频消声性能设计方法中，所述的压电复合层为圆筒状，外圆为负极，内圆为正极，正负极之间通过导线与电阻、电容或电感相连。

5、所述的一种基于压力复合材料的消声器及其宽频消声性能设计方法中，所述的电阻、电容或电感的连接方式有串联和并联两种形式，电阻、电容或电感为0到多个不等。

6、所述的一种基于压力复合材料的消声器及其宽频消声性能设计方法中，所述的压电复合材料由pzt压电陶瓷的压电相和环氧树脂的基体组成，压电相和基体的比值在0.1~5之间变化。

7、所述的一种基于压力复合材料的消声器及其宽频消声性能设计方法中，当压力脉动频率在0~500hz范围时，所述的压电复合材料压电相和基体的比值取3~5；当压力脉动频率在500~2500hz范围时，所述的压电复合材料压电相和基体的比值取1~3；当压力脉动频率大于2500hz范围时，所述的压电复合材料压电相和基体的比值取0~1。

8、所述的一种基于压力复合材料的消声器及其宽频消声性能设计方法中，当油液管理系统压力脉动频率较低时，所述的压电复合材料层的正极和负极之间串联电阻和感，以达到较好的压力脉动抑制效果。

9、所述的一种基于压力复合材料的消声器及其宽频消声性能设计方法中，当油液管理系统压力脉动频率较高时，所述的压电复合材料层的正极和负极之间串联电阻和电容，以达到较好的压力脉动抑制效果。

10、所述的一种基于压力复合材料的消声器及其宽频消声性能设计方法中，压力复合材料层的厚度与微穿孔管和壳体内壁面间的距离比值为0.1~0.5之间，压力脉动频率约大，该比值则越小。

11、与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：

12、（1）本发明主要利用压电复合材料层的压电效应来进行压力脉动的吸收：系统压力波动时，压电复合材料层的正极（内圆）和负极（外圆）面将分别产生大量的正电荷和负电荷，当两极之间连接电容、电阻或电感后，将形成电流，进而以电子元件发热的形式将脉动能量转化为热能消耗掉，进而实现抑制管路中液力脉动的作用。

13、（2）本发明和现有的串联囊式消声器的消声原理有本质的上区别：现有的串联囊式消声器通过气体的压缩和膨胀来吸收压力脉动，而本发明主要通过压电复合材料的压电效应，将压力脉动转化为电子元件（电阻、电容及电阻）的热能来抑制压力脉动。

14、（3）本发明所提出的消声器不受系统工作压力的影响，在不同的工作压力下均具有较好的消声效果，而现有的气囊式消声器当系统压力略微偏高时，其消声性能将大幅度下降。

15、（4）本发明结构简单、紧凑、成本较低。

技术特征：

1.一种基于压电复合吸声材料的消声器及其宽频消声性能设计方法，其特征是：包括壳体、进口段、出口段、支撑管、橡胶隔膜、微穿孔管、压电复合材料层、电阻、电容及电阻等；所述壳体两端开有同轴的通孔，微穿孔管、支撑管的两端均安装在壳体两端，且支撑管、穿孔管与壳体三者同中心轴线；所述支撑管的支撑管安装在微穿孔管内侧，用于支撑微穿孔管，微穿孔管和支撑管侧壁上均设有多个通孔；所述微穿孔板和壳体内壁面间设有橡胶隔膜，橡胶隔膜和壳体形成一个密闭空间；所示压电复合层紧贴壳体内壁面，压电复合层的正极和负极通过导线和电阻、电容及电感连接。

2.根据权利要求1所述的消声器，其特征是：紧贴壳体内壁面有一层压电复合材料层。

3.根据权利要求1或2所述的消声器，其特征是：所述的压电复合层为圆筒状，外圆为负极，内圆为正极，正负极之间通过导线与电阻、电容或电感相连。

4.根据权利要求3述的消声器，其特征是：所述的电阻、电容或电感的连接方式有串联和并联两种形式，电阻、电容或电感为0到多个不等，当压力脉动频率较高（≥2000hz）时采用电阻、电容或电感的串联，当压力脉动频率较高（＜2000hz）时采用电阻、电容或电感的并联。

5.根据权利要求1或2所述的消声器，其特征是：所述的压电复合材料层由pzt压电陶瓷的压电相和环氧树脂的基体组成，压电相和基体的比值在0.1~5之间变化。

6.根据权利要求4所述的消声器，其特征是：当压力脉动频率在0~500hz范围时，所述的压电复合材料层的压电相和基体的比值取3~5；当压力脉动频率在500~2500hz范围时，所述的压电复合材料层的压电相和基体的比值取1~3；当压力脉动频率大于2500hz范围时，所述的压电复合材料层的压电相和基体的比值取0~1。

7.根据权利要求2所述的消声器，其特征是：压力复合材料层的厚度与微穿孔管和壳体内壁面间的距离比值为0.1~0.5之间，压力脉动频率越大，该比值则越小；在0~10000hz范围内二者近似线性分布。

技术总结本发明公开了一种基于压电复合吸声材料的消声器及其宽频消声性能设计方法，包括壳体、支撑管、橡胶隔膜、进口段、出口段、外穿孔管及微穿孔管及压力复合材料层、电阻及电容等；所述壳体两端开有同轴的通孔，微穿孔管、支撑管的两端均安装在壳体两端，且支撑管、穿孔管与壳体三者同中心轴线；所述支撑管的支撑管安装在微穿孔管内侧，用于支撑微穿孔管，微穿孔管和支撑管侧壁上均设有多个通孔；所述微穿孔板和壳体内壁面间设有橡胶隔膜，橡胶隔膜和壳体形成一个密闭空间；所示压电复合层紧贴壳体内壁面，压电复合层的正极和负极通过导线和电阻、电容及电感连接。本发明结构简单紧凑，具有良好的压力脉动衰减性能（抑制幅度大、抑制频率范围宽）。技术研发人员：习毅,吴丽娜,刘宇超,戴巨川,邬李兵,刘文,潘玉明受保护的技术使用者：湖南科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/6