本發(fā)明屬于旋翼飛行器涵道隔聲，具體是涉及基于局域共振壓電超結(jié)構(gòu)殼體的一種旋翼飛行器壓電超結(jié)構(gòu)涵道隔聲設(shè)計(jì)與調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

1、在眾多低空飛行器類型當(dāng)中，多旋翼飛行器憑借諸多優(yōu)勢(shì)成為低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中的首選飛行器。然而，伴隨著載人多旋翼飛行器不斷向更高水平發(fā)展，乘坐舒適性這一要素開(kāi)始受到人們的重視。對(duì)于此類飛行器而言，保障其原有飛行效率不受影響的前提下，有效降低艙內(nèi)噪聲，已然成為制約多旋翼飛行器進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸因素。除此之外，多旋翼飛行器在飛行過(guò)程中對(duì)地面產(chǎn)生的噪聲污染問(wèn)題同樣不容小覷，這不僅關(guān)乎周邊居民的生活環(huán)境質(zhì)量，也間接影響著低空經(jīng)濟(jì)整體的可持續(xù)發(fā)展。由此可見(jiàn)，要想推動(dòng)低空經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、可持續(xù)的發(fā)展，針對(duì)低空飛行器開(kāi)展科學(xué)合理且行之有效的隔聲降噪設(shè)計(jì)工作顯得尤為重要。

2、局域共振壓電超結(jié)構(gòu)殼體在隔聲方面具有智能可調(diào)控的優(yōu)勢(shì)，并且經(jīng)過(guò)相應(yīng)驗(yàn)證，尤其是在結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵頻率處，展現(xiàn)出較為顯著的隔聲效果。其次，通過(guò)改變電路參數(shù)的方式，對(duì)電路共振頻率可進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，從而進(jìn)一步優(yōu)化隔聲效果。此外，把壓電片貼附在涵道上這一方式不會(huì)對(duì)飛行器原有的結(jié)構(gòu)造成破壞，并且附加質(zhì)量小，契合工程領(lǐng)域?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)輕質(zhì)的嚴(yán)格要求，這為其在旋翼飛行器隔聲降噪方面的實(shí)際應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明第一目的在于提供一種旋翼飛行器壓電超結(jié)構(gòu)涵道隔聲設(shè)計(jì)方法，以解決旋翼飛行器噪聲污染等相關(guān)問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種兼具輕質(zhì)以及隔聲性能強(qiáng)的壓電超結(jié)構(gòu)隔聲涵道，使其能夠滿足低空經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展需求的旋翼飛行器。

2、本發(fā)明第二目的在于提供一種旋翼飛行器壓電超結(jié)構(gòu)涵道隔聲調(diào)控方法，以解決傳統(tǒng)隔聲涵道無(wú)法調(diào)控隔聲性能的問(wèn)題，使本發(fā)明提出的隔聲設(shè)計(jì)能夠滿足旋翼飛行器在不同工作環(huán)境下的需求。

3、為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

4、本發(fā)明提供旋翼飛行器壓電超結(jié)構(gòu)涵道隔聲設(shè)計(jì)方法，隔聲涵道安裝在旋翼飛行器上；壓電片周期布置在隔聲涵道上，構(gòu)成壓電超結(jié)構(gòu)，且每個(gè)壓電片與外接分流電路連接；電路用于調(diào)控壓電片的振動(dòng)；貼附壓電片對(duì)質(zhì)量影響較小，不會(huì)影響飛行器設(shè)計(jì)的輕質(zhì)性；壓電片力-電耦合較強(qiáng)，對(duì)隔聲性能調(diào)控較好；通過(guò)壓電超結(jié)構(gòu)涵道與外接電路的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化與高效隔聲，具體包括以下組件：旋翼飛行器、隔聲涵道、周期性布置的壓電片、外接分流電路；

5、所述設(shè)計(jì)方法，具體包括以下步驟：

6、1）在旋翼飛行器的旋翼周邊合理設(shè)置隔聲涵道，所述隔聲涵道的形狀需滿足旋翼飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)性能要求；

7、2）將壓電片周期貼附于隔聲涵道內(nèi)外表面；

8、3）將壓電片的兩個(gè)電極分別引出，其中一端電極與涵道本體相連接，且涵道本體與地端相連接；另一端電極與外部分流電路連接。

9、在步驟2）中，所述將壓電片周期貼附于隔聲涵道表面，周期性布置的壓電片其極化方向應(yīng)沿涵道徑向，在外接分流電路作用下產(chǎn)生彎曲應(yīng)變；所述壓電片采用銅粉與環(huán)氧樹(shù)脂雙組分導(dǎo)電膠與涵道緊密粘接在一起，保證連接的穩(wěn)定性；相鄰壓電片的周向間距可為?50～100mm、軸向間距可為?80～150mm，覆蓋率?20%~50%；沿涵道長(zhǎng)度方向分3~5列排布，軸向間距可為80~150mm；所述壓電片材料可采用pzt-5h壓電陶瓷，該材料具有較高的力電耦合系數(shù)和良好的穩(wěn)定性，能夠保障其具備較強(qiáng)的調(diào)控隔聲能力，從而在更好地發(fā)揮對(duì)噪聲的控制作用，提升整體的隔聲效果；壓電片通過(guò)銅粉與環(huán)氧樹(shù)脂雙組分導(dǎo)電膠（銅粉占比30%）粘接于涵道表面，粘貼前用砂紙打磨涵道表面（粗糙度?ra1.6），無(wú)水乙醇清潔后涂膠，粘接厚度可為?0.1～0.3mm，固化壓力可為?0.2～0.5mpa，60℃溫箱固化12h。在涵道基體上周期性排布?jí)弘娖瑯?gòu)成壓電超結(jié)構(gòu)，核心是通過(guò)單胞周期性陣列形成可設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)：既借周期性匹配聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的波調(diào)控需求（如利用帶隙效應(yīng)精準(zhǔn)抑制特定頻段噪聲），又讓壓電片的周期性分布賦予結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的機(jī)電轉(zhuǎn)換特性，使整體兼具聲學(xué)超結(jié)構(gòu)的波約束能力與壓電效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的高效控制。

10、在步驟3）中，所述分流電路可采用r-l-c共振電路，其中電容由壓電片自身電容提供，電阻取值可為10～1000ω，電感通過(guò)合成電路實(shí)現(xiàn)。

11、所述旋翼飛行器壓電超結(jié)構(gòu)涵道，通過(guò)將共振式壓電分流電路引入到涵道的整體設(shè)計(jì)中，借助局域共振效應(yīng)，提出具備低頻噪聲衰減特性的壓電超結(jié)構(gòu)涵道隔聲設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)在于，其局域共振頻率能夠便捷地通過(guò)電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且附加質(zhì)量極小，加工過(guò)程相對(duì)容易，最為關(guān)鍵的是，不會(huì)對(duì)涵道基體結(jié)構(gòu)造成任何破壞，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性。

12、所述旋翼飛行器壓電超結(jié)構(gòu)涵道處于工作狀態(tài)時(shí)，由于聲波在透射過(guò)程中會(huì)致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，而局域共振壓電超結(jié)構(gòu)通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)剛度的方式，對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況加以調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波透射的有效控制，達(dá)到降低噪聲傳播的目的。

13、本發(fā)明還提供一種基于共振電路的壓電超結(jié)構(gòu)涵道隔聲調(diào)控方法，其適用于上述壓電超結(jié)構(gòu)隔聲涵道的設(shè)計(jì)，具體的，該調(diào)控方法是在上述設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，利用局域共振原理進(jìn)行調(diào)控，所述調(diào)控方法包括以下步驟：

14、1）構(gòu)建r-l-c共振電路作為共振電路，其中電容c由壓電片提供，電感l(wèi)通過(guò)合成電路實(shí)現(xiàn)，電阻r由電阻元件提供，以抑制電路信號(hào)幅值；所述合成電路包括：第一電阻r1，第二電阻r2，第三電阻r3，第四電阻r4，第一運(yùn)算放大器、第二運(yùn)算放大器，以及一個(gè)電容c1，其中r4是可變電阻；

15、2）針對(duì)涵道在不同頻率實(shí)現(xiàn)高效隔聲性能：通過(guò)調(diào)節(jié)合成電路中可變電阻r4的阻值，改變等效電感l(wèi)，進(jìn)而調(diào)控r-l-c共振電路的共振頻率；

16、3）針對(duì)不同半徑的涵道改善隔聲性能：針對(duì)涵道環(huán)頻率，調(diào)節(jié)共振頻率至涵道環(huán)頻率，利用局域共振效應(yīng)提升環(huán)頻率處的聲傳遞損失；

17、4）針對(duì)壓電超結(jié)構(gòu)涵道在固有頻率處的隔聲性能；針對(duì)涵道固有頻率，調(diào)節(jié)共振頻率至涵道固有頻率附近，通過(guò)壓電分流電路抑制涵道共振，提升固有頻率處的隔聲性能。

18、在步驟1）中，所述共振電路的共振頻率，其中表示壓電片的固有電容，l表示共振電路電感；通過(guò)改變電感值可以調(diào)控分流電路的共振頻率，相應(yīng)地調(diào)控對(duì)應(yīng)頻率的隔聲性能，達(dá)到調(diào)控涵道不同頻率處隔聲性能的目的。

19、在步驟2）中，為了調(diào)控涵道在不同頻率實(shí)現(xiàn)高效隔聲性能，采用合成電路實(shí)現(xiàn)可變電感，并且它可以實(shí)現(xiàn)大電感值，從而在低頻段改善隔聲性能，所述合成電路中第四電阻r4是可變電阻，以此調(diào)節(jié)等效電感l(wèi)，等效電感與合成電路元件關(guān)系為：。

20、第四電阻r4的阻值調(diào)節(jié)范圍可為100~100kω，以保障電路的穩(wěn)定性及可調(diào)性。

21、在步驟3）中，由于涵道在聲波作用下在環(huán)頻率處會(huì)產(chǎn)生環(huán)向振動(dòng)，導(dǎo)致涵道在環(huán)頻率處的聲傳遞損失產(chǎn)生谷值，其中k是涵道的等效拉伸剛度，m是涵道的等效質(zhì)量，r是涵道的半徑；針對(duì)不同半徑的涵道改善隔聲性能，通過(guò)調(diào)節(jié)電感，可以將電路共振頻率調(diào)節(jié)至涵道環(huán)頻率處，由于局域共振效應(yīng)，增強(qiáng)涵道在該頻率處的隔聲性能，提升涵道的聲傳遞損失。

22、在步驟4）中，調(diào)控壓電超結(jié)構(gòu)涵道在固有頻率處的隔聲性能；當(dāng)入射聲波的頻率與涵道的固有頻率相等時(shí)，涵道由于共振會(huì)導(dǎo)致隔聲性能降低，通過(guò)調(diào)節(jié)電感，將電路共振頻率調(diào)節(jié)至涵道固有頻率附近，壓電分流電路可以抑制涵道的共振，進(jìn)而提升涵道在固有頻率處隔聲性能。

23、優(yōu)選地，在壓電超結(jié)構(gòu)與涵道的結(jié)合方式上，所述旋翼飛行器涵道周期性貼附pzt壓電片，這種貼附方式對(duì)涵道所產(chǎn)生的附加質(zhì)量較小。這一特點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)在于，它最大程度地降低了對(duì)旋翼飛行器原有性能的影響，使得在實(shí)現(xiàn)隔聲功能的同時(shí)，旋翼飛行器依然能夠保持良好的飛行性能、操控性能等，使其更契合實(shí)際飛行應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于結(jié)構(gòu)重量和穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。

24、優(yōu)選地，所述旋翼飛行器壓電超結(jié)構(gòu)涵道在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出多方面價(jià)值。一方面，它能夠顯著降低飛行器旋翼對(duì)機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生的噪聲，有效提升機(jī)艙內(nèi)的乘坐舒適性，讓乘客免受嘈雜噪聲的干擾；另一方面，它還能夠切實(shí)減小飛行器對(duì)周?chē)h(huán)境造成的噪聲影響，符合當(dāng)前綠色環(huán)保、低噪飛行的發(fā)展理念，有助于減少飛行器運(yùn)行過(guò)程中的噪聲污染，提升飛行器在低空飛行場(chǎng)景下的社會(huì)接受度。

25、優(yōu)選地，所述旋翼飛行器壓電超結(jié)構(gòu)涵道具備出色的可調(diào)節(jié)性，能夠通過(guò)靈活改變外接分流電路參數(shù)的方式進(jìn)行調(diào)諧操作。借助這一強(qiáng)大的功能，不僅可以增強(qiáng)壓電超結(jié)構(gòu)在環(huán)頻率與固有頻率處的隔聲性能，進(jìn)一步優(yōu)化特定頻率范圍內(nèi)的隔聲效果，而且還能夠針對(duì)旋翼在不同轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的不同頻段噪聲進(jìn)行精準(zhǔn)控制。也就是說(shuō)，無(wú)論飛行器處于何種飛行狀態(tài)、旋翼以何種轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生不同頻率的噪聲，都能夠通過(guò)調(diào)整外接電路參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)頻段噪聲的有效抑制，全方位、動(dòng)態(tài)地提升飛行器在不同工況下的隔聲降噪效果，使其在復(fù)雜多變的實(shí)際飛行環(huán)境中始終保持良好的聲學(xué)性能。

26、綜上所述，本發(fā)明提出的技術(shù)方案，相較于現(xiàn)有技術(shù)而言，呈現(xiàn)出諸多的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明以涵道結(jié)構(gòu)為基體，進(jìn)行隔聲設(shè)計(jì)與隔聲調(diào)控，具有普適性。本發(fā)明通過(guò)在旋翼飛行器的旋翼部位巧妙增添壓電超結(jié)構(gòu)涵道，在實(shí)現(xiàn)高效隔聲的同時(shí)，其附加質(zhì)量微小，可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，能夠有效地隔離噪聲，為旋翼飛行器在低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐，具備廣闊的應(yīng)用前景以及顯著的實(shí)用價(jià)值，有望成為解決旋翼飛行器噪聲問(wèn)題的有效技術(shù)手段。