单层宽频柔性微穿孔板的加工方法和声学特性研究

谢东岳1,孔德义2,李国欣3,胡 明1,徐 贺2,钱玉洁4,唐晓宁5

(1. 合肥工业大学,安徽合肥230009;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. 中国科学技术大学,安徽合肥230026;4. 河海大学常州校区,江苏常州213022;5. 武汉纺织大学,湖北武汉430200)

摘要:针对单层微穿孔板吸声带宽较窄、常规加工方法难以制造超微孔径微穿孔板等技术现状,着重研究了具有较宽吸声频带的单层柔性超微孔微穿孔板的加工方法,包括微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)模板浇铸脱模法、热压印穿孔法、针辊式穿孔法、数控铣床穿孔法,并比较、分析了这些加工方法各自的特点。其中MEMS模板浇铸脱模法和数控铣床穿孔法都可以实现孔径小于100 μm的超微孔柔性微穿孔板加工。前者可以实现批量化加工,但成本较高;后者加工精确,但不适合孔径过小、穿孔密度太大的柔性微穿孔板批量化加工。热压印穿孔法和针辊式穿孔法可以实现批量化加工,不过难以加工出孔径100 μm以下的超微孔,且加工误差较大。进而,加工了多种柔性材质的微穿孔板膜片,包括聚二甲基硅氧烷,硬纸板,聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride, PVC),聚碳酸酯,耐高温聚酯。其中,采用数控铣床穿孔法加工的PVC微穿孔板膜片有较好的吸声性能,部分单层PVC微穿孔板的吸声带宽可以达到3倍频程。

关键词:柔性微穿孔板;超微孔径加工;宽带吸声

0 引 言

自马大猷教授提出的微穿孔板理论模型[1-2]首次应用于德国波恩联邦议会大厅以来[3],由于其构造简单、不污染环境、可回收重复利用、耐高温高湿恶劣环境等特点,已经在建筑物内部、消声器、轮船等众多领域得到了广泛应用,不过仍存在以下不足:(1) 与多孔吸声材料相比,微穿孔板的吸声频带相对较窄,通常只有1~2个倍频程,虽然采用双层或多层微穿孔板串联可将吸声频带拓宽到3个倍频程以上[4-13],但会增加微穿孔板的空间体积和制造成本,因此拓宽单层微穿孔板的吸声频带,发挥其最大吸声潜能,是一项非常有意义的研究工作;(2)目前大多数微穿孔板基本上都是采用刚性材料制作,“刚性有余,柔性不足”,不便于运输携带以及在某些特殊场合使用,而柔性微穿孔板则可以通过弯曲变形,适用于某些特殊曲面形状的噪声源,并且在空间体积方面能够做到小巧紧凑;(3) 当前常用的微穿孔板大都采用机械冲孔技术加工制造,穿孔直径一般在 200 μm 以上,因此吸声频带较窄,且穿孔效率较低,定位精度不高,该技术很难加工孔径在 100 μm 左右、具有较宽吸声频带的超微孔径微穿孔板。

制约单层微穿孔板(无论是刚性或柔性微穿孔板)获得高吸声带宽的主要因素就是穿孔加工技术,尤其是对超微孔径(孔径低于100 μm)的加工技术。马大猷教授曾提出过用尖钻在金属薄片上钻孔,用热针穿刺塑料薄膜,以及直接采用纺织纱线织物等方法[14],国内同行也曾采用激光打孔技术制作了孔径为 0.2 mm 的不锈钢微穿孔板[15],但对于超微孔径微穿孔板的加工效果均不是很理想。

针对上述现状,本文着重研究了用于制造具有较宽吸声频带的单层柔性超微孔径微穿孔板的加工方法,包括微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)模板浇铸脱模法、热压印穿孔法、针辊式穿孔法、数控铣床穿孔法,并比较和分析了这些加工方法的各自特点。进而,加工了多种柔性材质的微穿孔板膜片,包括聚二甲基硅氧烷,硬纸板,聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride, PVC),聚碳酸酯,耐高温聚酯等,其中部分单层柔性微穿孔板的吸声带宽可以达到3倍频程。

1 MEMS模板浇铸脱模法

MEMS模板浇铸脱模法是先采用MEMS技术加工出圆形的金属镍柱阵列,再以镍柱阵列为模板,通过浇铸并旋涂液态高分子材料,固化后脱模即可复制出柔性微穿孔板膜片。其中,镍柱的高度和直径即为(或近似为)柔性微穿孔板膜片的厚度和孔径。

加工金属镍柱阵列模板的工艺流程如图 1所示,具体步骤如下:

图1 制作金属镍圆柱阵列模板的工艺流程
Fig.1 Fabrication procedure of Nickel pillars array

(1) 选用边长为63 mm、厚度为2 mm的金属镍长方体模板,对其进行清洗干燥处理;

(2) 在金属镍上表面先旋涂一层厚度约为150 μm的SU-8光刻胶;

(3) 前烘后用紫外光刻机曝光、后烘;

(4) 冷却后在金属镍上表面再旋涂一层厚度为120 μm的光刻胶;

(5) 对第二层光刻胶进行前烘、曝光、后烘;

(6) 显影并清洗模板;

(7) 采用双槽双路精密电铸机进行电铸;

(8) 去除SU-8胶,得到金属镍圆柱阵列模板。

采用上述工艺流程加工出的金属镍柱阵列模板如图2所示,图中镍柱直径为80 μm。

图2 金属镍圆柱阵列模板
Fig.2 Nickel pillars array

将液态聚二甲基硅氧烷与固化剂以10:1混合,搅拌后浇铸在金属镍柱模板上,旋涂并辅以一定机械压力,经真空脱气后,放置在80℃的热板上固化3 h,从模板上剥离后即得到孔径为80 μm的PDMS柔性微穿孔板,如图3所示。

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

该方法虽然制作金属模板的工艺过程较长,成本较高,但是一旦加工出模板,即可批量复制加工柔性微穿孔板,大大提高效率并降低成本。其缺点是由于金属镍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,另外孔径过小的柔性微穿孔板在脱模时难度较大。

2 热压印穿孔法

我们设计并加工了一套热针压印装置,由钢针阵列、加热板、导热板、固定台、温控电路、手动压紧台组成。接通电源后,设置温控板加热温度,加热板达到设定温度后保持恒温,通过导热板使钢针阵列温度均匀一致,利用手动压紧装置压下钢针至穿孔材料上,从而实现批量化穿孔。该热压印装置的设计与实物如图4所示。

图4 热压印装置
Fig.4 Thermal imprinting device

该装置中钢针直径为 0.5 mm,可穿孔深度为2 mm,钢针之间间距为 3.2 mm。利用该装置分别对柔性PET膜片和PVC膜片进行了穿孔实验,其中PET膜片的熔点250~255 ℃,厚度有0.2 mm和0.15 mm两种规格;PVC膜片熔点为212 ℃,厚度有0.2 mm和0.1 mm两种规格。实验发现,0.2 mm厚度的PET膜片在250 ℃下可以穿孔,但孔径偏大,热变形凝结;0.15 mm厚度的PET需要在300 ℃下才可以穿透,但温度过高热变性严重;两种厚度规格的PVC膜片在215 ℃下都可以穿透,但由于PVC材质较软,因此穿孔效果不如PET。对柔性PET膜片和PVC膜片的热压印穿孔实验结果如图5所示。

图5 热压印的PET(a)和PVC穿孔膜片(b)
Fig.5 Perforated PET (a) and PVC (b) membranes by thermal imprinting

3 针辊式穿孔法

针辊式穿孔是目前批量化打孔的一种手段,技术和设备较为成熟。针辊穿孔设备如图 6所示(图6(b)为辊针部分)。

图6 针辊穿孔设备
Fig.6 Needle roller perforation machine

分别采用直径为0.1 mm和0.2 mm的辊针,对厚度为0.33 mm的金属铝薄板进行了穿孔试验,发现铝板可实现全部通孔,但实际加工出的铝板通孔直径尺寸与设计值(即辊针直径)相差较大,在0.32~0.44 mm之间,如表1所示,因此这些采用针辊穿孔设备加工的金属铝微穿孔板吸声体的吸声特性很难达到设计要求。

表1 针辊设备加工的金属铝穿孔尺寸
Table 1 Perforation sizes of Al plate by needle roller machining

辊针直径/铝板通孔平均尺寸/mm mm 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8#0.10 0.39 0.33 0.41 0.34 0.40 0.32 0.35 0.32 0.20 0.44 0.40 0.37 0.38 0.45 0.40 0.42 0.41

进而,分别采用直径为0.1 mm和0.2 mm的辊针对PET柔性膜片进行了穿孔实验。选取了两种厚度规格的PET柔性膜片,厚度分别为0.1 mm和0.2 mm。实际加工出的PET微穿孔板的通孔直径尺寸如表2所示,其中圆孔较少,大多是扁平孔或线孔,尺寸也差异较大,均比设计值(辊针直径)要高出不少,这主要是由于在轮辊的转动过程中辊针的刺入与穿出会扩大孔径,导致无法达到预期的孔径设计值。因此,辊针穿孔法加工工艺不太适合对柔性微穿孔板、尤其是超微孔径柔性微穿孔板的批量化加工。

表2 针辊设备加工的PET穿孔尺寸
Table 2 Perforation sizes of PET plate by needle roller machining

辊针直径/mm 0.1 mm厚PET膜片0.2 mm厚PET膜片通孔平均尺寸0.33 mm 0.1 通孔为扁平孔,孔径0.30~0.36 mm 0.2 线孔和扁平孔,孔径0.35~0.43 mm通孔平均尺寸0.39 mm

4 数控铣床穿孔法

数控铣床是一种高度自动化的机械加工设备,通过选用不同规格的铣刀,可用于加工各种尺寸的机械或微机械结构。采用数控铣床来加工柔性微穿孔板有一定优势,首先是制造成本相对较低,因为现在薄膜材料的价格低,可以使用不同的材质作为柔性微穿孔板的基板;其次,数控铣床可以选择相应规格的铣刀并通过编程设置对应的步进间距,以及选择被加工的柔性薄膜材料,来灵活地制造各种材质和结构设计参数的柔性微穿孔板。加工好的样品可在显微镜下观察其孔径是否均匀,进而根据观测结果,对下刀速度、提刀速率、参考高度等参数进一步优化。

采用数控铣床加工柔性微穿孔板的工艺流程如图7所示,具体步骤如下:

图7 数控铣床加工柔性微穿孔板的工艺流程
Fig.7 Fabrication procedure of flexible perforated plate by CNC machining

(1) 用CAD软件建模、编程、程序检验、输出G代码;

(2) 对样品进行装夹、定位;

(3) 预加工,主要是为了检验数控铣刀与作图是否一致;

(4) 加工样品;

(5) 对加工好的样品进行超声波清洗;

(6) 对样品进行干燥处理。

采用数控铣床加工了硬纸板、PET(耐高温聚酯)、PC(聚碳酸酯)、PVC(聚氯乙烯)这4种等柔性材质的微穿孔板,其结构设计参数如表3所示,表中:d是孔径,b是孔间距,t是厚度,p是穿孔率。

表3 4种柔性微穿孔板的结构设计参数
Table 3 Parameters of four flexible micro perforated plates

材质 d/mm b/mm t/mm p/%硬纸板 0.20 0.87 0.20 4.151 PET 0.08 0.44 0.10 2.595 PVC 0.10 0.38 0.20 5.436 PC 0.10 0.60 0.30 2.181

采用数控铣床加工出的4种柔性微穿孔板样品如图8所示。图9是对这4种样品中通孔形貌的扫描电镜观测结果,可以看出,PVC材料穿孔效果最好,纸板由于纤维较多,因此穿孔效果最差。

图8 数控铣床加工的四种柔性微穿孔板
Fig.8 CNC machined flexible micro perforated plates

图9 4种柔性微穿孔板通孔形貌的扫描电镜照片
Fig.9 SEM pictures of perforations of four flexible micro perforated plates

在驻波管(AWA6128A)中测试了这 4种柔性微穿孔板的吸声系数频谱,背腔深度均固定为15 mm,测试结果如图10所示。由图10可以看出,PVC材质的微穿孔板与理论计算结果最接近,且在低频范围其吸声频带有一定展宽,吸声系数也有一定提高。

图10 四种柔性微穿孔板的吸声系数频谱
Fig.10 Sound absorption spectrums of four flexible micro perforated plates

5 单层宽频柔性微穿孔板加工与测试

根据前文实验结果,采用数控铣床加工 PVC材质的通孔精度较高,其吸声特性实验结果与理论计算值最接近,且该加工方法十分方便灵活,可根据设计需求加工出各种结构参数的柔性微穿孔板,因此,我们进一步采用数控铣床加工了一组具有不同结构设计参数的柔性 PVC微穿孔板,其结构设计参数如表4所示。图11是其中一个加工完成的PVC微穿孔板样品(1#-PVC),其余样品类似。

表4 PVC微穿孔板的结构设计参数
Table 4 Parameters of PVC micro perforated plates

编号 d/mm b/mm t/mm p/%1#-PVC 0.1 0.6 0.2 2.181 2#-PVC 0.1 0.48 0.2 3.407 3#-PVC 0.1 0.38 0.2 5.436 4#-PVC 0.1 0.32 0.2 7.666

图11 数控铣床加工的PVC微穿孔板(1#-PVC)
Fig.11 CNC machined PVC micro perforated plates (1#-PVC)

该组 PVC微穿孔板在驻波管中的吸声系数测试结果如图12所示(AWA6128A),背腔深度仍固定为15 mm。

图12 不同设计参数的PVC微穿孔板吸声系数频谱
Fig.12 Sound absorption spectrums of the PVC micro perforated plates with different design parameters

从测试结果来看,4种不同穿孔率设计参数的PVC柔性微穿孔板吸声体吸声系数的实验值与马氏微穿孔板理论计算值相比,吸声频带均向低频展宽,这是由于经典的马氏微穿孔板理论模型是基于刚性材料假设提出的,而本文以 PVC材料作为基材,材料本身比较柔软,由于薄板的振动,使其共振峰向低频偏移。如果是对于同样结构设计参数的刚性微穿孔板吸声体,根据马氏微穿孔板理论可计算出,1#、2#、3#、4#样品的最大吸声系数分别为0.94、0.99、0.96、0.88,其相应的倍频程分别约为2.5、2.4、2.1、1.8(均以吸声系数0.5作为有效吸声范围的低限,下同),共振频率分别为2 996、3 543、4 102、4 473 Hz。对于刚性的微穿孔板,随着孔径的减小,穿孔密度相应要增大,其共振峰向高频移动,对低频噪声的吸声效果相对减弱。但是相同结构设计参数的 PVC柔性微穿孔板吸声体,对低频噪声的吸声效果有所改进,如 4#样品在频率为1 500 Hz 时的吸声系数为 0.395,而相同参数的刚性微穿孔板吸声体在 1 500 Hz时的吸声系数为0.261,相对提高了51.3%,同时也拓宽了柔性微穿孔板吸声体的吸声频带宽度,如1#、2#号PVC柔性微穿孔板吸声体的吸声带宽达到3倍频程,3#、4#号PVC柔性微穿孔板吸声体的吸声带宽约为2.2倍频程,与马氏微穿孔板理论计算值相比,均有不同程度提高。

图13给出了上述4种不同穿孔率设计参数的PVC样品吸声特性测试结果的对比情况。

图13 不同穿孔率的PVC微穿孔板吸声特性对比
Fig.13 Sound absorption performances of the PVC micro perforated plates with different perforation ratios

6 结 论

本文针对柔性微穿孔板的加工制造工艺进行了研究,开发了基于 MEMS技术的模板浇铸脱模法和热压印穿孔法,同时还研究了针辊式穿孔法和数控铣床穿孔法,并比较和分析了这些加工方法的各自特点。其中 MEMS模板浇铸脱模法和数控铣床穿孔法可以实现孔径小于 100 μm 的超微孔径柔性微穿孔板加工,前者可以实现批量化加工,不过孔径越小越难脱模,并且模板的加工成本较高;后者加工精确,可以加工出最小50 μm的通孔,但当孔径较小、穿孔密度较大时,加工时间长,加工效率较低,因此不适合孔径过小、穿孔密度过大的柔性微穿孔板批量化加工。热压印穿孔法和针辊式穿孔法可以实现批量化加工,加工效率高,但难以加工出孔径100 μm以下的超微孔,且加工误差较大。

在此基础上,我们加工了多种柔性材质的微穿孔板膜片,包括PDMS(硅胶),硬纸板,PVC(聚氯乙烯),PC(聚碳酸酯),PET(耐高温聚酯)等。其中,采用数控铣床穿孔法加工的 PVC微穿孔板膜片有较高的加工精度和较好的吸声性能,部分单层PVC微穿孔板吸声体的吸声带宽可以达到3倍频程。

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Study on the fabrication method and sound absorption performance of single-layer wide-band flexible micro-perforated plate

XIE Dongyue1, KONG Deyi2, LI Guoxin3, HU Ming1, XU He2, QIAN Yujie4, TANG Xiaoning5
(1. Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China; 2. Hefei Institutes of Physical Science of CAS, State Key Laboratory of Transducer Technology, Key Laboratory of Biomimetic Sensing and Advanced Robot Technology of Anhui Province, Hefei 230031, Anhui, China; 3. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, Anhui, China; 4. Hohai University, Changzhou 213022, Jiangsu, China;5. Wuhan Textile University, Wuhan 430200, Hubei, China)

Abstract: In order to improve the acoustic properties of single layer micro-perforated plate limited by conventional processing technology, several approaches to fabricating flexible micro-perforated plate, including micro-electro-mechanical system (MEMS) molding, hot imprinting, needle roller puncturing, and computerized numerical control (CNC)milling, are studied in this paper. Both MEMS molding and CNC milling are capable of manufacturing apertures less than 100 microns; batch processing can be realized with MEMS molding, but the process to develop MEMS mold is time consuming and costly. The CNC milling is accurate, but it is not suitable for batch processing of flexible micro-perforated plates with too small aperture and too high perforation density. Batch processing can also be achieved with hot imprinting and needle roller puncturing, but it is difficult to manufacture apertures below 100 microns, and the machining error is significant. For comparison, a variety of polymer materials, including Polydimethylsiloxane, Paperboard, Polyvinyl Chloride (PVC), Polycarbonate, Polyethylene Terephthalate, are used to develop flexible micro-perforated plates,among these, PVC micro-perforated plates processed by CNC milling have better sound absorption performance, the maximum bandwidth of single layer PVC absorber reaches 3 octaves.

Key words: flexible micro-perforated plate; ultra-micro-aperture processing; broadband sound absorption

中图分类号:TB52

文献标志码:A

文章编号:1000-3630(2021)-01-0082-07

引用格式:谢东岳, 孔德义, 李国欣, 等. 单层宽频柔性微穿孔板的加工方法和声学特性研究[J]. 声学技术, 2021, 40(1): 82-88. [XIE Dongyue, KONG Deyi, LI Guoxin, et al. Study on the fabrication method and sound absorption performance of single-layer wide-band flexible micro-perforated plate[J].Technical Acoustics, 2021, 40(1): 82-88.] DOI: 10.16300/j.cnki.1000-3630.2021.01.013

收稿日期:2019-11-25;修回日期:2020-01-09

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(11774355, 11474291)、国家自然科学基金青年项目(11604077)

作者简介: 谢东岳(1992-), 男, 山东淄博人, 硕士研究生, 研究方向为噪声与振动控制。

通信作者: 孔德义, E-mail: kongdy@iim.ac.cn