Moderní trendy v tlumení hluku a vibrací pomocí piezoelektrických materiálů

• Foto

Prudký rozvoj lidské společnosti s sebou přináší řadu negativních aspektů. Jedním z nejvíce pociťovaných je nárůst počtu zdrojů hluku a vibrací, jejichž intenzita se stala důležitým parametrem určujícím kvalitu životního prostředí. Nedostatečně prozíravé plánování při výstavbě měst, zejména prolínání průmyslových a obytných zón s rušnými silničními a železničními cestami, vede k nadměrnému zatížení obytných zón hlukem.

Nejzávažnějším důsledkem je bezesporu negativní vliv na fyzické a psychické zdraví obyvatel. Je známo, že chronické vystavení hluku způsobuje nevratné poškození sluchu, pískání v uších (tinnitus), poruchy spánku, afektové nebo depresivní stavy, vysoký krevní tlak, ischemickou chorobu srdeční a další kardiovaskulární problémy. Že se nejedná o nijak nepodložená fakta, ale o skutečně vážný problém, svědčí mnohé studie Světové zdravotnické organizace. Například chronické vystavení nadměrnému hluku bylo jednoznačně určeno jako rozhodující příčinou 3 % úmrtí na ischemickou chorobu srdeční v Evropě. To odpovídá zhruba 210 tisícům úmrtí na celém světě způsobených hlukem [1, 2]. Díky zcela zjevnému negativnímu vlivu hluku na lidské zdraví je vystavení člověka hluku předmětem mnoha regulačních opatření. V jednom ze základních opatření je stanovena maximální doporučená doba 40 hodin pobytu v hlučném prostředí o intenzitě 80 dB během jednoho týdne. S každým dalším zvýšením intenzity hluku v daném prostředí o 3 dB se maximální doporučená doba pobytu v takovém prostředí zkracuje na polovinu. Nicméně tato opatření jsou již v odborné lékařské literatuře považována za nedostatečná pro zamezení poškození sluchu a dalším zdravotním následkům.

Jedním z nedostatků uvedeného opatření je fakt, že lidský sluch je pro určité frekvence více náchylnější k poškození a pro jiné frekvence méně. Výsledkem zdravotních studií jsou propracovanější regulační opatření, z nichž jedno je zobrazeno v grafu 1 a udává maximální doporučené doby vystavení zvuku o dané intenzitě a frekvenci. V grafu je patrná oblast frekvencí mezi 2 a 5 kHz, ve které nejrychleji dochází k poškození sluchu. Je proto jasné, že současná moderní zařízení pro potlačování hluku a vibrací by měly být schopny velmi účinně pracovat zejména v této frekvenční oblasti.

KONVENČNÍ PŘÍSTUPY K POTLAČOVÁNÍ PŘENOSU HLUKU
V současné době existují dva principiálně odlišné konvenční přístupy k potlačování přenosu hluku – pasivní a aktivní. Pasivní přístup k tlumení přenosu hluku je založen na použití zvukových bariér z hutných materiálů (cihly, beton, kov apod.), porézních zvukově absorpčních materiálů (skelná vata, objemové netkané textilie, polyuretanová pěna apod.) nebo viskoelastických materiálů (např. pryžové vrstvy).

Výhodou pasivního přístupu je poměrně nízká cena a dostupnost zvukově izolačních materiálů. Nevýhodou je nízká zvukově izolační účinnost zejména v oblasti nízkých frekvencí (cca pod 1 kHz) a zejména fakt, že dostatečné odhlučnění vyžaduje použití poměrně velkých objemů zvukově izolačního materiálu, což ve výsledku zvyšuje cenu a zejména hmotnost systému. Kvalitní odhlučnění pasivními materiály je proto problematické například v dopravních prostředcích a zejména v letadlech.

Na druhé straně aktivní přístup k tlumení hluku (angl. Active Noise Control, ANC) je založen destruktivní interferenci zvukových vln ve vzduchu. ANC systém se skládá ze soustavy mikrofonů a reproduktorů připojených k digitálnímu signálovému procesoru, nebo počítači. Přicházející hluk je detekován systémem mikrofonů, získané signály jsou zpracovány elektronikou a přivedeny do reproduktoru, který vytvoří „rušící“ zvukovou vlnu stejné amplitudy avšak opačné fáze. Obě zvukové vlny se navzájem složí tak, že výsledná zvuková vlna je v ideálním případě nepostřehnutelná lidským uchem. Jediná výhoda tohoto systému je jeho schopnost velmi účinně potlačovat hluk na nízkých frekvencích (cca do 800 Hz). Nevýhod je hned několik: systém je použitelný pouze pro potlačení hluku v malých oblastech (např. kokpit nadzvukové stíhačky) a při použití ve větších prostorech selhává, realizace takového systému je značně nákladná a komplikovaná, a jeho provoz je náročný na spotřebu elektrické energie.

Z výše uvedených faktů je zřejmé, že účinné potlačení hluku ve frekvenční oblasti kritické z hlediska poškození sluchu vyžaduje kombinaci jak pasivního, tak aktivního přístupu, což je nepraktické v reálných aplikacích. Z tohoto  důvodu je pozornost vědců zaměřena na hledání nových metod, které by spojily výhody a eliminovaly nevýhody obou konvenčních přístupů. Jedna z možností je využít unikátních materiálových vlastností tzv. piezoelektrických materiálů.

MODERNÍ SEMI-AKTIVNÍ PŘÍSTUP K TLUMENÍ HLUKU
Moderní semi-aktivní přístup k tlumení hluku je založen na jednoduchém akustickém jevu – na odrazu zvukových vln na rozhraní dvou prostředí. Tento jev se dá popsat velmi jednoduše. Dopadne-li zvuková vlna šířící se ve vzduchu na rozhraní s jiným prostředím, část zvukové vlny se odrazí zpět a zbylá část zvukové vlny rozhraním projde. Pokud je rozhraní tvořeno vrstvou z jiného materiálu (např. sklo okenní tabule), potom odraz dopadající zvukové vlny způsobí rozechvění této vrstvy a ta potom funguje jako zdroj hluku pro prostředí za ní.

Veškerý problém s nedostatečnou hlukovou izolací se dá formulovat tak, že sklo okenní tabule nebo tenký plech karoserie automobilu, či trupu letadla nepředstavuje dostatečně odolnou zvukovou bariéru a prošlá zvuková vlna je slyšitelná lidským sluchem. Tato situace se však může poměrně jednoduše změnit s využitím piezoelektrických materiálů a metody aktivního řízení elastických vlastností.

PIEZOELEKTRICKÉ MATERIÁLY A METODA AKTIVNÍHO ŘÍZENÍ ELASTICKÝCH VLASTNOSTÍ
Piezoelektrické materiály je jistá třída dielektrických materiálů vyznačující se tzv. přímým a inverzním piezoelektrickým jevem. Přímý piezoelektrický jev nastane v případě, že se působením mechanické sily na piezoelektrickou destičku vytvoří na elektrodách destičky elektrický náboj, který je přímo úměrný působícímu mechanickému napětí.

Inverzní piezoelektrický jev nastane, přivedeme-li elektrické napětí na elektrody piezoelektrické destičky, a ta se deformuje přímo úměrně přiloženému elektrickému napětí. Piezoelektrického jevu je možno využít k aktivnímu řízení elastických vlastností materiálu. Původní myšlenka dr. Dateho [3], schematicky zobrazená na obr. 1, je velmi prostá. Působíme-li mechanickou silou F na elastický materiál,  ytvoříme v něm deformaci podle Hookeova zákona Dxelast. V piezoelektrickém materiálu se navíc vlivem mechanické síly F vytvoří na elektrodách náboj Q. Náboj Q je přiveden do aktivního elektronického obvodu, který řídí elektrické napětí V na elektrodách piezoelektrika.

Celková deformace piezoelektrické destičky je rovna součtu deformace dané Hookeovým zákonem Dxelast a deformaci dané inverzním piezoelektrickým jevem Dxpiezo. Pokud se v součtu oba dva příspěvky k deformaci navzájem vyruší (jak je naznačeno na obr. 1), je celková deformace piezoelektrické destičky nulová i při nenulové působící síle. To odpovídá situaci, kdy efektivní elastická tuhost destičky dosahuje nekonečných hodnot. Tohoto stavu je možné velmi výhodně využít v systémech pro potlačení přenosu hluku.

V principu existuje několik základních uspořádání piezoelektrických prvků, která umožní zvýšit neprůzvučnost různých konstrukcí. Zde se omezíme pouze na nejjednodušší případ, který je zobrazen na obr. 2. Zvukově izolační štít je tvořen tenkou zakřivenou piezoelektrickou membránou upnutou v pevném rámu. Dopadající zvuková vlna způsobí kmitání membrány v radiálním směru, které je přímo úměrné amplitudě prošlé zvukové vlny. Připojením aktivního obvodu je možné zvýšit tuhost membrány, a tím potlačit její kmitání v radiálním směru, což vede ke snížení amplitudy prošlé zvukové vlny. Experimentální aplikace tohoto principu byly realizovány Okubem et al. [4], Kodamou et al. [5] a dále teoreticky analyzovány [6]. Praktická realizace protihlukového štítu tohoto typu [7, 8] je zobrazena na obr. 3, kde velmi tenká (40 μm) zakřivená piezoelektrická membrána z polyvinidilenefluoridu (PVDF) je upevněna v pevném hliníkovém rámu o rozměrech 20 × 30 cm.

Akustická přenosová ztráta skrz tento protihlukový štít je zobrazena v grafu 2. Modrá křivka zobrazuje frekvenční závislost přenosové ztráty samotné piezoelektrické membrány a je na ní patrné minimum při frekvenci 300 Hz. Červená křivka zobrazuje frekvenční závislost přenosové ztráty piezoelektrické membrány připojené k aktivnímu elektronickému obvodu. Obvod byl navržen tak, aby zvýšil neprůzvučnost membrány ve frekvenční oblasti okolo 300 Hz a bylo dosaženo minimální hodnoty přenosové ztráty cca 25 dB pro všechny slyšitelné frekvence. Toto je poměrně vysoká hodnota, bereme-li v úvahu tloušťku piezoelektrické membrány 40 μm a celkovou hmotnost a objem celého systému. Za pozornost stojí fakt, že se v tomto přístupu k tlumení přenosu hluku jednak využívá pasivního tlumení a jednak je ve vybrané frekvenční oblasti možné ještě činností aktivního elektronického obvodu dále podstatně zvýšit neprůzvučnost zvukového štítu. To je bezesporu velkou výhodou ve srovnání s konvenčními metodami potlačování přenosu hluku a vibrací.

Obr. 4 zobrazuje přehled dosažitelného útlumu tří zmíněných metod potlačování přenosu hluku: pasivní tlumení přenosu hluku, aktivní potlačování hluku a semi-aktivní potlačování přenosu hluku pomocí piezoelektrických materiálů. Z obrázku je patrné, že pro dosažení potřebného útlumu hluku pomocí konvenčních metod je třeba kombinace pasivního i aktivního přístupu. Tuto nevýhodu elegantně odstraňuje moderní semi-aktivní tlumení hluku pomocí piezoelektrických materiálů, neboť tato metoda využívá jednak příspěvek díky pasivnímu tlumení přenosu sluku a jednak dodatečný příspěvek daný činností aktivního elektronického obvodu. Další významnou výhodou semi-aktivního přístupu je široká frekvenční oblast, ve které lze dosáhnout efektivního tlumení přenosu hluku. V případě tlumení hluku byly realizovány experimentální zvukově-izolační systémy pracující ve frekvenčních oblastech kolem 1,6 kHz [9] a kolem 3 kHz [10]. Extrémní demonstrací velkého potenciálu této metody jsou práce Imota et al. [11] and Tahary et al. [12], kteří realizovali systém pro potlačení přenosu vibrací o 40 dB v široké frekvenční oblasti od 1 do 100 kHz.

ZÁVĚR
Výše popsaná moderní metoda představuje důležitou alternativu k potlačování přenosu hluku a vibrací s mnoha výhodami ve srovnání s konvenčním ANC přístupem (např. účinné potlačení přenosu hluku ve frekvenční oblasti představující nejvyšší riziko pro poškození lidského sluchu), která je použitelná ve všech aplikacích, kde jsou již používány konvenční metody (např. letecký průmysl). Navíc tato metoda nabízí realizaci levného a jednoduchého zařízení pro potlačení přenosu hluku s velmi malou hmotností a nízkou spotřebou energie, které může být s výhodou použito v letadlech, vysokorychlostních vlacích a dalších hlučných prostředích.

Článek vznikl s podporou grantu GAČR 101/08/1279 Moderní metody potlačování hluku a vibrací pomocí piezoelektrických materiálů.

Doc. Ing. Pavel Mokrý, Ph.D., je zaměstnán od roku 2006 jako docent na Fakultě mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Technické univerzity v Liberci. Zde se věnuje základnímu výzkumu piezoelektrických materiálů a jejich aplikacím v systémech pro potlačení hluku a vibrací. Předtím absolvoval dva dlouhodobé pracovní pobyty v Japonsku (Kobayasi Institute of Physical Research,  Tokio) a Švýcarsku (Švýcarský národní polytechnický institut, Lausanne).

LITERATURA:
[1] World Health Organization, Fact sheet N°258: Occupational and community noise, 2001
[2] Coghlan, A. News review 2007: Hidden harm from noise pollution, Newscientist 2635.22 Dec., 2007
[3] Date, M., Kutani, M., Sakai, S.: Electrically controlled elasticity utilizing piezoelectric coupling, J. Appl. Phys. 87(2) 863-868, 2000
[4] Okubo, T., Kodama, H., Kimura, K., Yamamoto, K., Fukada E., and Date, M.: Sound-isolation and vibration-isolating efficiency piezoelectric materials connected to negative capacitance circuits, in Proc. 17th Int. Congr. Acoustics, 2001, pp. 301–306
[5] Kodama, H., Okubo, T., Date, M., and Fukada, E.: Sound reflection and absorption by piezoelectric polymer films,in Proc. Material Research Society Symp., 2002, vol. 698, pp. 43–52
[6] Mokrý, P., Fukada, E., and Yamamoto, K.: Noise shielding system utilizing thin piezoelectric membrane and elasticity control, J. Appl. Phys., vol. 94, no. 1, pp. 789–796, 2003
[7] Fukada, E., Date, M, Kimura, K., Okubo, T., Kodama, H., Mokrý, P., Yamamoto, K.:Sound isolation by piezoelectric polymer films connected to negative capacitance circuits,“ IEEE Trans. Dielectrics Electr. Insul. 11 (2) 328-333, 2004
[8] Yamamoto, K., Kimura, K., Okubo, T., Kodama, H., Date, M. and Fukada, E.: Control of Low Frequency Sound Insulation by Curved Polymer Films, Proc. Inter-noise 2005, Rio de Janeiro, Brazil, 6.–20. 8. 2005
[9] Sluka, T., Kodama, H., Fukada, E., and Mokrý, P.: Sound shielding by a piezoelectric membrane and a negative capacitor with feedback control, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 55 (8) Pgs. 1859–1866, 2008
[10] Sluka, T., Kodama, H., Fukada, E., and Mokrý, P. (nepublikováno)
[11] Imoto, K., Nishiura, M., Yamamoto, K., Date, M., Fukada, E., and Tajitsu, Y.: Elasticity control of piezoelectric lead zirconate titanate (pzt) materials using negative-capacitance circuits, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 44, no. 9B, pp. 7019–7023, 2005
[12] Tahara, K., Ueda, H., Takarada, J., Imoto, K., Yamamoto, K., Date, M., Fukada, E., and Tajitsu, Y.:Basic study of application for elasticity control of piezoelectric lead zirconate titanate materials using negative-capacitance circuits to sound shielding technology, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 45, no. 9B, pp. 7422–7425, 2006

Modern trends in noise suppression and vibrations using piezoelectric materials
Road, railway and air transportation represent major sources of the more or less every person’s exposure to noise and vibrations. Solution of the noise problems has become the priority of developed country governments and the subject of more and more strict regulations. It stimulates an increasing demand for the efficiency and availability of sophisticated devices for the noise suppression. Construction of such devices represents a big contemporary challenge for researchers in the field of acoustics. Simple, variable and efficient method for the suppression of the noise and vibration transmission is based on the utilization of piezoelectric materials.

Autor

• Doc. Ing. Mokrý Pavel Ph.D.