電流變液體的聲學(xué)及振動(dòng)控制行為研究.pdf

1、電流變液是一種智能材料，同時(shí)它也屬于復(fù)雜流體的范疇。在外電場(chǎng)作用下，電流變液內(nèi)部的分散顆粒在載液中排成一定規(guī)則的微觀結(jié)構(gòu)，從而它的許多物理性能發(fā)生很大變化。本文設(shè)計(jì)了柔性電流變液復(fù)合夾層膜，并細(xì)致地研究了該柔性?shī)A層膜的聲波透射行為。制作柔性?shī)A層的材料分別有涂敷導(dǎo)電膠的塑料薄膜和導(dǎo)電硅橡膠；使用的電流變液材料有淀粉/硅油體系和丙烯酰胺包覆Cr摻雜TiO2納米顆粒/硅油體系；電極方式有膜層上下電極(對(duì)應(yīng)電場(chǎng)與聲波傳播同方向)和單面柵形電極(

2、對(duì)應(yīng)電場(chǎng)與聲波傳播方向垂直)；還對(duì)不同面尺寸的柔性?shī)A層膜對(duì)聲波透射行為的影響進(jìn)行了研究；建立了柔性?shī)A層膜的振動(dòng)-輻射模型，分析了柔性?shī)A層膜上的共振效應(yīng)與透射聲壓級(jí)譜線上的峰形的對(duì)應(yīng)關(guān)系，定性地闡明了聲波透射可調(diào)控行為的原因。此外，基于智能材料與系統(tǒng)的思想，用電流變液作控制振動(dòng)的執(zhí)行器，用壓電陶瓷作振動(dòng)響應(yīng)器和為電流變液固化提供電場(chǎng)的激勵(lì)器，設(shè)計(jì)制作了兩代電流變-壓電陶瓷自耦合阻尼器件，并進(jìn)行了阻尼器振動(dòng)性能的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。論文工作

3、主要結(jié)果如下： 1.淀粉電流變液/導(dǎo)電膠塑料膜電極復(fù)合柔性薄層；在約80-150Hz頻段內(nèi)，透射聲壓級(jí)(SPL)隨電場(chǎng)增加而增大，SPL譜線呈現(xiàn)一個(gè)共振峰，峰高度也隨電場(chǎng)增加而增大；對(duì)顆粒體積分?jǐn)?shù)31﹪，SPL譜線的共振峰的峰頂點(diǎn)頻率值隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加向高頻方向移動(dòng)；在SPL出現(xiàn)可調(diào)控的頻段內(nèi)，透射聲波的相位也隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加而增大；體積分?jǐn)?shù)從16﹪增到31﹪，SPL可調(diào)控頻段也向高頻移動(dòng)，從75-140Hz移到90-170Hz，且

4、SPL的可調(diào)控幅度也增強(qiáng)。 2.建立了柔性?shī)A層膜的振動(dòng)-輻射模型，從定性或半定量的角度闡明了透射聲波可調(diào)控的原因。將ER膜的聲透射轉(zhuǎn)換為求等效的活塞發(fā)生器的聲輻射場(chǎng)問(wèn)題；將ER膜的振動(dòng)簡(jiǎn)化為2自由度模型；ER流體的彈性參數(shù)由貯能模量和損耗模量得到。在電場(chǎng)作用下，振動(dòng)位移譜線出現(xiàn)明顯的共振峰，表明ER膜層上發(fā)生較強(qiáng)的共振效應(yīng)；與位移共振現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)，聲輻射譜線出現(xiàn)了明顯的共振峰，表明實(shí)驗(yàn)測(cè)得的透射聲壓峰現(xiàn)象是由ER膜層上共振效應(yīng)造成

5、的，而這又歸因于電場(chǎng)導(dǎo)致的ER流體的粘彈特性的變化；ER膜層上的共振態(tài)強(qiáng)弱可以由電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)調(diào)控，這就導(dǎo)致了電場(chǎng)可調(diào)控的聲透射行為。 3.對(duì)柵形電極的淀粉/硅油電流變液柔性薄層，透射聲波方向與電場(chǎng)方向近似垂直。對(duì)面尺寸90×90mm樣品，體積分?jǐn)?shù)22﹪時(shí)，在80-160Hz頻率段，SPL隨外電場(chǎng)強(qiáng)度增加而增大，并且SPL譜線呈現(xiàn)一個(gè)峰形；體積分?jǐn)?shù)從22﹪增到34﹪，SPL可調(diào)控頻率段向高頻移動(dòng)，從80-160Hz移動(dòng)到120-18

6、0Hz，且峰形頂點(diǎn)頻率從135Hz移動(dòng)到145Hz，響應(yīng)頻帶和峰形頂點(diǎn)頻率都呈高頻移動(dòng)趨勢(shì)；體積分?jǐn)?shù)34﹪，面尺寸40×40mm時(shí)，響應(yīng)頻帶位于350-800Hz，在550-800Hz頻率范圍內(nèi)，SPL隨電場(chǎng)是增大的，但在350-550Hz內(nèi)，SPL卻隨電場(chǎng)減??；面尺寸為20×20mm，響應(yīng)頻帶進(jìn)一步向高頻方向移動(dòng)到1k-1.8kHz，在1k-1.6kHz范圍SPL隨電場(chǎng)的減小趨勢(shì)很明顯。 4.對(duì)納米電流變膠(納米顆粒：包覆丙烯

7、酰胺層的Cr摻雜TiO2；油液：硅油)與導(dǎo)電橡膠復(fù)合的柔性面板；顆粒/硅油重量比2.1/1時(shí)，在380-500Hz頻率范圍，透射譜呈凹谷形，且SPL隨電場(chǎng)減小，而在550-650Hz范圍，透射譜線出現(xiàn)凸峰形狀，且SPL隨電場(chǎng)增加；透射譜峰形隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加向高頻移動(dòng)；在SPL可調(diào)控的頻率段，透射波相位也隨電場(chǎng)增加；重量比減小，透射聲波的電場(chǎng)可調(diào)控程度也減弱；基于振動(dòng)-輻射模型的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，表明電場(chǎng)導(dǎo)致的納米電流變膠中的粘彈性變化及

8、ER面板上的振動(dòng)-輻射變化是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因。 5.第一代ER流體/壓電阻尼器(彈簧直壓式和楔形施力式)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的控制過(guò)程，實(shí)驗(yàn)顯示振動(dòng)減振性能良好。計(jì)算分析表明：在低頻、強(qiáng)振動(dòng)時(shí)阻尼器的減振效果更好。相比于傳統(tǒng)的ER阻尼器，這類(lèi)阻尼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，而且具備自動(dòng)調(diào)控能力。 6.第二代自耦合ER阻尼器中壓電陶瓷數(shù)量增加為3個(gè)，采用對(duì)稱(chēng)嵌入式安置方式，電氣連接由并聯(lián)改為串聯(lián)，載荷施加機(jī)構(gòu)中壓電機(jī)構(gòu)置于阻尼腔上方，在同心圓柱電極