電流變液體的聲學及振動控制行為研究.pdf

1、電流變液是一種智能材料，同時它也屬于復雜流體的范疇。在外電場作用下，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。本文設計了柔性電流變液復合夾層膜，并細致地研究了該柔性夾層膜的聲波透射行為。制作柔性夾層的材料分別有涂敷導電膠的塑料薄膜和導電硅橡膠；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(對應電場與聲波傳播同方向)和單面柵形電極(

2、對應電場與聲波傳播方向垂直)；還對不同面尺寸的柔性夾層膜對聲波透射行為的影響進行了研究；建立了柔性夾層膜的振動-輻射模型，分析了柔性夾層膜上的共振效應與透射聲壓級譜線上的峰形的對應關(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的執(zhí)行器，用壓電陶瓷作振動響應器和為電流變液固化提供電場的激勵器，設計制作了兩代電流變-壓電陶瓷自耦合阻尼器件，并進行了阻尼器振動性能的理論分析和實驗研究。論文工作

3、主要結(jié)果如下： 1.淀粉電流變液/導電膠塑料膜電極復合柔性薄層；在約80-150Hz頻段內(nèi)，透射聲壓級(SPL)隨電場增加而增大，SPL譜線呈現(xiàn)一個共振峰，峰高度也隨電場增加而增大；對顆粒體積分數(shù)31﹪，SPL譜線的共振峰的峰頂點頻率值隨電場強度增加向高頻方向移動；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強度增加而增大；體積分數(shù)從16﹪增到31﹪，SPL可調(diào)控頻段也向高頻移動，從75-140Hz移到90-170Hz，且

4、SPL的可調(diào)控幅度也增強。 2.建立了柔性夾層膜的振動-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)生器的聲輻射場問題；將ER膜的振動簡化為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。在電場作用下，振動位移譜線出現(xiàn)明顯的共振峰，表明ER膜層上發(fā)生較強的共振效應；與位移共振現(xiàn)象相對應，聲輻射譜線出現(xiàn)了明顯的共振峰，表明實驗測得的透射聲壓峰現(xiàn)象是由ER膜層上共振效應造成

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

6、0Hz，且峰形頂點頻率從135Hz移動到145Hz，響應頻帶和峰形頂點頻率都呈高頻移動趨勢；體積分數(shù)34﹪，面尺寸40×40mm時，響應頻帶位于350-800Hz，在550-800Hz頻率范圍內(nèi)，SPL隨電場是增大的，但在350-550Hz內(nèi)，SPL卻隨電場減?。幻娉叽鐬?0×20mm，響應頻帶進一步向高頻方向移動到1k-1.8kHz，在1k-1.6kHz范圍SPL隨電場的減小趨勢很明顯。 4.對納米電流變膠(納米顆粒：包覆丙烯

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

8、ER面板上的振動-輻射變化是實驗現(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)實現(xiàn)了自適應的控制過程，實驗顯示振動減振性能良好。計算分析表明：在低頻、強振動時阻尼器的減振效果更好。相比于傳統(tǒng)的ER阻尼器，這類阻尼器結(jié)構(gòu)簡化，而且具備自動調(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，采用對稱嵌入式安置方式，電氣連接由并聯(lián)改為串聯(lián)，載荷施加機構(gòu)中壓電機構(gòu)置于阻尼腔上方，在同心圓柱電極