电流变液体的声学及振动控制行为研究

摘要

电流变液是一种智能材料，同时它也属于复杂流体的范畴。在外电场作用下，电流变液内部的分散颗粒在载液中排成一定规则的微观结构，从而它的许多物理性能发生很大变化。本文设计了柔性电流变液复合夹层膜，并细致地研究了该柔性夹层膜的声波透射行为。制作柔性夹层的材料分别有涂敷导电胶的塑料薄膜和导电硅橡胶；使用的电流变液材料有淀粉/硅油体系和丙烯酰胺包覆Cr掺杂TiO2纳米颗粒/硅油体系；电极方式有膜层上下电极(对应电场与声波传播同方向)和单面栅形电极(对应电场与声波传播方向垂直)；还对不同面尺寸的柔性夹层膜对声波透射行为的影响进行了研究；建立了柔性夹层膜的振动-辐射模型，分析了柔性夹层膜上的共振效应与透射声压级谱线上的峰形的对应关系，定性地阐明了声波透射可调控行为的原因。此外，基于智能材料与系统的思想，用电流变液作控制振动的执行器，用压电陶瓷作振动响应器和为电流变液固化提供电场的激励器，设计制作了两代电流变-压电陶瓷自耦合阻尼器件，并进行了阻尼器振动性能的理论分析和实验研究。论文工作主要结果如下： 1.淀粉电流变液/导电胶塑料膜电极复合柔性薄层；在约80-150Hz频段内，透射声压级(SPL)随电场增加而增大，SPL谱线呈现一个共振峰，峰高度也随电场增加而增大；对颗粒体积分数31﹪，SPL谱线的共振峰的峰顶点频率值随电场强度增加向高频方向移动；在SPL出现可调控的频段内，透射声波的相位也随电场强度增加而增大；体积分数从16﹪增到31﹪，SPL可调控频段也向高频移动，从75-140Hz移到90-170Hz，且SPL的可调控幅度也增强。 2.建立了柔性夹层膜的振动-辐射模型，从定性或半定量的角度阐明了透射声波可调控的原因。将ER膜的声透射转换为求等效的活塞发生器的声辐射场问题；将ER膜的振动简化为2自由度模型；ER流体的弹性参数由贮能模量和损耗模量得到。在电场作用下，振动位移谱线出现明显的共振峰，表明ER膜层上发生较强的共振效应；与位移共振现象相对应，声辐射谱线出现了明显的共振峰，表明实验测得的透射声压峰现象是由ER膜层上共振效应造成的，而这又归因于电场导致的ER流体的粘弹特性的变化；ER膜层上的共振态强弱可以由电场强度来调控，这就导致了电场可调控的声透射行为。 3.对栅形电极的淀粉/硅油电流变液柔性薄层，透射声波方向与电场方向近似垂直。对面尺寸90×90mm样品，体积分数22﹪时，在80-160Hz频率段，SPL随外电场强度增加而增大，并且SPL谱线呈现一个峰形；体积分数从22﹪增到34﹪，SPL可调控频率段向高频移动，从80-160Hz移动到120-180Hz，且峰形顶点频率从135Hz移动到145Hz，响应频带和峰形顶点频率都呈高频移动趋势；体积分数34﹪，面尺寸40×40mm时，响应频带位于350-800Hz，在550-800Hz频率范围内，SPL随电场是增大的，但在350-550Hz内，SPL却随电场减小；面尺寸为20×20mm，响应频带进一步向高频方向移动到1k-1.8kHz，在1k-1.6kHz范围SPL随电场的减小趋势很明显。 4.对纳米电流变胶(纳米颗粒：包覆丙烯酰胺层的Cr掺杂TiO2；油液：硅油)与导电橡胶复合的柔性面板；颗粒/硅油重量比2.1/1时，在380-500Hz频率范围，透射谱呈凹谷形，且SPL随电场减小，而在550-650Hz范围，透射谱线出现凸峰形状，且SPL随电场增加；透射谱峰形随电场强度增加向高频移动；在SPL可调控的频率段，透射波相位也随电场增加；重量比减小，透射声波的电场可调控程度也减弱；基于振动-辐射模型的计算与实验结果一致，表明电场导致的纳米电流变胶中的粘弹性变化及ER面板上的振动-辐射变化是实验现象的原因。 5.第一代ER流体/压电阻尼器(弹簧直压式和楔形施力式)实现了自适应的控制过程，实验显示振动减振性能良好。计算分析表明：在低频、强振动时阻尼器的减振效果更好。相比于传统的ER阻尼器，这类阻尼器结构简化，而且具备自动调控能力。 6.第二代自耦合ER阻尼器中压电陶瓷数量增加为3个，采用对称嵌入式安置方式，电气连接由并联改为串联，载荷施加机构中压电机构置于阻尼腔上方，在同心圆柱电极上采用孔道结构等。这些改进提高了阻尼器的结构稳定性和工作可靠性。实验中频响曲线上显示出更好的振幅抑制和共振模高频移动效果。

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

第二章电流变液与声子晶体研究进展

§2.1电流变液研究进展

§2.1.1电流变液研究发展概况

§2.1.2电流变液材料

§2.1.3电流变液的性能表征

§2.1.4影响ER效应的因素

§2.1.5电流变效应的机理

§2.1.6电流变液应用研究

§2.2声子晶体研究进展

§2.2.1声子晶体的主要特点

§2.2.2声子晶体带隙结构的研究

§2.2.3理论分析方法

§2.2.4缺陷态研究

§2.2.5与声子晶体有关的物理效应

参考文献

第三章电流变液/柔性电极复合夹层声透射行为

§3.1引言

§3.2样品制备

§3.3实验装置

§3.4实验过程

§3.5实验结果

§3.5.1透射声压级的变化

§3.5.2透射声波相位的变化

§3.6讨论

§3.7本章小结

参考文献

第四章柔性电流变薄层的声共振理论模型

§4.1理想流体媒质的波动方程

§4.1.1一维波动方程

§4.1.2三维声波方程

§4.2点声源的声波方程

§4.3任意面声源的声辐射场

§4.4活塞声源辐射场

§4.5夹层电流变薄板的振动-辐射模型

§4.6电流变液体的粘弹性模型

§4.7振动-辐射模拟结果

§4.8本章小结

参考文献

第五章单面栅形电极的电流变薄层声响应行为

§5.1引言

§5.2样品制备

§5.3实验过程

§5.4实验结果与讨论

§5.4.1体积分数的影响

§5.4.2电流变液薄层面尺寸的影响

§5.4.3讨论

§5.5理论分析

本章小结

参考文献

第六章纳米电流变胶在声场电场共同作用下响应行为

§6.1引言

§6.2样品制备

§6.3实验装置

§6.4实验过程

§6.5实验结果

§6.5.1颗粒/硅油重量比对SPL的影响

§6.5.2透射波相位的变化

§6.6理论分析

§6.6.1夹层面板的振动-辐射模型

§6.6.2模拟结果和讨论

§6.7本章小结

参考文献

第七章电流变液与压电陶瓷复合的自耦合阻尼器

§7.1引言

§7.2自耦合阻尼器工作原理

§7.3第一代电流变液-压电陶瓷自适应阻尼器

§7.3.1ER自适应阻尼器设计与制作

§7.3.2自适应阻尼器理论模型

§7.3.3减振实验

§7.4第二代电流变自耦合阻尼器

§7.4.1自耦合阻尼器设计与制作

§7.4.2振动实验

§7.5本章小结

参考文献

第八章全文总结

攻博期间发表的论文和专利

致谢