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电流变液体的声学及振动控制行为研究

唐宏  
【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TiO_2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%,


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