減振降噪的智能材料

1、減振降噪的智能材料李 卓 現(xiàn)代汽車的噪聲特性是衡量汽車質(zhì)量的重要標(biāo)志之一。汽車噪聲不僅造成周圍環(huán)境的污染，影響人們的生活和工作，而且車內(nèi)的噪聲與振動(dòng)、溫度、濕度等環(huán)境因素相比是降低車輛舒適性的主要因素之一。為了提高車輛的舒適性，世界各大汽車公司都對(duì)車內(nèi)噪聲水平制定了嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，將車內(nèi)噪聲的控制作為重要的研究方向。特別是轎車，車內(nèi)噪聲狀況更是衡量轎車檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。傳統(tǒng)的噪聲控制方法，多采用較大阻尼比的材料，利用隔聲、隔振技術(shù)，甚至重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來控制噪聲，結(jié)果往往與汽車輕量化的目標(biāo)相矛盾，而且一些車身結(jié)構(gòu)的振動(dòng)及其輻射的噪聲仍無法得到有效控制。智能材料結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)以及主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，為

2、振動(dòng)和噪聲的控制開辟了新的途徑 車輛內(nèi)部噪聲的來源十分復(fù)雜，但可以從兩個(gè)傳播途徑加以分類，即固體傳播和空氣傳播， 具體來講，產(chǎn)生車內(nèi)噪聲的主要振動(dòng)源和聲源有：發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和慣性力引起的振動(dòng)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和副車架傳到車身上，引起車身結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，并進(jìn)一步向車內(nèi)輻射中頻噪聲；伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的排氣噪聲、進(jìn)氣噪聲、風(fēng)扇噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲等則由空氣通過車身的孔、洞、縫隙傳至車內(nèi)或通過車身板壁透聲至車內(nèi)。傳動(dòng)系由于質(zhì)量不平衡及齒輪嚙合產(chǎn)生的振動(dòng)，傳到車身引起車身振動(dòng)并進(jìn)而輻射中頻噪聲至車內(nèi)；運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)出的噪聲則由空氣傳播至車內(nèi)。 汽車高速行駛時(shí)，空氣紊流對(duì)車身的激勵(lì)造成車身高頻振動(dòng)，并在車內(nèi)產(chǎn)生高頻噪聲；由后視

3、鏡產(chǎn)生的高頻空氣噪聲則由空氣傳至車內(nèi)。懸架系統(tǒng)由路面不平激起振動(dòng)，這種振動(dòng) 通過懸架與車身的支點(diǎn)傳至車身引起車身的振動(dòng)，進(jìn)一步造成車內(nèi)低頻噪聲；作為懸架系統(tǒng)組成部分的減振器、輪胎等在工作過程中所產(chǎn)生的噪聲則通過車身的縫隙，由空氣傳至車內(nèi)。智能材料和結(jié)構(gòu) 智能結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)的高級(jí)形式，實(shí)現(xiàn)智能結(jié)構(gòu)的基本邏輯構(gòu)思就是：將驅(qū)動(dòng)元件和傳感元件緊密融合在結(jié)構(gòu)中，同時(shí)也將邏輯控制電路、信號(hào)處理器、功率放大器、信息處理和人工智能環(huán)節(jié)以及數(shù)據(jù)傳遞總線等集成在結(jié)構(gòu)中，通過機(jī)械、熱、電、磁等激勵(lì)和控制，使智能結(jié)構(gòu)不僅具有承受載荷的能力，還具有識(shí)別、分析、處理及控制等多種功能。從原理上講任何一種存在機(jī)械量與非機(jī)械量電、

4、熱、磁、光耦合的物理材料都可稱之為智能材料，可用于智能結(jié)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)和傳感元件的設(shè)計(jì)。智能結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)器將電量、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁通量等非機(jī)械量轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變、位移等機(jī)械量，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或位移驅(qū)動(dòng)的目的。智能結(jié)構(gòu)中的傳感器則正好與驅(qū)動(dòng)器的功能相反，它將機(jī)械量轉(zhuǎn)變?yōu)榉菣C(jī)械信號(hào)作為控制器的信號(hào)輸入。 目前用于智能結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的材料有：利用機(jī)電耦合現(xiàn)象的壓電材料和電流變流體；利用磁場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)耦合的磁流變流體；利用溫度場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)烈耦合的形狀記憶合金等。用于智能結(jié)構(gòu)傳感器設(shè)計(jì)的材料有：壓電材料、光導(dǎo)纖維、電阻應(yīng)變絲和疲勞壽命絲等以下具體介紹幾種智能材料和結(jié)構(gòu)在汽車減振降噪方面的應(yīng)用： 可控制智能流體的應(yīng)用可控

5、離合器和制動(dòng)器 可控離合器和制動(dòng)器是根據(jù)電, 磁流變效應(yīng)設(shè)計(jì)出來的一種新型裝置，它是靠主、被動(dòng)件之間的工作介質(zhì)即電, 磁流變流體的剪切力作用來傳遞動(dòng)力或產(chǎn)生阻力的。它與普通離合器和制動(dòng)器的不同之處在于，它是通過外加電, 磁場(chǎng)的變化來改變工作介質(zhì)的抗剪切應(yīng)力或表面粘度，從而達(dá)到輸出轉(zhuǎn)矩或產(chǎn)生阻力矩的目的。其優(yōu)點(diǎn)是不依靠摩擦副傳遞扭矩，從而可以避免傳統(tǒng)離合器和制動(dòng)器主、從動(dòng)件之間嚙合時(shí)產(chǎn)生的沖擊和噪聲，工作平穩(wěn)可靠，無磨損。電, 磁流變減振器 電, 磁流變減振器屬于主動(dòng)減振器，其阻尼力仍然是通過孔道的節(jié)流阻力來實(shí)現(xiàn)的。不加電,磁場(chǎng)時(shí)，減振器的阻尼力較??；在外加電, 磁場(chǎng)后，作為減振器工作液的電,

6、磁流變流體的粘性流動(dòng)阻力增大，其孔道節(jié)流阻尼力也增大，減振器的性能隨之改變。由于電, 磁流變流體的響應(yīng)速度很快，故可根據(jù)汽車的行駛狀態(tài)通過外加的電, 磁場(chǎng)控制減振器的性能參數(shù)，從而達(dá)到主動(dòng)減振的目的。減振器的響應(yīng)能力主要取決于控制系統(tǒng)的速度，目前電子技術(shù)及集成電路技術(shù)的發(fā)展水平是完全可以滿足電/磁流變減振器控制系統(tǒng)的要求的。發(fā)動(dòng)機(jī)電流變隔振懸置 與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)液壓隔振懸置的結(jié)構(gòu)類似，其頂部和底部為緩沖橡膠，內(nèi)腔中帶有許多平行間隙的電極把電流變流體分成上下兩個(gè)部分。每個(gè)間隙相當(dāng)于一個(gè)閥門，起著慣性導(dǎo)向作用。當(dāng)電極兩側(cè)不加電壓時(shí)，電流變流體可以在間隙中自由流動(dòng)，懸置的剛度較??；外加電壓時(shí)，間隙中電

7、流變流體的粘度增加，懸置的剛度變大。這樣的懸置具有高的靜態(tài)剛度，以及在20-40hz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生低的動(dòng)態(tài)剛度，故可有效地減少發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)，起到隔振降噪的作用。壓電智能材料的應(yīng)用正壓電效應(yīng)反映了壓電材料具有將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰?。檢測(cè)出壓電元件上的電荷變化，即可得知元件或元件嵌入處結(jié)構(gòu)的變形量，因此利用正壓電效應(yīng)，可以將壓電材料制成傳感元件。逆壓電效應(yīng)反映了壓電材料具有將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的能力，利用逆壓電效應(yīng)，可以將壓電材料制成動(dòng)作元件，將壓電元件嵌入結(jié)構(gòu)中，可以使結(jié)構(gòu)變形或改變應(yīng)力狀態(tài)。 常用的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷、聚偏二氟乙烯和壓電復(fù)合材料。其中，壓電復(fù)合材料是20世紀(jì)80

8、 年代興起研究的一種新材料，它是將壓電陶瓷相和聚合物相按一定連通方式、一定體積（或質(zhì)量）比例和一定的空間幾何分布復(fù)合制成的。它可以成倍地提高材料的某些壓電性能，并具有常用壓電陶瓷所沒有的優(yōu)良性能。 利用壓電智能材料降低車內(nèi)噪聲是通過對(duì)車身振動(dòng)的主動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)的。其基本原理是把分別作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器的壓電元件粘貼或嵌入車身結(jié)構(gòu) （如板、殼、梁）中，傳感器感受車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)并反饋給電子控制單元經(jīng)相應(yīng)的控制算法進(jìn)行處理后生成相應(yīng)的控制信號(hào)，控制信號(hào)再經(jīng)功率放大后，驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器使車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)變以改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)阻尼，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的主動(dòng)控制，從而抑制和衰減結(jié)構(gòu)對(duì)車內(nèi)輻射的噪聲。形狀記憶合金的應(yīng)用 普通金屬材料，當(dāng)其內(nèi)部應(yīng)力超過其彈性極限時(shí)將產(chǎn)生塑性變形，由于塑性變形不可逆轉(zhuǎn)，卸載之后材料的變形不可恢復(fù)到原始狀態(tài)。形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)是指材料能夠記住它在高溫狀態(tài)下的形狀，即處于低溫下的形狀記憶合金在外力作用下產(chǎn)生變形后，如果將其加熱超過材料的相變點(diǎn)，它就會(huì)恢復(fù)到原來高溫狀態(tài)下的形狀。此外形狀記憶合金還具有超彈性性能，它的應(yīng)力與應(yīng)變之間呈現(xiàn)出遲滯循環(huán)效應(yīng)，其彈性和超彈性變形量可分別達(dá)到2%和8%。常用的形狀記憶合金有NiTinol 合金（鎳鈦合金） 。 利用形狀記憶合金的獨(dú)特性能，可以設(shè)計(jì)出形狀記憶合金減振墊片，用在