减振降噪的智能材料
• 常用的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、 聚偏二氟乙烯和压电复合材料。其中,压 电复合材料是20世纪80 年代兴起研究的一 种新材料,它是将压电陶瓷相和聚合物相 按一定连通方式、一定体积(或质量)比 例和一定的空间几何分布复合制成的。它 可以成倍地提高材料的某些压电性能,并 具有常用压电陶瓷所没有的优良性能。
➢传动系由于质量不平衡及齿轮啮合产生的 振动,传到车身引起车身振动并进而辐射 中频噪声至车内;运转发出的噪声则由空 气传播至车内。
➢ 汽车高速行驶时,空气紊流对车身的激励 造成车身高频振动,并在车内产生高频噪 声;由后视镜产生的高频空气噪声则由空 气传至车内。
➢悬架系统由路面不平激起振动,这种振动
通过悬架与车身的支点传至车身引起车身 的振动,进一步造成车内低频噪声;作为 悬架系统组成部分的减振器、轮胎等在工 作过程中所产生的噪声则通过车身的缝隙, 由空气传至车内。
智能材料和结构
智能结构是结构的高级形式,实现智能结构的基 本逻辑构思就是:将驱动元件和传感元件紧密融 合在结构中,同时也将逻辑控制电路、信号处理 器、功率放大器、信息处理和人工智能环节以及 数据传递总线等集成在结构中,通过机械、热、 电、磁等激励和控制,使智能结构不仅具有承受 载荷的能力,还具有识别、分析、处理及控制等 多种功能。从原理上讲任何一种存在机械量与非 机械量电、热、磁、光耦合的物理材料都可称之 为智能材料,可用于智能结构中驱动和传感元件 的设计。智能结构中的驱动器将电量、电场强度、 磁通量等非机械量转变为应变、位移等机械量, 以实现结构的应变或位移驱动的目的。智能结构 中的传感器则正好与驱动器的功能相反,它将机 械量转变为非机械信号作为控制器的信号输入。
➢ 电, 磁流变减振器
电, 磁流变减振器属于主动减振器,其阻尼力仍 然是通过孔道的节流阻力来实现的。不加电,磁场 时,减振器的阻尼力较小;在外加电, 磁场后,作 为减振器工作液的电, 磁流变流体的粘性流动阻力 增大,其孔道节流阻尼力也增大,减振器的性能 随之改变。由于电, 磁流变流体的响应速度很快, 故可根据汽车的行驶状态通过外加的电, 磁场控制 减振器的性能参数,从而达到主动减振的目的。 减振器的响应能力主要取决于控制系统的速度, 目前电子技术及集成电路技术的发展水平是完全 可以满足电/磁流变减振器控制系统的要求的。
目前用于智能结构驱动器设计的材料有: 利用机电耦合现象的压电材料和电流变流 体;利用磁场与应变场耦合的磁流变流体; 利用温度场与应变场强烈耦合的形状记忆 合金等。用于智能结构传感器设计的材料 有:压电材料、光导纤维、电阻应变丝和 疲劳寿命丝等
以下具体介绍几种智能材料和结构在汽车减振降噪
方面的应用:
压电智能材料的应用
➢ 正压电效应反映了压电材料具有将机械能转变为 电能的能力。检测出压电元件上的电荷变化,即 可得知元件或元件嵌入处结构的变形量,因此利 用正压电效应,可以将压电材料制成传感元件。
➢ 逆压电效应反映了压电材料具有将电能转变成机 械能的能力,利用逆压电效应,可以将压电材料 制成动作元件,将压电元件嵌入结构中,可以使 结构变形或改变应力状态。
减振降噪的智能材料
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现代汽车的噪声特性是衡量汽车质量的重要标志
之一。汽车噪声不仅造成周围环境的污染,影响 人们的生活和工作,而且车内的噪声与振动、温 度、湿度等环境因素相比是降低车辆舒适性的主 要因素之一。为了提高车辆的舒适性,世界各大 汽车公司都对车内噪声水平制定了严格的控制标 准,将车内噪声的控制作为重要的研究方向。特 别是轿车,车内噪声状况更是衡量轿车档次的标 准之一。传统的噪声控制方法,多采用较大阻尼 比的材料,利用隔声、隔振技术,甚至重新进行 结构设计来控制噪声,结果往往与汽车轻量化的 目标相矛盾,而且一些车身结构的振动及其辐射 的噪声仍无法得到有效控制。智能材料结构的出 现以及主动控制技术的发展,为振动和噪声的控 制开辟了新的途径
利用压电智能材料降低车内噪声是通过对车身振动
的主动控制来实现的。其基本原理是把分别作为 传感器和驱动器的压电元件粘贴或嵌入车身结构
(如板、壳、梁)中,传感器感受车身结构振动 产生相应的振动信号并反馈给电子控制单元经相 应的控制算法进行处理后生成相应的控制信号, 控制信号再经功率放大后,驱动驱动器使车身结 构产生应变以改变结构的动态阻尼,实现对振动 的主动控制,从而抑制和衰减结构对车内辐射的 噪声。
车辆内部噪声的来源十分复杂,但可以从 两个传播途径加以分类,即固体传播和空 气传播,
具体来讲,产生车内噪声的主要振动源和 声源有:
➢发动机燃烧和惯性力引起的振动,通过发 动机悬置和副车架传到车身上,引起车身 结构的振动,并进一步向车内辐射中频噪 声;伴随发动机运行产生的排气噪声、进 气噪声、风扇噪声、结构噪声等则由空气 通过车身的孔、洞、缝隙传至车内或通过 车身板壁透声至车内。
➢ 发动机电流变隔振悬置
与传统的发动机液压隔振悬置的结构类似,其顶
部和底部为缓冲橡胶,内腔中带有许多平行间隙 的电极把电流变流体分成上下两个部分。每个间 隙相当于一个阀门,起着惯性导向作用。当电极 两侧不加电压时,电流变流体可以在间隙中自由 流动,悬置的刚度较小;外加电压时,间隙中电 流变流体的粘度增加,悬置的刚度变大。这样的 悬置具有高的静态刚度,以及在20-40hz的频率范 围内产生低的动态刚度,故可有效地减少发动机 产生的振动,起到隔振降噪的作用。
可控制智能流体的应用 ➢ 可控离合器和制动器
可控离合器和制动器是根据电, 磁流变效应设计 出来的一种新型装置,它是靠主、被动件之间的 工作介质即电, 磁流变流体的剪切力作用来传递动 力或产生阻力的。它与普通离合器和制动器的不 同之处在于,它是通过外加电, 磁场的变化来改变 工作介质的抗剪切应力或表面粘度,从而达到输 出转矩或产生阻力矩的目的。其优点是不依靠摩 擦副传递扭矩,从而可以避免传统离合器和制动 器主、从动件之间啮合时产生的冲击和噪声,工 作平稳可靠,无磨损。