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。
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。
减振降噪的智能材料
李卓
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
➢ 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。
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。
➢ 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。
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。
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Βιβλιοθήκη Baidu或改变应力状态。
➢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
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：
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。