（水声工程专业论文）高分子功能材料吸声机理研究.pdf

哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t u n d e r w a t e ra n e c h o i cc o a t i n gw h i c hh a st h e a b i l i t yo fs o u n da b s o r p t i o n , s o u n di n s u l a t i o n , d a m p i n gi si m p o r t a n ts t e a l t hs u b m a r i n ee q u i p m e n t o n eo ft h e p u r p o s eo fs o u n da b s o r p t i o ni st om i n i m i z et h ea c o u s t i cr e f l e c t i o n ，t oc o n s u m e m a jo r i t yo fs o u n de n e r g yb yt h ea n e c h o i cc o a t i n g ，s oi ti so fg r e a ti m p o r t a n c et o s e l e c tt h em a t e r i a lo fu n d e r w a t e ra c o u s t i cm u f f i e l c o v e r w ec h o o s er u b b e r m a t e r i a lt r a d i t i o n a l l y ，t or e a c ho u rg o a lb yu s eo fr u b b e rc a v i t yr e s o n a t o ra n d a c o u s t i ci m p e d a n c eo ft h et r a n s i t i o ns t r u c t u r e h o w e v e r , b e c a u s eo ft h el i m i t e d t h i c k n e s s ，t h et r a d i t i o n a lm u f f l e rc o v e rc a r lo n l ym e e tt h er e q u i r e m e n t sw h e nt h e f r e q u e n c i e sa r eh i g h t h ef r e q u e n c yo fs o n a ri sg r o w i n gl o w e ra n dl o w e ri n p r a c t i c e ，。v a r i o u ss c i e n t i s t ss t a r tt of o c u so ne n h a n c i n gt h ea b s o r p t i o nw i t h o u t i n c r e a s i n gt h et h i c k n e s s 。t h i sr e q u i r e san e ws e e kf o rn e c e s s a r ys o u n d a b s o r b i n g m a t e r i a la n dn e wm e c h a n i s mo fs o u n da b s o r p t i o n r e c e n ty e a r s ，谢mp o l y m e r i cp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a le x t e n s i v ea p p l i e di n t r a n s d u c e ra r e a s ，s u c ha sf u n c t i o n a lm a t e r i a l s d o m e s t i ca n df o r e i g ns c i e n t i s t s g r a d u a l l yb e g a nt oe x a m i n et h eu s eo ff u n c t i o f i a lp o l y m e rm a t e r i a l st or e d u c et h e s t r u c t u r ev i b r a t i o na n ds o u n da b s o r p t i o n p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a li s g r a d u a l l y w i d e l ya p p l i e da sat y p i c a lf e a t u r eo fp o l y m e rm a t e r i a l s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w ef i r s t l yr e p r e s e n tam o r ec o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o n t ot h et r a d i t i o n a ls o u n d - a b s o r b i n gm a t e r i a la n dn e wf u n c t i o n a lp o l y m e rm a t e r i a l s r e s e a r c h ，a n dw eg i v et h ed e t a i l e du n i q u ea d v a n t a g e so fn e wt y p eo fp o l y m e r f u n c t i o n a lm a t e r i a l si nt h ea c o u s t i cs t r u c t u r e s e c o n d l y ，w ed os o m er e s e a r c ho n t h em e c h a n i s mo ft h e p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l sd a m p i n gl o s s a n da c o u s t i c i m p e d a n c em a t c h i n g ，a sw e l la st h ep r o b l e mi na p p l i c a t i o no fe x t e r n a ll o s sc i r c u i t i np i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l f i n a l l y ，w es e l e c tt h ep v d fp i e z o e l e c t r i ca n dr u b b e r w i t ht h e2 - 2p i e z o e l e c t r i cl a y e r e dc o m p o s i t es t r u c t u r e ，t od os o m es i m u l a t i o n s t u d i e sf o c u s i n go nt h ep r o p e r t i e so fs o u n da b s o r p t i o nw h e t h e re x t e r n a lc i r c u i ti s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o no ro f f , a n df r a m et h en o t i o no fm a k i n gp i e z o e l e c t r i cl a y e r e dc o m p o s i t e s t r u c t u r a le x p e r i m e n t a ls a m p l e sw i t hp v d fe x t e r n a lc i r c u i to n k e yw o r d s ：u n d e r w a t e ra n e e h o i cc o a t i n g ；p i e z o e l e c t r i c i t yc o m p o u n dm a t e r i a l s ； p i e z o e l e c t r i c i t yd a m p i n gl o s s ；a c o u s t i ci m p e d a n c em a t c h ；s o u n d a b s o r p t i o nm a t e r i a l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：王玉啡1 日期： 知彳年弓月膨日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：题曰| 3 日期： 细7 年乡月日 导师( 签字) ：砑诌 知可年岁月留日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究目的与意义 潜艇作为二十一世纪最具威慑力的水下武器之一，其隐身性能是其战斗 力的决定性因素。水下消声覆盖层是一种有效的潜艇隐身装备，随着水声探 测设备作用距离和定向精度的不断提高，潜艇的隐蔽性受到了前所未有的威 胁，迫切要求提高水下消声覆盖层的声学性能，因此发展水下消声覆盖层技 术已成为世界各国海军研究的重点。 水下消声覆盖层主要具有以下功能：( 1 ) 吸声，吸收对方主动水声探测 设备发出的声纳波，减少入射声波的反射强度；( 2 ) 隔声，隔离潜艇内部噪 声向潜艇外声辐射；( 3 ) 减振，通过阻尼抑制潜艇艇体的振动。 其中，水下消声覆盖层的吸声性能主要与以下几种声学机制有关：( 1 ) 阻抗匹配，即消声覆盖层表面声阻抗与水的波阻抗匹配，有利于声波传播进 入材料内部；( 2 ) 波形转换，通过特定结构设计，将入射声波从纵波转变为 剪切波，利用剪切波衰减大的特点，加大声能损耗；( 3 ) 内部损耗，即利用 粘弹性材料自身的损耗作用，将使入射波声能转化为热能损耗掉；( 4 ) 散射， 在消声覆盖层材料内部加入微粒或空腔，对声波形成散射，增加声波传播损 耗的路径，从而增大入射波声能的衰减；( 5 ) 共振，利用消声覆盖层内部腔 结构的共振吸声特性，有效消耗某一频带入射波声能；( 6 ) 声致电致热，声 能转化成电能以及电能再转化为热能的损耗机制，即在消声覆盖层中加入压 电材料形成高分子功能性材料并外接损耗电路，增加声能向电能的转换以及 电能向热能的转换，最终实现声能损耗。 传统的水下消声覆盖层多采用橡胶材料，制成各种空腔结构，利用橡胶 材料良好的粘弹性损耗特性，以及橡胶空腔的共振吸声特性，实现水下消声 覆盖层在特定频段内的有效吸声。但是，随着主动水声探测技术不断发展， 传统的水下消声覆盖层吸声性能已不能满足实际需要。急需探索新的吸声机 制，提高水下消声覆盖层吸声性能。通过加入压电材料形成高分子功能性材 料，引入新的耗能机制，有望进一步改善水下消声覆盖层吸声性能。 高分子功能材料主要是指采用压电材料与传统吸声材料以不同方式组合 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在一起的复合吸声材料。其吸声过程大致为：通过阻抗匹配，使声波能够进 入复合结构内部，在压电复合吸声结构内部，部分声能由于粘弹性材料和 压电材料的内损耗直接转换为热能；另一部分声能通过压电材料的压电效应 转换为电能，再通过自身阻抗作用或外接电路损耗转换为热能。压电复合结 构主要通过以上能量转换机制，实现有效吸声的目的。其中声能一电能一热 能之间的转换是引入压电材料的高分子功能材料复合结构特有的声能损耗机 制，如果压电材料外接损耗电路，就可以通过调节电路元件参数，增加复合 结构的声电转换效率，从而提高声能损耗，改善复合结构的吸声特性。 采用新型高分子功能材料的水下消声结构，简称为新型功能性水下消声 覆盖层。它与传统的水下消声覆盖层相比，主要有以下区别：( 1 ) 材料不同， 新型功能性水下消声覆盖层在传统水下消声覆盖层的基础上，引入了压电材 料等高分子功能性材料，与传统的橡胶材料配合使用；( 2 ) 吸声机制不同， 传统水下消声覆盖层主要采用共振、阻抗匹配、内部损耗等声能损耗机制， 新型功能性水下消声覆盖层增加了声能一电能一热能的损耗机制。 压电材料作为比较典型的新型高分子功能材料组分，主要在水声领域应 用广泛，而压电材料应用于吸声结构中的研究比较少见。为了实现水下宽带 吸声，压电材料及复合结构的优化选择是一个重要问题。因此，开展集中参 数式压电材料橡胶分层复合结构的吸声理论，建立压电材料橡胶分层复合结 构的分析模型，进行数值仿真分析及实验研究等工作意义重大。 1 2 传统吸声材料研究概况 按吸声机理的差异，传统吸声材料可分为共振吸声材料和多孔吸声材料 两大类。共振吸声材料相当于多个亥姆霍兹吸声共振器并联而成的共振吸声 结构，这种共振吸声结构的吸声系数随频率而变化，最高吸声作用出现在系 统的共振频率处。多孔材料内部具有大量细微孔隙，孔隙间彼此贯通，孔隙 深入材料内部通过表面与外界相通，当声波入射到材料表面时，一部分在材 料表面反射掉，另一部分则透入到材料内部向前传播。在传播过程中，引起 孔隙的空气运动，与形成孔壁的固体筋络发生摩擦，由于粘滞性和热传导效 应，将声能转变为热能而耗散掉。同时，d , z 孑l 中的空气和孔壁与纤维之问的 热交换引起的热损失也使声能衰减。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传统的水下消声覆盖层大多选用橡胶材料，不同的国家采用的橡胶种类 不同：俄国采用的是丁苯橡胶、聚丁二烯橡胶，美国采用的是丁基橡胶，法 国采用的是聚硫橡胶，英国采用的是聚氨酯橡胶，日本采用的是氯丁橡胶， 它主要依靠谐振式吸声结构和阻抗过渡式吸声结构，来实现有效吸声。 多孔吸声材料多孔材料主要分为纤维材料和泡沫材料，多孔材料主要分 为纤维材料和泡沫材料，泡沫吸声材料可以分为泡沫金属、泡沫塑料和泡沫 玻璃吸声材料。泡沫金属中的泡沫铝也具有一定的水下吸声性能，泡沫塑料 吸声材料主要是聚氨酯泡沫塑料。 1 2 1 橡胶吸声材料 橡胶是常温下呈高弹态，玻璃化温度在0 。c 以下的高分子材料。它的体 积压缩模量远大于剪切模量，泊松比近似为0 5 ，杨氏模量约为剪切模量的三 倍，体积压缩模量的损耗因子比剪切模量小很多，纵波速度比横波速度大许 多倍。在声频及超声频段，橡胶的动态力学行为表现为粘弹性，因此其声速 及衰减常数与温度频率有关，受温度影响较大。 传统的水下吸声结构常采用橡胶与其它材料组成复合吸声结构，常用的 复合吸声结构有：( 1 ) 空腔式吸声结构；( 2 ) 耐压复合吸声结构；( 3 ) 阻抗 渐变式吸声结构；( 4 ) 微粒复合吸声结构；( 5 ) 三明治夹层吸声结构。 1 2 1 1 空腔式吸声结构 空腔式吸声结构是在均匀吸声材料内部留有球形、圆柱形、圆锥形的等 声学空腔。通过设计空腔的尺寸或形状，可以消除所需频率范围内的声能。 对于特定空腔不仅对较宽的频率产生共振，而且还有阻抗渐变的作用，能减 小声能的反射。这种声学结构主要用于增加低频段的声吸收，同时也可以在 整个频段上改善材料的吸声效果，在技术上是成熟的。但是，随着水压力的 增加，空腔被压扁，阻抗不再是渐变的了，与水阻抗失配的增加，使反射增 强，另外，受压后模量增大，空腔的固有频率也会升高，低频吸声效果随之 下降。 1 2 1 2 耐压复合吸声结构 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 耐压复合吸声材料要采用透声性能较好的刚性骨架与吸声材料结合的结 构。一般以金属铝薄壁结构作为耐压的外骨架，因为它具有良好的透声性。 通过耐压吸声试验结果表明：在3 m p a 压力条件下，不带骨架的吸声材料已 无工作能力，而装有铝外壳的吸声材料可达常压下吸声效果的9 0 。 1 2 1 3 阻抗渐变式吸声结构 在采用高损耗材料吸声时，损耗的存在使得材料与水的声阻抗不匹配， 所以必须采用多层或连续的阻抗逐渐过渡结构形式，以减小反射增加吸收效 果。阻抗渐变式吸声结构解决了高损耗材料的阻抗不匹配时的强反射和采用 小损耗覆盖材料但需要很厚材料的问题。在去耦涂层上面覆盖一层消声涂层 制成双层涂层，具有良好的消声和去耦功能，或采用空气含量依次变化的多 层涂层，进一步减少声波的反射。 1 2 1 4 微粒复合吸声结构 微粒复合吸声材料是在阻尼吸声材料内部混合微小粒子，如玻璃微粒、 铝粉，也有空心的。添加细小微粒会引起阻抗的变化，所以微粒的比例和分 布必须保证入射声方向阻抗的逐渐过渡。它的吸声机理是：当声波作用到吸 声材料上遇到球形微粒时会产生散射，分散入射的声能，并发生波形的转换， 使纵波变为剪切波，而剪切变形的损耗因子大子纵波的损耗因子，这增加了 声波的损耗；同时，会使金属粒子产生振动，增加材料的弛豫吸收效果。 北京大学的王仁乾等研究了加入实心粒子、空心粒子、空气球后复合材 料的吸声性能，通过数值计算比较了含玻璃薄壁空气球、空气球、实心玻璃 球和均匀材料的吸声系数，结果显示玻璃薄壁空气球和空气球的吸声性能远 优于实心玻璃球和不掺入粒子均匀材料，而且含空气球的材料低频吸声效果 更好。这种现象可z 月1 匕l - - , 由于前两种材料的声损耗大，而且与水的阻抗匹配性能 好，因此微粒的含量及分布首先必须保证微粒复合吸声结构表面与水具有良 好的阻抗匹配。 1 2 1 5 三明治夹层吸声结构 三明治夹层吸声结构是利用透声性能好的纤维增强复合材料制作夹层的 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 面板，利用吸声材料作夹层。这种夹层结构可直接代替钢结构作为船体结构， 同时还具有吸声功能，改变了钢板外面覆盖吸声层的传统吸声结构。此外， 这种夹层结构还具有优异的振动阻尼性能。 1 2 2 聚氨酯材料 聚氨酯声学材料有两类，即空气中使用的多孔型聚氨酯泡沫塑料和水下 使用的聚氨酯声学材料。多孔型聚氨酯泡沫塑料综合了一般多孑l 型材料的吸 声机理和柔性材料的阻尼吸声机理，具有较好的吸声、隔声性能，是一类颇 受欢迎的新型声学材料，它与常用的超细玻璃棉、岩棉、矿渣棉等纤维性吸 声材料相比，具有如下优点口1 ：( 1 ) 质量轻，聚氨脂泡沫的密度很小，一般 为1 0 2 0 0 k g m 3 ，这是许多纤维性材料难以达到的；( 2 ) 吸声系数高，聚氨酯 泡沫在1 2 5 2 0 0 0 h z 范围内平均吸声系数可达0 5 0 以上，由它所制的微穿孔 板等吸声制品在中、低频率区域最大吸声系数可达0 9 5 以上；( 3 ) 加工方便， 聚氨酯材料易成型、可模塑和可切割；( 4 ) 无粉尘污染，属环保型吸隔声材 料，这也是许多纤维性材料所无法比拟的；( 5 ) 防水、防潮、防蛀；( 6 ) 适 应范围广，不仅可以直接使用，而且可以在其表面贴附各种覆面材料，当今 国内外都大力发展这种新型吸隔声材料。聚氨酯泡沫按泡孔型式的不同，可 分为闭孔型和开孔型两种。前者泡孔是相互封闭不相连通的；后者则相反， 泡孔之间是相互连通的，它主要应用于建筑声学中吸声和隔振。对水下聚氨 酯材料，在水声和隐身中都有应用，其特点是成型工艺较橡胶简单，但耐水 性差。 1 3 高分子功能吸声材料研究概况 新型高分子功能吸声材料其最大特点是充分利用了压电材料的压电效 应：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正 负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶 体表面的电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压 力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时， 会因电荷中心的位移导致材料变形。利用压电材料的这些特性可实现机械能 ( 声能) 与电能的互相转换。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 1 压电材料分类及研究概况 常见的压电材料主要分为以下几大类：( 1 ) 压电单晶；( 2 ) 压电陶瓷； ( 3 ) 压电聚合物。 1 3 1 1 压电单晶 压电晶体一般都是指压电单晶体，压电单晶稳定性很高、机械品质因子 高但压电性弱、介电常数很低、切割形状存在尺寸局限。常见的压电晶体有： 水晶( 石英晶体) 、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛、铌酸锂、钽酸锂、罗谢尔盐、 磷酸二氢铵晶体等。 1 3 1 2 压电陶瓷 压电陶瓷泛指压电多晶体，未极化的压电陶瓷是各向同性的，不具有压 电性，极化后才可以看成压电多晶体。极化的压电陶瓷是横向( 即垂直于极 化方向) 各向同性的，即在极化方向有无穷次旋转对称轴和无数个平行于该 轴的对称面。它具有相当于六方晶系6 r a m 点群的对称性。压电陶瓷比任何单 晶材料更具多方面的适应性，与绝缘陶瓷制法类似，因而制作方便。压电陶 瓷具有响应频率快、能量转换效率高、恢复力大等特点，但其力学性能很差、 脆性大、低场性能差、不能制成大面积薄片和复杂的形状。常见的压电陶瓷 有p z t 、b a n 0 3 、p b t i 0 3 、s r t i 0 3 、t i 0 2 、m g t i 0 3 - c a t i 0 3 、p b 0 2 、z r 0 2 、 s n 0 2 等。 1 3 1 3 压电聚合物 压电聚合物是新型的高分子压电材料，它的的柔顺性好、重量轻、声阻 抗易于匹配、压电电压常数g 高，适于大面积成型，但压电应变常数d 偏低。 常见的压电聚合物有：硅橡胶、p v d f 、聚丙烯酸甲酯( p m m a ) 、聚乙炔 ( p a ) 、环氧树脂、聚乙烯、聚氯乙烯( p v c ) 、聚酰亚胺( p i ) 、聚苯硫( p p s ) 、 聚苯乙烯( p s ) 、聚丙烯( p p ) 、聚苯胺( p a n ) 、p ( v d f t r f e ) 以及尼龙等。 其中，p v d f 是一种柔软的塑料薄膜，p v d f 压电元件对温度、湿度和 化学物质高度稳定，机械强度也比较好。p v d f 的声阻抗与水相近，能很好 地和水介质匹配。将p v d f 薄膜在一定的温度( 1 0 5 c - 1 1 0 c ) 下按某一拉 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 伸速度单轴拉伸4 倍以上，镀上电极，再在7 5 。c - 9 0 。c 的温度下在 3 0 0 8 0 0 k v c m 的电场中极化3 0 分钟 保持场强冷却至室温，就可制成压电 性薄膜。它的制作方便，成本也低。p v d f 是部分结晶的高聚物，结晶部分 约占总体积的4 0 6 0 。它具有三种晶型，即口、和y 。口晶型不具有压 电效应，晶型具有压电效应。将口晶型的p v d f 膜单轴拉伸能增加晶型 在膜中的含量。压电效应随晶型含量的增加而增强。虽然晶型不极化也 具有压电效应，但极化后能增强其压电性。7 晶型的性能与p 晶型的性能类 似。 p v d f 拉伸极化后具有四方晶系4 m m 点群的对称性。常选取其拉伸方向 为x 轴，z 轴垂直于膜面平行于极化方向，y 轴垂直于x 轴和z 轴。 1 3 2 高分子功能材料研究现状 高分子功能材料按照压电材料与传统吸声材料的组合方式不同，分为分 布式高分子功能材料和集中参数式高分子功能材料。分布式高分子功能材料 是压电材料与传统吸声材料在微观层面进行的共混式复合，形成近似均匀的 结构，需要建立等效物理参数。集中参数式高分子功能材料是压电材料与传 统吸声材料以相对独立的结构耦合在一起，是在宏观上的复合，其各自的物 理参数相对独立。它通常是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状 压电材料构成的。 上述将压电材料与有机聚合物按一定的连通方式、一定的体积或重量比 例和一定的空间几何分布复合而成的高分子功能材料克服了单一组分的缺 点，具有强压电性、低密度、低脆性和低介电系数，且易于制得大面积薄片 以及复杂形状制品，制造工艺亦很简单。 高分子功能材料的耦合方式中，连通性是最重要的，因为它控制着电通 的路径和机械性质。在高分子功能材料中，各分量相可以0 、1 、2 或3 维的 方式自我连通。如果高分子功能材料由两个分量相组成，则可能有十种连通 性，即o o 、0 1 、o 一2 、o 3 、1 1 、1 2 、1 3 、2 2 、2 3 、3 3 。在大多数文献 中，第一个数字代表压电相的连通维数，第二个数字代表聚合物相的连通维 数，典型的高分子功能材料有0 3 型、1 3 型和2 2 型结构。 国外已有很多学者开始研究用压电材料外接不同分流点电路来抑制振动 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和吸声的问题，并兴起一股压电阻尼减振材料研究的热潮。美国宾州大学 s m p i l g r i m 的博士论文p 1 研究压电高分子复合材料在吸振中的应用：x q ，b a o 等h 1 人研究了由于电导引起的1 3 型复合压电材料的附加损耗问题； n w h a g o o d 与a v o n f l o t o w t 副提出利用压电材料与旁路电阻组成减振结构的 减振方法，并建立了理论模型，该方法称为压电旁路衰减，也称为半被动衰 减；h h l a w 与l l k o s s 嘲提出用一个等效电路模型确定旁路电阻，用一个机 械弹簧减震器模型用于描述压电复合材料的减振能力，并推导了预测最佳电 阻负载、最大阻尼系数以及共振频率的移动等方程：g a l e s i e u t r e 等鄙人对 此也有相当深入的研究；j e n s b e c k e r 唧等人还用有限元方法( f e m ) 对压电 旁路衰减结构的各种参数及减振性能进行了仿真计算；s o r m o h e i m a n i 等川 人提出了一种新的阻抗结构，通过共振改善压电旁路衰减的性能；m h o r i a 等人将碳黑加到压电陶瓷聚合物压电复合材料中，开发出一种新型压电导电 减振复合材料。 m a r a f a ，a b a z 等h ”1 提出了一种主动压电阻尼复合物( 简称a p d c ) 结 构，其中p z t 压电棒斜放入聚氨酯粘弹性材料中，上面可以再覆盖一层很薄 的约束层，压电棒受压产生极化，其能量被内部或外部阻抗消耗掉，该结构 可以控制剪切和压缩阻尼特性，增大能量耗散特性和动力学特性。文中提出 了具有a p d c 梁结构的有限元模型，并给出了该有限单元的几何学和旋转偏 差，分析了该结构在厚度方向上的位移，详细的分析了该有限元模型进行动 力学特性和能量耗散特性，分析了压电棒的倾斜角口为0 、3 0 。、9 0 。时的频 率响应，得出倾角对频率响应的影响不大，只能稍微改变响应值，改变不了 谐振频率，但是与被动压电阻尼复合层相比，这种结构大大降低了振动幅值， 起到了减振的作用。通过分析倾斜角与耗散系数的关系，得出倾角口在3 0 到5 0 之间损耗系数有最大值，并且将压电棒倾斜放入软介质中损耗系数较 大，最后分析了有限元结构的机电耦合特性，得出聚氨酯采用软介质比采用 硬介质时的机电耦合系数大。 m h o d 等u 卅介绍了一种新型的由压电陶瓷、炭黑、环氧树脂组成的新型 机械阻抗复合材料，其原料中p z t 的平均直径约为1 0 z m ，炭黑的平均直径 约为l g m ，混合制成i m m 厚的薄片，通过试验测量得到其损耗系数与三种原 料体积含量的关系曲线，最后测定当其体积含量为( 9 0 0 0 5 9 5 ) 时，具有 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 最大的损耗系数。 e c o b o 等习利用微穿孔板制成主被动宽带吸声混合物，通过主动系统控 制输入阻抗控制被动系统在宽低、频带内的吸声，给出了该混合物的主、被 动系统理论仿真吸声曲线，主动系统可以将吸声频率控制在9 0 0 到1 7 0 0 h z 之间。e c o b o 等还按照仿真的物理参数制成了样品，并测定了该混合物的主、 被动系统吸声曲线及主被动合成的吸声曲线。e c o b o 等还将微穿孔单元中插 入纤维材料，用作主动吸声器，控制微穿孔板插入单元前面空腔内部压力的 释放。通过主动系统得到所考虑吸声频率范围内的高值，最佳解是在给予最 佳吸声时，利用被动单元获得的。这个混合吸声的设想模型，厚度为5 c m ， 在1 9 0 勉到1 7 1 5 h z 频带内吸声系数达到o 9 4 。 国内对高分子功能材料的研究刚刚起步，基本跟踪国外研究内容，无论 是理论分析、材料构造还是消声机理等方面的研究都很不成熟，需要更多的 基础研究，才能使得压电复合阻尼材料的理论和方法走向实际应用。主要有： 贾德民、王红卫及邹小平等钟现人各自通过实验对压电复合材料的压电性能 进行了研究；晏雄等刚啦u 人研究了压电复合材料在减振方面的应用；谢蒙萌、 万建国胆2 1 总结讨论了o 3 型压电复合材料的一般特点，从理论与实验上的角 度研究了o 一3 型压电复合材料的压电性能，指明了大幅度提高o 3 型压电复 合材料压电性能的途径；成国祥b 习等人制得p z t 高分子( p z t p ) 复合膜， 测试了其阻尼特性和吸声特性，得出以下结论：即在声频3 7 5 2 0 0 0 h z 范围内， 在聚合物中加入p z t 微粒并使其极化产生压电性，可使其吸声性能增加，并 且压电阻尼效应还取决于产生的电荷是否及时被消耗；罗学清、李小兵、王 丽坤、游达及王树彬等口卜唧1 人各自通过实验对压电复合材料的介电性能及压 电性能进行了研究；王庭慰、董丽杰、李琳及刘泽等p 峥p 4 1 人各自通过实验对 压电复合材料的介电性能进行了研究：何政等p 那p q 人研究了制备工艺对压电 复合材料性能的影响：刘颖等p 人通过实验研究了不同类型基体对o 3 型压 电复合材料性能的影响。北京工商大学的李业隆和北京信息工程学院的朱嘉 林进行了多孔夹层压电复合材料的研究p 射，使用多孑l 炭黑p ( v d f t f e ) 导电复 合材料与o 3 型p z t p ( v d f t f e ) 压电复合材料进行二次结构复合，形成多孔 夹层压电复合材料。中科院的常道庆p 卅基于板的弯曲共振和压电分流阻尼技 术，提出一种新的低频窄带吸声结构：智能板式共振吸声结构。东华大学张 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 慧萍等研究了p v d f p z t c b 高分子复合材料的介电耗能机制，应用压电导 电原理，研制了一种新型减振复合材料。 从国内外研究的现状可以看出，目前对于高分子功能材料吸声特性的研 究，主要有以下几种方法：( 1 ) 解析法，即求出高分子功能材料吸声系数的 解析解，它的优点是物理意义十分明确，但是对于计算相对复杂的水下结构， 求解比较困难。( 2 ) 数值仿真，如有限元法、边界元和s e a 方法等，它的优 点是可以计算相对复杂的结构。( 3 ) 理论与实验相结合的方法，它的优点在 于可以将理论值与实验值对比验证。本人论文主要是求得声学结构的解析解， 探讨分布式压电材料橡胶分层复合结构吸声的物理本质，通过数值仿真优化 吸声结构的各个参数，并且给出了实验样品的设计方案。 1 4 论文的研究内容 本论文重点研究压电材料橡胶复合分层结构的吸声特性。理论部分介绍 了分布式高分子功能材料的压电阻尼损耗机理，以及集中参数式高分子功能 材料分层结构压电阻抗匹配原理；仿真部分研究集中参数式高分子功能材料 中典型的复合分层结构，应用分层介质中的波理论，采用数值仿真方法优化 无源压电材料橡胶复合分层结构的结构参数；采用压电阻抗匹配原理优化有 源压电材料橡胶复合分层结构外接电路元件参数。最后制定了有源压电材料 橡胶复合分层结构实验样品的设计方案。论文的具体内容为： 第一章：介绍论文的背景、研究目的、传统吸声材料和新型高分子功能 吸声材料的研究概况，以及论文内容安排。 第二章：研究分布式高分子功能材料的吸声机理。 第三章：研究集中参数式高分子功能材料分层结构的吸声机理。 第四章：集中参数式高分子功能材料分层结构吸声仿真分析。 第五章：集中参数式高分子功能材料分层结构样品吸声实验设计。 1 5 本章小结 本章介绍了高分子功能吸声材料的研究目的与意义，国内外研究概况、 理论研究方法，分析了目前高分子功能吸声材料研究中存在的问题，最后确 定了本论文的研究内容。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章分布式高分子功能材料吸声机理 分布式高分子功能材料由于采用共混式复合，它主要依靠其中的传统材 料组分和压电材料组分阻尼作用实现声能损耗，达到吸声目的。传统吸声材 料的阻尼损耗已经被大量研究，本章重点研究集中分布式高分子功能材料中 的压电材料组分的等效阻尼损耗机理。 2 1 压电材料的等效阻尼模型 压电材料常用模式为3 3 模式和3 1 模式，如图2 1 所示，本论文以3 3 模 式为例进行研究。 。 电极 ( a j【h j 图2 1 压电材料模式( a ) 3 3 模式( b ) 3 1 模式 如图2 - 2 所示，敷有电极的压电材料受到外力作用时，由于存在压电效 应j 压电材料的上下表面电极上将产生自由电荷。如果将上下表面电极之间 通过一个无源电路( z ，为外接无源电路的电阻抗) ，这些自由电荷形成电流， 就会将电能转化为热能损耗掉。这样，由于压电材料从材料内部或声场中获 取的机械能或声能转化为热能，就形成了压电材料的阻尼损耗，这就是压电 材料的阻尼损耗原理。 图2 2 压电材料阻尼原理图 l l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为了便于理解，图2 2 的压电材料可以等效为具有内阻的恒压源，这样 图2 2 可以等效为图2 3 所示的恒压源压电阻尼等效电路，其中z 为恒压源内 阻。 差 | z 等 图2 3 压电材料阻尼等效电路 由于外接电路的损耗作用，图2 3 可以等效为一个图2 4 所示的机械阻尼 器。等效机械阻尼器由一个阻尼率为厶的机械阻和一个等效的机械阻抗乙 并联( 图2 4 ( a ) ) ，低频时，该等效机械阻抗近似一个弹簧的弹性抗( 图2 4 ( b ) ) ， 其弹性系数k 只表示外接电阻为定时压电材料的硬度。等效阻尼率可以通过一 个周期内电阻消耗的平均电能与机械阻尼消耗的平均机械能相等来求得。 z m 图2 4 等效机械阻尼器 2 2 压电材料的等效阻尼率 当在压电材料表面施加一个频率为f ( 缈= 2 z r f ) 的力乃= 凡埘，压电 材料在模态移时产生垂直电极方向的电压： 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y = g o f e 埘 ( 2 - 1 ) 假设外接电路阻抗互= r x ，为一个损耗电阻，从等效回路( 图7 1 0 ) 来 看，每周期通过r 。的能量损耗( 日) 与b 关系为： 日= 鹾籍c o s 2 砌 其中，口、b 、c 是压电材料的尺度，如图2 8 ( a ) 和( b ) 所示，g o 是 压电常数。压电陶瓷一周期内能量损耗为： 丑= 三志南严露 p 3 ) 低频时，每周期阻尼器的能量损耗可以表示为： u = 2 晚尼尺x 2 ( 2 _ 4 ) 其中，乞是等效阻尼率，k r 是压电材料的硬度，x 是形变位移振幅。 令h = u ，加上h o o k e 定律： f ：k r x ( 2 5 ) 可得等效阻尼率为： 乞= 而c 2 kr研r。g矿22co(ab)+lzl ( 2 - 印 ，= 一y ， 、一u ， 叼 2 眉 2 刨 、。 由公式( 2 6 ) 可见，压电阻尼器的等效阻尼率由材料性质( k 尺，g l ，z ) 、 工作频率( 国：2 x f ) 和负载阻抗b 决定。如果求出材料的内阻z ，则可以 确定其等效阻尼率。 2 3 压电材料的等效内阻 压电材料受表面压力作用时，压电材料的内阻将以3 3 模式振动。在3 3 模 态振动下的压电材料的边界条件为： d l = d 2 _ o 互= 瓦= 五= 瓦= 瓦- o 警= 等= o ( 2 - 7 ) 相应的压电方程为： 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 8 ) 其中，墨是应变，乃是应力，d 3 是电位移。s d ，是开路回路的柔性常数。 r ，= s t 。，其中g t ，是在机械压力自由状态下的材料的介电常数。根据牛顿 第二定律，得到压电材料厚度方向纵振动运动方程为： 矿争= 去 ( 2 9 ) 矿享2 再事 其中，p 是材料密度，“，是“3 ”方向( z 轴) 的质点位置。方程的解为： u 3 = a s i n ( r o z v 6 d ) + b c o s ( r a z v b d ) p 朋 ( 2 - l o ) k d 是弹性纵波的速率，且有： 吩压 ( 2 - 1 1 ) 加入自由边界条件，互= 0 在z = o 和z = 3 ，常数彳和b 由方程( 2 9 ) 确 定，位移给定为： u s = ( 圪d g s 3 b r o ) s i n ( c a z v t d ) - t a n ( c o z v 6 d ) l c o s ( 纰圪d ) 】 ( 2 1 2 ) 其中，b = d o e 倒，因此“3 ”方向( 墨) 的应变等于： 墨= _ o i l 3 = ( 圪。9 3 3 b c o ) s i n ( c o z v o 。) + t a n ( c o z 2 v 6 。) c o s ( c o z v 6 。) 】( 2 一a 3 ) 联合方程( 2 8 ) 、( 2 1 2 ) ，“3 ”方向上的电场为 马= 一警 c o s ( 国z 圪。) “a i l ( 抛2 圪。) s i n ( 缈州圪。) 】+ 哮+ 彪 d 3 ( 2 1 4 ) 如果y 是应变电压，z 是内阻，通过压电材料的电流为i = v z ，压电 的内阻等于： z 5 了g2 丽丽e e 3 d z 解方程得到3 3 模态下的内阻 1 4 麓勰蝎 = = s b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 z = 舞k z + 芒篙，一芒篙毒争锄毒丢， q 粕， 其中，z 是复阻抗，c r 是压电材料自由压力状态时在电极方向( 低频) 的电容，墨，是模态3 3 时的电机耦合系数。厂是工作频率，正是材料自身的 反谐振频率： z ：二l 1 ：l ( 2 1 7 ) 2 c ( 麟) j2 c p s 3 曼( 1 一聪) j 2 4 压电材料的等效最佳阻抗 压电常数岛可以由电机耦合系数来表示： g ，= 巧萼 ( 2 - 1 8 ) 压电材料的电容口和硬度k 占为 c ：= 堕矗q 1 9 ) k 压： 业( 2 2 0 ) 南i ；c 代入( 2 4 ) 得到 日= 三善壶f 2 亿2 - ， 其中口是自由压力状态下压电材料( 低频) 的电容，k e 是压电材料在 短路状态下的硬度，模, 态, 3 3 1 n ，蟛等于墨。 由方程( 2 - 2 1 ) 可以看到，对于一个给定工作频率的压电材料，使得 刮强= 0 ，当r 爿zl 时，能量损耗最大。因此，当负载阻抗和材料的内阻 相等时，能量损耗处于最大值，这个负载阻抗称为最佳负载阻抗掣。 根据等式( 2 1 6 ) 得出的模式3 3 的内阻大小，由此可得模态3 3 的最佳负 载阻抗为： 肜= 嘉陬+ 惫，一篙c 净协c 净 p 2 2 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由等式( 2 2 2 ) 可见，模态3 3 得最佳阻抗都是工作频率和压电材料的压 电性能( 机电耦合系数、电容和材料固有频率) 的函数。但是，如果工作频 率远小于材料固有频率，等式( 2 - 2 2 ) 可以简单的归纳为一种形式： 蟹! 嘉= 瓦1 矿( 2 - 2 3 ) 这种情况下，最佳阻抗与工作频率成反比。 2 5 具有外阻的压电材料等效硬度 一般材料的硬度( 弹性系数) 由杨氏模量和材料尺度决定； k ：一y a ：三兰 ( 2 芝4 ) = 一= 一一 i z z 斗j l s q t 其中】，是杨氏模量，彳是面积，l r 是长度，j ，是柔性常数。 对于所有弹性材料，由h o o k e 定律有，应力z 引起的应变为 s 7 = 彰弓 ( 2 2 5 ) 其中s ；r 是压电材料的柔性常数。但是对于压电材料，有预应力引起偏置电压 巨通过逆压电效应产生一个额外的应变，因此由t 引起的总应变为 s o = ( s 多一吒岛) 乃 ( 2 2 6 ) 如果材料处于短露状态，产生的电荷将被损耗，因而将没有偏置电压。 因此可得开路状态下材料的柔性常数与短路状态柔性常数的关系为 簖= ( 1 一巧) ( 2 2 7 ) 如果连接一个外阻b 到压电材料，一部分电荷通过疋损耗，另一部分存 储在电容器。由以上结论可知，残留电荷将产生一个偏置电压，并引起材料 柔性常数的变化。假设开路状态下由t 产生的总电荷为q ，通过疋的放电g 将 减少到g 。如果t = t o e j 4 ，则q = q o e j 罐，假设g 和g 有如下关系： q 。= r q ( 2 2 8 ) 其中，成为负载阻抗常数，取值范围为0 ，1 。对于给定得材料，g 和g 分别产生偏置电压e 和e 。，因此方程( 2 2 8 ) 也可以表示为 1 6 哈尔溟工程大学五贝士学位论又 e = r e ( 2 2 9 ) 因此通过计算e 和e 可以得到 r 一揣 p 3 。，= 二l 二_ 一 z j u j ( z + i 乙i ) 、 。