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Smart Materials and Structures 电压调控下具有刚度陡变特征的双稳态低频隔声器设计与声学实验研究
发布者: 李博 | 2022-05-10 | 1928

薄膜声学超材料能够以小尺寸结构控制大尺寸声波,有效实现低频降噪,但是其隔声性能固定,隔声频段可调性不足使用介电弹性体(Dielectric elastomer, DE)制作隔声结构能够实现电压调控隔声频段,但是现有研究成果中的调控电压高,变化范围窄。针对以上问题,本文提出一种基于多层DE和磁铁的新型双稳态薄膜隔声结构,其利用电压主动触发薄膜发生稳态跳转,引起薄膜刚度陡变,以完成降低调控电压,增强隔声调控效果的研究目标。本文从可调控薄膜隔声结构的设计方法出发,基于单稳态构型进行力电耦合分析,设计了双稳态构型,对双稳态薄膜隔声结构的驱动隔声调控性能进行研究。具体研究工作包括:

首先,确定DE薄膜隔声结构的设计原则。薄膜声学超材料进行振动模态和隔声性能的有限元分析,获得薄膜隔声性能与振动固有频率之间的联系;推导圆膜振动方程,发现张紧力对薄膜振动固有频率的影响。提出利用电压改变DE薄膜张紧力,继而实现隔声性能显著调控这一构型设计思路。

其次,研究两种单稳态DE薄膜隔声结构,利用三传感器驻波管声学测试平台进行隔声测试。发现了单稳态构型电压驱动可以产生隔声量的调控,调控效果取决于电压产生的变形为了进一步放大调控效果提出采用双稳态构型的

随后,设计了磁铁相吸双稳态DE薄膜隔声结构。在递增电压下,DE薄膜刚度和振动固有频率经历先缓增,再激增,最后缓降的变化过程。通过系统能量建模确定了双稳态的存在性。建立了力--磁耦合模型,对电压驱动变形进行数值计算和实验验证,得到了隔声结构参数优化设计的指导原则,明确了磁铁强度系数,磁铁初始距离和薄膜层数的组合对双稳态存在性的决定作用以及对隔声结构调控特性的影响规律。

最后,通过有限元仿真计算和声学测试,验证双稳态DE薄膜结构的隔声调控性能。发现隔声峰频率在稳态跳转之后发生大幅度转移。在2kV2.5kV3kV电压下,隔声峰频率相对转移率分别可以达到29.5%31.6%36.1%

本文将薄膜结构隔声性能调控转变为对薄膜刚度的调节,以此作为指导进行结构设计。与同类型工作相比,本文利用稳态跳转,将调控的电压降低至1500V,低于现有报道所需要的4000V,并且有效隔声频率带最多可以扩大4.35倍,为多频段主动隔声技术的研究提供新思路。

 

 

 

 

上述工作近期发表于 Smart Materials and Structures杂志,并得到了上海宇航技术研究所的支持,同时感谢马富银老师,常龙飞老师的指导。

 

论文题目 Bistable sound insulator with an abrupt stiffness shift using magnetic-coupled dielectric elastomer actuator

 

在线链接 https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac6a2e