课题基金 / 基金详情

吸声特性可调的IPMC周期性低频吸声结构换能机理及其优化设计与调控

批准号:
52075140
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
常龙飞
依托单位:
学科分类:
机械动力学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
常龙飞

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
构建可调控的亚波长厚度低频吸声体不仅是声学领域亟需解决的难题,也是国防和民用工业共同关注的热点方向。针对低频吸声对于非线性、高耗能、易调控材料和结构的研究需求,申请人提出基于IPMC材料的低频响应和振动特性以及力电双向转换功能机制,构筑吸声性能可调的周期性低频吸声结构。项目拟结合MPP结构共振单元设计,探索单元结构及材料内部微/纳米孔隙、颗粒和固液界面特征对吸声性能的影响规律;通过分析弹性波和电压作用下质量(离子/溶剂)动态传递过程,建立吸声体多场耦合模型,揭示弹性波能量转换机制;通过研究单元组装的电化学场耦合作用,揭示IPMC周期性结构的协同吸声机制及阻抗匹配原则;在此基础上,研究IPMC曲面驱动器的多自由度大变形控制,及其对吸声体局域力电参数、固有频率乃至吸声性能的影响规律和机理。研究成果有望为可调控低频吸声体提供理论和实验解决方案,也为柔性智能材料的致动传感一体化应用开辟新的思路。
英文摘要
The construction of low frequency sound absorption structure with subwavelength thickness and adjustable absorption characteristics is not only an urgent problem in the field of acoustics, but also a hot topic in the field of both national defense and civil industry. In view of the research demand of non-linear, high-energy-consumption and easy-to-control materials and structures for low-frequency sound absorption, the applicant proposes to build a periodic low-frequency sound absorption structure with adjustable sound absorption performance based on the low-frequency response and vibration characteristics of IPMC materials and the bidirectional mechanical and electric conversion mechanism. The project plans to explore the influence of the unit structure and the micro / nano pore, particle and solid-liquid interface characteristics of the material on the sound absorption performance, in combination with the design of the MPP structure resonance unit; establish the multi-field coupling model of the absorber and reveal the energy conversion mechanism of the elastic wave by analyzing the dynamic transfer process of the mass (ion/solvent) under the action of the elastic wave and voltage; reveal the mechanism of synergistic sound absorption and the principle of impedance matching of periodic structure by investigating the coupling effect of the electrochemical field in cell assembly study; and on the basis, study the M-DOF and large deformation control of the IPMC surface actuator and its influence on the local electromechanical parameters, natural frequency and sound absorption performance. The research results are expected to provide theoretical and experimental solutions for the adjustable low-frequency absorbers, and also open up new ideas for the integrated application of flexible intelligent materials in actuation sensing.
低频噪声穿透力强且难以衰减,探索高阻尼、高能耗轻量低频吸声材料及新型亚波长共振结构,是现代声学、材料学、力学等多学科交叉领域亟待攻克的瓶颈难题。离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是一种离子型电活性智能材料,由于其换能过程依赖固有电化学中间过程,因此具有低频响应以及高能耗特性。本项目大胆打破了IPMC在软体机器人、柔性机电系统等应用中的传统认知,另辟蹊径,巧妙地利用其质量传递过程增强其低频吸声性能;同时充分结合其双向换能的独特优势,探索出一种新型电调控低频吸声体的解决方案。项目按计划认真执行,圆满达成预期目标,取得的关键成果简要列举如下: .【理论创新】:深入剖析了IPMC在弹性波作用下的离子/溶剂动态传递过程,创新性提出了离子滞后振动响应机制,建立了该过程的多场耦合模型,揭示了IPMC薄膜在声波作用下的能量转换机制,有力地证明了IPMC力电转换特性对吸声性能的增强作用。该成果为离子型电活性材料换能机理以及新型吸声机理的研究提供了新的理论视角。.【实验突破】:首次验证了IPMC 在声波作用下的力电转化效应,且明确了其与吸声性能正相关,佐证了IPMC可将声能转化为电能进行耗散。进一步结合微穿孔板(MPP)和微缝板(MSP)结构,设计了多种电调制声学超材料,在低频段实现了完美吸声,在4V电压下归一化峰值频率调制可达79.2%,并可在宽频范围进行连续调制。此外,对IPMC进行结构创新,发明了一种新型光、电、湿度等多刺激源响应超高性能离子型智能材料,对其在可调制声学结构中的应用进行了初步探索。.【学术成果】:项目执行期共发表高水平学术论文8篇(其中7篇第一标注,1篇第二标注),完成研究生学位论文7篇,获得发明专利授权8项,在重要国际学术会议做邀请报告4次。.【发展潜力】:以上成果是离子型智能材料的开创性应用,不仅大幅度提高了该类材料的应用频率范围,也为推动可调制吸声结构的进一步研究奠定了坚实基础,积累了丰富的理论和实验研究方法,并为后续的持续研究开拓了新的思路。
多场耦合作用下IPMC材料界面结构对其机电性能的影响机理
  • 批准号:
    51605131
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    常龙飞
  • 依托单位:
国内基金
海外基金