鐵電材料中聲波誘發電疇變的低頻吸聲機理研究

《鐵電材料中聲波誘發電疇變的低頻吸聲機理研究》是依託浙江大學，由王林翔擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鐵電材料中聲波誘發電疇變的低頻吸聲機理研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：王林翔
• 項目類別：面上項目

項目摘要

壓電分流阻尼技術在中高頻噪聲控制和振動抑制中得到了廣泛套用，但難以擴展到低頻振動情況。本項目擬研究利用鐵電材料中的聲波誘發電疇變所特有的強機械阻尼特性，將振動能轉換成電能和熱能，實現低頻吸聲。項目擬研究低頻入射聲波在鐵電材料中誘發的90度電疇翻轉，以及伴隨電疇變過程的振動能向電能和熱能的轉換；採用相變理論對電疇變的動力學進行理論分析；研究電疇變過程中偏置應力、偏置壓力對非線性力電耦合關係的影響規律；研究非線性力電耦合效應與分流阻尼電路耦合的系統動力學及其最佳化；闡明基於應力誘發電疇變的低頻吸聲機理，揭示低頻振動情況下振動能向電能和熱能轉換的影響因素及規律；研製基於鐵電材料的新型低頻吸聲覆蓋層，並開展實驗研究。這種新型的低頻吸聲機理研究，將為大幅減少低頻探測聲波的反射量，提高水下航行器的聲隱身性能奠定堅實基礎。這種非線性能量損耗機理在低頻振動抑制和微小振動能量捕獲方面也有重要的參考價值。

結題摘要

低頻噪聲對人類健康是有害的並且在低頻噪聲的吸收在軍事上也有重要的意義。因為因此找到一種有效的方法來吸收低頻噪音，或至少在一定程度上減弱低頻噪音，是很有必要的。本研究基於鐵電材料電疇翻轉特性，利用朗道理論研究聲波誘發鐵電材料中電疇變翻轉最終實現低頻吸聲的目的。在這個過程中鐵電材料表現出強機械阻尼特性，並通過將振動能轉換成電能和熱能，實現低頻吸聲。聲波本質上是一種振動，利用振動放大裝置將聲波產生的振動進行放大，之後將放大的振動施加到鐵電材料上，進而誘發材料的極化翻轉，這樣在材料的表面會產生電壓。通過設計的外接電路，將產生的電能轉化為熱能耗散掉，以此來達到能量耗散的目標。鐵電材料在周期性外加振動下產生的極化反應具有滯回特性，該滯回特性具有很強的阻尼性，並且一部分聲波的機械能可以以相變熱的形式直接轉化為熱能，這樣可以極大地提升能量耗散地效率。另外對於單個循環來說，聲波的頻率越低，鐵電材料用來完成極化翻轉的時間就越充足，因此利用鐵電材料來進行低頻聲波吸收具有天然的優勢。鐵磁材料內部是由許多磁疇組成的，在外加磁場和應力的作用下也可進行極化翻轉來實現力磁之間的相互轉化，以此來達到能量耗散的目的，本質上與鐵電材料是相同的，因此鐵磁材料也屬於本研究的範圍之內。本研究利用了相場法和朗道相變理論對鐵電以及鐵磁單晶和多晶材料的性質進行了深入的研究和模擬分析，為後面實驗的開展打下了堅實的基礎。本文利用所建立的鐵電材料的本構方程，對鐵電材料進行了能量耗散方面的研究，探究了其對偏置應力、頻率以及外接電阻的依賴性，研究表明，適當增大電阻可以有效降低材料的對低頻聲波的吸收效果，驗證了聲波吸收的可行性。