（测试计量技术及仪器专业论文）基于压电材料的被动及半主动振动噪声控制.pdf

jj n 觚j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s 臼o n a m i c s c o l l e g eo f a e r o s p a c ee n 酉n e e m g p a s s i v ea n ds e m i a c t i v e b r a t i o na n dn o i s e c o n t r o lo fp i e z o e l e c t r i cl a m i n a t e s a t h e s i si n m e a s u r e l n e n ta n d t e s t i n gt e c l m o l o g ) r i n s t n l m e n t s b y l i ur u s h o u a d 、，i s e db y p r o f e s s o rz l mk o n 自u n s 1 1 b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rm e d e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e 血g m 眦h ，2 0 1 0 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明 引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复 印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者繇秘 日 期：锄虹匠与 _ 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 近年来，基于压电元件的被动控制方法的出现，为工程结构中振动噪声的控制提供了新的 有力手段。本文详细分析了压电被动控制方法的工作原理和实现方法，以表面贴有压电陶瓷片 的平板为例，给出了多种分流电路的单多模态被动减振降噪的实验结果，然后在压电被动控制 方法的基础上，发展了一种新颖的半主动控隹 方法。这种方法不仅实现了对单多模态振动噪声 的控制，而且还具有控制效果好、环境适应性强、电路间干扰小和电路结构简单等优点。 本文的研究工作主要由以下三个部分组成： 1 从压电元件的压电方程出发，推导出结构的机械阻抗与压电分流电路的电气阻抗之间 的关系，得到了整个系统的位移传递函数和各种分流电路的参数优化方法。 2 选用串联r l 、串联c r 、模拟和d s p 的“合成阻抗”四种典型的分流电路进行单模态 的振动噪声控制。此外，还利用并联电容的方法降低了r l 分流电路所需的最优电感值和利用 “阻塞电路”实现了多模态振动控制。 3 结合自适应滤波器和d s p “合成阻抗”电路，提出一种基于自适应“合成阻抗”电路的 半主动控制方法，并进行相应的单多模态振动噪声控制实验。 压电被动控制技术的振动噪声控制效果好、结构简单、易于实现、不需要大功率能源，适 于在一些要求结构简单轻便的场合；而基于自适应“合成阻抗”电路的半主动控制方法，继承 了被动控制的优点，又具有主动控制的特性，是一种非常有发展前景的新方法。 关键词：压电元件，被动控制，分流电路，半主动控制，d s p ，合成阻抗，自适应 基于压电材料的被动及半主动振动噪声控制 a bs t r a c t i nr e c e my 船，t h e 伽r g e n c eo fp 舔s i v ev i b 枷o nc o n t r o lo fp i e z o e l e c t r i cs h l m td a m p i n gs y s t e m h 勰p v i d e dan e wp o w e m lm e 廿1 0 df o rc o n 臼o lo fv i b r a t i o n 锄dn o i s ei nf l e x i b l e 蛐m c t i l 托s mt h i s t h e s i s ，t h cp 血c i p l e 锄di m p l e m 胁t a t i o no f 也ep 鸽s i v ev i b r a t i o nc o 咖ls y s t 踟啮w e r ed i s c 瑚s e di n d e t a i l 1 ks e v 啪ls h u n td a n l p i n gc i r c u i t sw e 陀咖d i e de x p e r i m e n t a l l y b o t hs i n g l em o d e 锄d m u l t i n l o d ep 弱s i v ev i b m 6 a n dn o i s ec o i 内广o lo fan a ts 仃u c t u 舱t h 髓，an o v e ls e m i a c d v ev i b r a t i 蛆 c o n 仃d ls y s t e r 璐w 舔d e v e l o p e db 嬲e d0 nt h ep a s s i v ev i b r a t i o nc o n 缸d is y s t e r 璐t l l i sa p p r o a c hn o to n l y c a l la c h i e v eb e t t c rv i b r a t i o na n dn o i s ed a m p i n ge 脓鸭b u ta l s oh 邪s e v c r a la d v 锄t 乏唱e s ，跚c h 嬲g o o d e n v i r o 眦c n t a la d a p 切b i l i 劬l o wc i r c u i tm u t u a li l l 矧j ；r e n c e ，s 岫p l ec i l c u i ts 缸1 j c 咖a n ds oo n i i ld e t a i l ，t h er e s e a r c hw o r ko fm i st h e s i sm a i n l yc ) n s i s t so ft h ef o l l o 、衍n gt h r e ep 甜t s ： f i r s t ，b 弱c d p i e z l e c t r i ce q u a l i o n ，n l e 他l 撕b e 觚e 也em e c h 孤i c a li n l p e d a n c e 龇d 也e e l e c 仃i ci m p e d a n c eo ft h es h u n tc i r c u i tw 裙觚a l y z e d t h ed i s p l a c 锄e n t 打a n s m i s s i b i l i 够o f l ew h o l e s y s t e m 锄dm ei n e t h o df o rt h es h u mc h u i t s p 孤吼e 钯硌0 p t 捌o n w e r c0 b t a i l l e d s e c o n d ，s 踊e sr ls h u n t 妇n p i n gc i r c u i t ，s c r i e s - c rs h 岫t 妇n p i n gc i r c u i t ，a 尬l o g 咖h e t i c i m p e d a n c es h u n td a m p i n gc 疵u i ta n dd s ps ) r n t l l e 讹i l i l p e d a i l c es h u td a m p i i l gc i r c u i tw e r cs e k c t c d f o rs i n g l em o d ev i b m t i 锄dn o i s ec o n 仃d li na d d i t i o n ，t h eo p t i m a li n d l l c t a n c ev a l u eo ft h er ls h u n t c i r c u “w 嬲r e d l l c e db yp a r a l l e l i l l gac a p a c i t o rt 0m ep i e z o e l e c t r i ci a m i n a t e ，髓d 也em u l d e v i b r a t i o nc o n 仃o lw 懿i m p l e m e n t e db yu s i n gn l e b l o c k i n gc i r c u i r n 埘，b yc o m b i i l 咄也ea d a p t i v ef i l t c r 孤d 舭d s ps y l l 也c t i ci m p e d a l l c e ，an e ws e m i - a c t i v c v i b r a t i o nc 臼o ls y s t e mt h a ti sb 鹊e do nn l ea d a p t i v es ”t l l e t i ci m p e d a n c ew 嬲p r e s e n t e d ，锄d 廿l e c o r r e s p o n d i n ge x p 嘶m e n to f m u l t i m o d ev i b r a t i o n & 砸n o i s ec o n 臼o ii sd o i i ns h o r t ，p 酏s i v ev i b r a t i o nc o n 缸0 ls y s t e mh 舔g o o dv i b r a t i o nd 锄l p i n ge 仃e c ta n ds i n l p l ec i r c u i t s 们j c t u 北，i se a s yt 0r e a i i 髓a n dd 0n o t 托q u i 北l l i g l l 巾o w e re n e r g ys o u r c e ，i ti sm a i l l l yu s e di nt 1 1 e - o c c 豁i o nt l l a tr e q u i r et h ec o n t r o ls y s t e ms m a l l 锄dl i g h t t h en e ws e m i - t i v ev i b r a t i o nc o n t r o ls y s t e m t h a ti sb a s e do nt 1 1 ea d 印t i v es y n t h e t i ci l i l p e d a l l c ei i l h e r i t s 也e 烈l v 锄t a g e so fp 懿s i v e 啊b r a t i o nc o 咖l s y s t e m 姐da l s oh 舔t h ea c t i v ev i b r a t i o nc o n b o ls y s t e i l l sc h a r a c 蜘s t i c s ，s oi ti san e w9 0 0 dp r o r n i s i i l g a p p r o a c h k e yw b r d s ：p i e z o e l e 硎ce l e m c n t s ；p a s s i v ev i b m t i c o n 仃0 l ；s h 蚰td a n l p i n g ；s e m i - a c t i v ev i b r a t i o n c o 砷r o l ；d s p ；s ) r n 血e t i ci m p e d 锄c e ；a d a p 戗l b i l i 哆 i i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 引言。1 1 2 基于压电材料的振动噪声控制技术1 1 3 论文的主要研究内容3 第二章压电元件的特性及其被动振动控制的原理4 2 1 压电元件的特性4 2 1 1 压电效应4 2 1 2 压电方程5 2 2 压电被动振动控制的原理6 2 2 1 压电元件的阻尼6 2 2 2 系统的位移传递函数1 1 2 3 本章小结1 2 第三章压电分流电路的设计1 3 3 1 几种压电分流电路的特性分析1 3 3 1 1 电感型压电分流电路1 3 3 1 2 电容型压电分流电路l7 3 1 3 基于“合成阻抗”电路的压电分流电路2 3 3 2 几种压电分流电路的实现2 4 3 2 1 模拟电感电路2 4 3 2 2 负电容电路2 5 3 2 3 “合成阻抗”电路2 6 3 3 本章小结2 8 第四章压电被动振动噪声控制的研究。2 9 4 1 压电被动振动噪声控制实验系统的设计2 9 4 2 模拟式压电分流电路的振动噪声控制3 3 4 2 1r l 串联压电分流电路的振动噪声控制效果3 3 4 2 2 c r 串联压电分流电路的振动噪声控制效果3 7 4 2 3 模拟“合成阻抗”压电分流电路的振动噪声控制效果3 8 m 基于压电材料的被动及半主动振动噪声控制 i v 4 3 数字式( d s p ) 压电分流电路的振动噪声控制4 l 4 3 1d s p “合成阻抗”电路的硬件设计。4 l 4 3 2d s p “合成阻抗”电路的软件设计及实验结果4 5 4 4 基于“阻塞电路”的多模态减振4 9 4 5 本章小结5 1 第五章基于自适应“合成阻抗”电路的半主动振动噪声控制。5 2 5 1 基于l m s 算法的自适应滤波器5 2 5 1 1 横向f i r 型的自适应滤波器。5 3 5 1 2l m s 算法的原理5 4 5 2 自适应“合成阻抗”电路的设计与实现5 5 5 2 1 自适应“合成阻抗”电路工作原理。5 5 5 2 2 自适应“合成阻抗”电路的实现5 6 5 3 自适应“合成阻抗”压电分流电路的实验研究5 9 5 3 1 自适应“合成阻抗”压电分流电路的振动噪声控制实验。5 9 5 3 2 自适应“合成阻抗”压电分流电路的振动控制实验6 5 5 4 本章小结6 8 第六章全文总结及展望6 9 6 1 全文工作总结6 9 6 2 研究工作展望7 0 参考文献j 7 l 至筻谢 7 4 攻读硕士学位期间发表的论文7 5 附j 录i 7 6 附录i i 8 0 南京航空航天大学硕士学位论文 图、表清单 图2 1 压电被动控制系统的分析模型7 图2 2 结构的机电模型1 l 图3 1r l 压电分流电路1 3 图3 2r l 串联压电被动控制系统的幅频特性曲线( 詹f 0 0 6 3 2 ) 一1 4 图3 3r l 并联型压电被动控制系统的幅频特性曲线( 詹萨o 0 6 3 2 ) 一1 5 图3 4 多模态压电“阻塞”“流通”电流分流阻尼电路1 7 图3 5 负电容电阻分流电路1 8 图3 6 - c r 串联压电被动控制系统的幅频特性曲线( 詹严0 0 6 3 2 ) 1 8 图3 7 - c r 并联压电被动控制系统的幅频特性曲线( 五严o 0 6 3 2 ) 1 9 图3 8 “合成阻抗”电路一2 3 图3 9 模拟电感电路2 5 图3 1 0 负电容电路2 6 图3 1 l “合成阻抗 分流电路。2 6 图3 1 2 并联导纳电路的实现2 7 图4 1 振动噪声控制的实验装置2 9 图4 2 压电被动振动噪声控制实验系统原理图3 0 图4 3 压电被动振动噪声控制实验系统3 0 图4 4 麦克风的前置电路原理图3 l 图4 5 振动噪声控制实验系统的频响曲线3 2 图4 6r l 串联电路原理图3 3 图4 7r l 串联压电分流电路的单模态一阶振动控制效果图3 3 图4 8r l 串联压电分流电路的单模态一阶噪声控制效果图3 4 图4 9 平板结构。3 4 图4 1 0 并联电容下压电片的电模型3 5 图4 1 1 并联1 0 0 n f 附加电容下r l 串联压电分流电路的单模态一阶振动控制效果图3 6 图4 1 2 并联1 0 0 n f 附加电容下r l 串联压电分流电路的单模态一阶噪声控制效果图3 6 图4 1 3 - c r 串联电路原理图3 7 图4 1 4 - c r 串联压电分流电路的单模态一阶振动控制效果图3 7 图4 1 5 - c r 串联压电分流电路的单模态一阶噪声控制效果图3 8 v 基于压电材料的被动及半主动振动噪声控制 图4 1 6 改进后的合成阻抗示意图3 9 图4 1 7 模拟“合成阻抗”电路原理图4 0 图4 1 8 模拟“合成阻抗”压电分流电路的单模态一阶振动控制效果图4 0 图4 1 9 模拟“合成阻抗”压电分流电路的单模态一阶噪声控制效果图4 l 图4 2 0d s p “合成阻抗”电路的硬件框图4 2 图4 2 1d s p 前置调理电路原理图4 2 图4 2 2d a 电路原理图4 3 图4 2 3c 2 8 x 系列d s p 芯片功能框图4 5 图4 2 4d s p “合成阻抗电路的总体软件设计流程图及c c s 实现界面4 7 图4 2 5d s p “合成阻抗”压电分流电路的单模态一阶振动控制效果图4 8 图4 2 6d s p “合成阻抗”压电分流电路的单模态一阶噪声控制效果图4 8 图4 2 7 基于“阻塞电路”的二阶减振电路4 9 图4 2 8 基于“阻塞电路”的二阶减振电路原理图4 9 图4 2 9 基于“阻塞电路”的多频减振电路振动控制效果图。5 0 图5 1 自适应滤波器示意图5 3 图5 2 横向f i r 结构的自适应滤波器5 3 图5 3 基于自适应“合成阻抗电路的压电半主动控制系统的示意图5 5 图5 4 自适应“合成阻抗”电路的硬件框图5 6 图5 5 自适应“合成阻抗”电路中自适应滤波器结构。5 7 图5 6 自适应“合成阻抗”电路的总体软件设计的c c s 实现界面和流程图5 8 图5 7 基于自适应“合成阻抗”电路的半主动振动噪声控制实验系统5 9 图5 8 自适应“合成阻抗”压电分流电路对圆板的一阶振动控制效果图( p z t 2 传感) 5 9 图5 9 自适应“合成阻抗”压电分流电路对圆板的一阶噪声控制效果图( m i c 传感) 6 0 图5 1 0 圆板在面载荷激励下的应变云图6 0 图5 1 1 圆板在面载荷和驱动压电片共同激励下的应变云图6 l 图5 1 2 自适应“合成阻抗”压电分流电路对圆板的一阶振动控制前后几路传感信号的对比图 6 ：! 图5 1 3 自适应“合成阻抗”压电分流电路对圆板的一阶振动控制效果图( p z t 3 传感) 6 2 图5 1 4 自适应“合成阻抗”压电分流电路对圆板的多频振动噪声控制效果图6 3 图5 1 5 多频控制时发射管中激励声压的频谱图“ 图5 1 6 自适应“合成阻抗”压电分流电路对圆板的多频噪声控制效果图( p z t 3 传感) 6 4 图5 1 7 自适应“合成阻抗”压电分流电路对圆板的多频噪声控制效果宽频图( m i c 传感) 6 5 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 1 8 振动控制的实验装置一6 5 图5 1 9 自适应“合成阻抗”电路对方形平板多模态振动控制的实验系统原理图6 6 图5 2 0 自适应“合成阻抗”电路对方形平板多模态振动控制的实验系统6 6 图5 2 1 自适应“合成阻抗”压电分流电路对方形平板的单模态振动控制效果图6 7 图5 2 2 自适应“合成阻抗”压电分流电路对方形平板的多模态振动控制效果图6 8 表5 1a n s y s 分析得到的传感压电片的输出电压的结果6 l i 基于压电材料的被动及半主动振动噪声控制 注释表 d 电位移 e 电场强度 介电常数 s 应变 r应力 j弹性柔顺系数，拉普拉斯算子 厶 压电控制系统的外部输入电流 巧 压电元件的两端电压 盯 泊松比彳3 压电元件的上下表面积 压电元件的厚度 ，压电元件的边长 c 子 压电元件在常应力下的固有电容 y d 压电元件的开路导纳 霹c 压电元件外接电路的电阻抗玛跖 压电元件外接电路的电导纳 z 3 脱 整个压电系统的电阻抗 b 脱 整个压电系统的电导纳 如 压电元件的平面耦合系数 艺 无量纲电阻抗 z 产 整个压电系统在短路时的电阻抗z 3 d 整个压电系统在开路时的电阻抗 f 结构所受的外力 v 结构的振动速度 c 声 压电元件在常应变下的固有电容 萨e 机械阻抗 k 产 压电元件短路时的模态刚度 歹脏 无量纲机械阻抗 才开路机械阻抗 j 7 阻尼因子 m 结构的模态质量 k 结构的模态刚度 x 结构的位移x 汀 结构在静载下的位移 始 整个系统的耦合系数 ? 开路时系统的第刀阶固有角频率 开路时系统的第，l 阶固有角频率 e 电路的谐振频率 r无量纲频率 万 无量纲谐振比 ， 电路的阻尼比 口 电容比 l外电路的电感 c 外电路的负电容 尺 外电路的电阻c 0并联附加电容 i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着科学技术的飞速发展，工程结构中的振动噪声问题越来越引起各界人士广泛的关注。 振动的存在会影响设备的正常运转，使机床的加工精度、仪器的灵敏度下降，特别在航空航天 领域中，由于空间柔性结构模态阻尼小、空气稀薄，如果不采取措施对其振动进行抑制，一旦 其受到某种激励的作用，其大幅度的振动要延续很长时间，这不仅会影响航天结构的姿态的稳 定和定向精度等问题，还将使结构产生过早的疲劳破坏，影响结构的使用寿命【1 邡】。同时，振 动还会引发噪声，污染环境。噪声的存在影响人们的正常工作与生活，甚至给人们造成听觉的 损伤和神经系统、肠胃系统的紊乱【4 】。由此可见，振动噪声控制的研究对工程结构的使用和设 计具有及其重要的现实意义。结构的振动噪声控制目前已成为工程领域中的热点之一。近几年 智能材料与结构的出现，为解决该问题提供了新的有力手段【5 】。 智能材料与结构是一种能感知外部环境和内部状态变化，并通过自身机制对信息加以识别 和推断，进而合理地决策并驱动结构做出响应的、复合的材料结构系统。它集成了传感元件、 驱动元件和控制系统，在航空、航天、航海、能源、交通、建筑、医学等重要领域具有广泛的 应用前景。智能材料与结构概念自2 0 世纪8 0 年代中期由美国军方( u s 岫r e s e a r c ho f f i c e ) 率 先提出，当时的侧重点是要降低直升机的复合材料桨叶的振动，后来在日本和欧洲等国家迅速 发展起来，已成为高新技术材料领域的一个热点，将对2 l 世纪的科学技术和世界经济的发展起 到巨大的推动作用【6 1 。 压电材料因具有良好的铁电、压电和热释电等性能，在智能结构中兼具感知、执行于一体， 成为智能结构中应用最多、最广泛的一种机敏材料。人们利用压电智能材料的正、逆压电效应 把压电材料制作成传感器和驱动器，再施加以一定的控制策略，实现了结构智能化，另外压电 材料还具有体积小、质量轻、适用频带宽、机电转换效率高等优点，因而它在变形翼、结构的 振动噪声控制、损伤监测、作动器等领域中的应用研究已受到特别的重视。利用压电机敏材料 作为传感器和驱动器对结构进行振动噪声控制代表了目前振动和噪声控制研究和使用中一个很 有潜力而又非常活跃的领埘7 1 。 1 2 基于压电材料的振动噪声控制技术 由于结构本身是声源或声源由结构包围着，声源能量传递给结构，再通过结构辐射出去， 因此通过对结构振动的控制，有可能控制噪声的传播。基于压电效应的振动噪声控制正得到广 泛的研究和关注，控制系统的设计方法主要可分为三种，即主动控制、半主动控制和被动控制。 基于压电材料的被动及半主动振动噪声控制 压电主动控制【8 ，9 】是一种由压电传感器、压电作动器和控制电路组成的自适应结构。它以现 代控制理论为主要工具，以压电材料作为受控结构的传感器和作动器，由压电传感器采集振动 数据，通过计算机进行数据计算处理后输出信号，由压电驱动器对受控系统主动输入外部的控 制能量，使受控振动响应与原振动响应相抵消，以达到消除或抑制结构振动水平的目的。当用 压电主动控制系统进行噪声控制时，需要用声学传感器代替压电传感器，来采集结构辐射的声 波信号，以作为控制系统的输入传感信号，进而实现对结构噪声的控制。压电主动振动噪声控 制技术具有算法灵活的优点，设计出的控制系统有很强的灵活性和环境适应能力，可控频率宽， 响应速度快，但其控制系统相当复杂，不容易实现，容易出现控制溢出的情况【l o 】，需要复杂的 信号处理单元及庞大的功率放大器，这对重量及体积要求非常高的航空航天领域，主动控制给 实际的工程应用带来很大的不便。 压电半主动控制f 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 是一种基于非线性同步开关的压电阻尼技术。它通过一个状态开 关控制压电分流电路的开闭，当压电换能器表面由于结构振动变形而诱发产生的电荷达到最大 值时，状态开关迅速闭合，使得压电元件上的电能经电路中的一些基本的电子元件，被快速消 耗或实现电压翻转，从而达到振动噪声控制的目的。压电半主动振动噪声控制效果好、所需的 外界能量小、鲁棒性好、性能稳定、系统的体积小、质量轻、适合于宽频带的振动控制，但目 前还未能实现对多模态振动和噪声的有效控制，而实际中的控制对象往往呈现出多模态的振动 形式，这就限制了它在实际工程中应用。 压电被动控制是一种压电分流阻尼技术。它是利用压电材料的正压电效应，将结构振动的 机械能转化为电能，再通过一个外接的电阻或电阻电感电路【i6 1 ，将电能转化为电阻上消耗的 热能，从而产生压电分流阻尼，起到抑制结构振动并进而达到消声的目的。压电被动振动噪声 控制不需要复杂的电路，也不需要任何功率放大器，因此控制系统体积小，重量轻，但是，外 接电路中的大电感要靠外加模拟电路实现；减振作用是由压电材料的机一电转换和电路的电 热转换二者的乘积决定，故控制效果不是很高；特别需要指出的是，压电分流阻尼电路具有一 定的谐振频率，因而减振消声频域范围有限。近年来，随着压电分流阻尼电路的发展，出现了 负电容【1 7 1 和合成阻抗【1 8 1 9 1 压电分流阻尼电路。它们不仅具有传统阻尼电路的优点，还极大地拓 宽了阻尼频域，这给实际工程应用带来了极大的方便。 除了上述三种基本控制方法外，近年还衍生出一种主一被动杂交阻尼技术。它是利用被动 控制技术与主动控制技术相结合，将主动控制子系统和被动阻尼子系统集成在同系统中，从而 可以使主动和被动控制的效应相互补充。主一被动杂交阻尼技术虽然使控制系统变得庞大、复 杂，但是，它继承了主动控制和被动控制的优点，控制效果要优于纯主动和纯被动控制。目前， 研究的主被动杂交压电阻尼系统主要是电感型分支电路的被动阻尼子系统与主动控制子系统 之间的杂交【2 0 2 1 2 2 】，而对其它类型分支电路的被动阻尼子系统与主动控制子系统的研究甚少。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 因此，为了获得其它更有效的杂交振动噪声控制系统，研究其它类型分支电路的主一被动杂交 阻尼系统是有意义的。 1 3 论文的主要研究内容 在一些要求结构简单轻便的场合，往往需要被动控制。从上世纪9 0 年代起，国外就兴起了 对压电被动控制技术的研究，出现了比较多的研究成果，但国内对压电被动控制技术的研究较 晚，与国外存在较大的差距。为了改善这种状况，本文详细推导了压电被动控制的原理，并在 理论推导的基础上，以工程中常见的平板结构为例，进行了以下2 个方面的实验研究工作： ( 1 ) 基于压电分流电路的振动噪声被动控制技术的研究 利用模拟电感电阻串联电路、模拟负电容电阻串联电路、模拟“合成阻抗”电路和数字 ( 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p ) “合成阻抗”电路四种不同的分流电路进行单模态的振动噪声控制。四个 电路均可以达到很好的振动噪声控制效果，但数字式“合成阻抗”电路能实现更精确的电感值， 且电路之间的干扰小，控制效果会更好，适宜控制多模态的振动噪声。此外，还利用“阻塞电 路”搭建l 也串联型的多模态减振电路，实现多模态振动控制。 ( 2 ) 基于自适应“合成阻抗”电路的振动噪声半主动控制技术的研究： 结合自适应滤波器和d s p “合成阻抗”电路的各自优点，提出一种新的基于自适应“合成 阻抗”电路的半主动控制方法。简要介绍自适应l m s 算法，详细阐述自适应“合成阻抗电 路的工作原理，利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片来实现自适应“合成阻抗”电路的硬件与软件， 对平板结构的单多阶振动噪声进行了控制，并从控制效果、工作特性及电路结构等方面与纯被 动控制方法进行对比。 3 基于压电材料的被动及半主动振动噪声控制 第二章压电元件的特性及其被动振动控制的原理 压电被动控制技术具有结构简单，易于实现，不需要大功率能源等优点。近l o 年来，利用 具有分支电路的压电阻尼技术进行结构的振动噪声控制受到人们的重视，已经进行了大量的研 究工作。随着新的理论和方法的出现，压电被动控制技术也在进一步的发展。本章首先简要介 绍压电元件的特性，然后以工程中常见的平板结构为例，详细地分析压电被动控制技术对其振 动控制的基本原理。 2 1 压电元件的特性 智能结构的种类很多，有光纤传感类、电磁变液体驱动类、压电材料传感驱动类、形状记 忆合金传感驱动类，电致伸缩材料驱动类等等。其中由于压电材料具有独特的正、逆压电效应， 不仅可以作为传感器、也可以作为驱动器，并且相对于其他元件具有成本低、重量轻、易于加 工、输出力大、控制方便、易于集成等优点，非常适用于结构的振动噪声控制。 2 1 1 压电效应 自1 8 8 0 年居里兄弟发现石英晶体的压电效应后【2 3 1 ，对压电效应的研究迄今己有1 2 9 年的历 史，但对其研究真正取得长足进展的时期是在两次世界大战期间。 对压电元件施加外力使其形变，就会引起压电元件内部的正、负电荷发生相对位移，并产 生极化，从而在压电材料的相应的两个表面上，形成与外力成比例的异性束缚电荷，这种没有 电场作用，只是由于形变而发生的极化现象称为正压电效应。正压电效应反应了压电材料具有 将机械能转换为电能的能力。检测出压电元件上的电荷变化，即可得知元件或元件埋入处结构 的变形量。利用压电元件的正压电效应可以迅速地将振动、压力等转化为电信号。因此，它可 用作为压电传感器【5 1 。在压电被动振动控制中，正是利用压电元件的正压电效应来感知结构的 动态变化。 当在压电元件极化方向的两表面上施加电压时，压电材料内部的正、负电荷中心就会在外 加电场的作用下，产生相对位移，从而导致压电材料发生机械变形或机械应力，当外电场撤去 时，这些变形或应力会随之消失，这种现象称之为逆压电效应。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。给压电元件施加相应的电压，就可以得到所需的机械变形或应 力。因此，利用逆压电效应，可以将压电元件制成驱动元件。将压电元件粘贴或埋入结构中， 可以使结构变形或改变其应力状态。在压电主动振动控制中，正是利用压电元件的逆压电效应 来产生抑制结构振动的反向驱动力。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 差 = 鼍1 丢曼 差 q 力 s l ls 1 2 s 1 2s l l s 1 3 0 o o q 3 o o o s 1 3 s 1 3 s 3 3 0 o 0 0 o 0 j “ uu o s “ 0 0o 2 ( q l s 1 2 ) ( 2 4 ) 压电效应是反映压电晶体的弹性和介电性相互耦合作用的。压电常数d 是描述压电效应的 物理量，它表明材料的电位移d 与应力r 之间应遵循式( 2 5 a ) 矢量形式的正压电效应一般表达 式，和应变s 与电场e 之间应遵循式( 2 5 b ) 矢量形式的逆压电效应一般表达式： 5 正乃互瓦疋瓦 蜀&舅乳舅风 基于压电材料的被动及半主动振动噪声控制 r ，o ooo d 1 5 0 1 d = i ooo d 1 5 oo i ( 2 6 ) l d 3 l d 3 ld 3 3 oo o s i = s ；t j + d 时e ， q - 曲 见= d 耐乙+ 占二e ( 2 7 b ) 2 2 压电被动振动控制的原理 6 南京航空航天大学硕士学位论文 + ( a ) 物理模型 ( b ) 电模型 图2 1 压电被动控制系统的分析模型 对于图2 1 所示的压电模型，可将压电元件的第一类压电方程( 2 7 ) 简化为： d 3 = d 3 l 互+ d 3 l 互+ 占五色 ( 2 8 a ) s i = s 矗互+ s 是疋+ d 3 l 岛 ( 2 8 b ) 式中，3 方向为压电元件的极化方向，它垂直于平板结构的粘贴表面。通常情况下，压电元 件是粘贴在结构的各阶振动模态的最大应变处，此时，假设压电元件在l 、2 方向上所受的应力 是相等的，那么在乃= 乃条件下，式( 2 8 ) 可化为： d 3 = 2 d 3 l 正+ 占互e ( 2 9 a ) s l = ( 1 一c r ) s # 互+ d 3 l e ( 2 9 b ) 式中，仃= 而2 s i l ，称为压电陶瓷的泊松比。 为了利用电导纳和电阻抗的传统概念，假设电场和电位移是均匀分布的，那么在复数域中， 电压蚝g ) 与电场强度历g ) 之间以及电流厶g ) 与电位移眈( s ) 之间有如下关系： 巧( j ) = 蜗( j ) ( 1 1 0 a ) 厶( j ) = j 崛o ) = 叫3 b ( s ) ( 1 1 0 b ) 7 基于压电材料的被动及半主动振动噪声控制 式中，j i l 是压电元件在3 方向上的厚度，彳3 是正交于3 方向的压电元件的表面积，是压电 元件在l 、2 方向上的边长，j 是拉普拉斯变量。 利用式( 2 1 0 ) ，消去式( 2 9 ) 中的历和d 3 ，可得压电元件外部输入电流厶与电压玛之间的 一般表达式： 厶= 2 叫3 d 3 l 正+ 鸥矗巧j i l ( 2 1 1 a ) s l = ( 1 一盯) s 点互+ d 3 l 巧j j l ( 2 1 l b ) 鸥3 占三= j 口= 】，d ( 占) ( 2 1 2 ) 厅 ， 式中，口为压电片在常应力下的电容：尹o ) 为压电片的开路导纳。利用式( 2 1 2 ) 来简化 输入电流与电压之间的关系式，从而式( 2 1 1 a ) 就变为： l = 2 鸥d 3 l 互+ 】，d 巧 ( 2 1 3 ) 上式是在开路条件下得到的关系式，但在实际的压电被动控制系统中，压电片两端常并联 如图2 1 所示的分流电路z f g ) ，此时，整个电路的电导纳酽g ) 就变为： 铲p ) = y d ( j ) + 酽( s ) ( 2 1 4 ) 式中，铲g ) = 1 z f g ) ，为分流电路的电导纳，z 夕g ) 为分流电路的电阻抗。 由于分流电路z y g ) 的并入，式( 2 1 3 ) 就进一步变为： j 3 = 2 叫3 d 3 l 正+ 铲巧 ( 2 1 5 ) 利用式( 2 1 5 ) ，可求得压电片两极间的电压巧为： 匕= z 尹厶一z 尹2 鲥，d 。五 ( 2 1 6 ) 式中z 尹g ) = l 垆g ) ，为整个电模型的电阻抗。将式( 2 1 6 ) 代入到式( 2 1 l b ) 中，可求得 应变s l 与应力乃和输入电流厶之间的表达式：d 耻卜域一半z 尹卜争巩 眨柳 从上式可知，由于压电分流电路的引入，使得压电片的柔顺系数发生改变。在并联分流电 路的条件下，压电片的柔顺系数为： 船小羔z 刁 眨 又有： 南京航空航天大学硕士学位论文 那么，式( 2 1 8 ) 就可进一步变为： 砟= 扛为压电片的平面耦合系数泣 乏p0 ) = s 口z 尹 为无量纲电阻抗( 2 2 0 ) s = s 轰( 1 一七；铲) ( 2 2 1 ) 上式说明，压电片柔顺系数的改变量依赖于分沉电路的电阻抗和压电片的平面耦合系数。 压电片的平面耦合系数一般是不变的，所以柔顺系数的改变只取决于分流电路的电阻抗。特别 地，利用下面的关系式： z 尹= z f = o 为短路电阻抗( 2 2 2 a ) z 尹= z d = ( c ：s ) 一 为开路电阻抗( 2 2 2 b ) 可得，开路柔顺系数s s 与短路柔顺系数j 矗之间的关系： s 暑= s 翥( 1 一后；) ( 2 2 3 ) 式( 2 2 1 ) 反映了当