CN100572845C - 压电液体惯性隔振器 - Google Patents

Abstract

一种具有主动调谐元件的可调谐隔振器，该隔振器包括壳体、流体腔和至少一个调谐端口。将活塞弹性设置于壳体内。将隔振流体安装在流体腔和调谐端口中。可调谐隔振器可以使用固态调谐物质方法或者液体调谐物质方法。主动振动元件优选地为固态致动器。

Description

压电液体惯性隔振器

技术领域

本发明总体涉及一种主动振动控制。具体而言，本发明涉及对承受谐和或者振荡位移或者力作用的结构或者实体的机械振动进行隔离的方法和设备。本发明适用于航空器领域，尤其是，直升机和其它旋转机翼的航空器。

背景技术

多年以来，人们一直致力于设计用于隔离从振动体传递到其它实体的振动隔振设备。在需要将振荡或者振动设备(诸如，发动机)的振动从结构的其余部分隔离出来的诸多领域中，此类设备十分适用。典型的振动隔离和衰减设备(“隔离器”)采用机械系统元件(弹簧和质量块)的不同组合，对整个系统的频率响应特性进行调整，以在系统中所关心的结构中实现可接受的振动水平。广泛应用这些隔振器的领域之一为航空器，其中，使用隔振系统以将机身或者航空器的其它部分从诸如谐和振动的机械振动中隔离出来，这些谐和振动与推进系统有关，源自航空器的发动机、传动部分和螺旋桨或旋翼。

隔振器与现有技术中被误称为“隔离器”的减震装置明显不同。用于振动的简单力学公式如下：

$F=m\stackrel{\·\·}{x}+c\stackrel{\·}{x}+\mathrm{kx}$

隔振器使用惯性力

来消除弹力(kx)。另一方面，减震装置使用损耗效应

来从振动系统中去除能量。

在设计航空器隔振系统时，一个重要的工程目的是最小化长度、重量和包括隔离设备的横截面在内的整体尺寸。这是与航空器相关的所有工程工作的首要目的。在设计和制造直升机和其它旋转机翼航空器(例如，倾斜旋翼航空器)时显得尤其重要，这是由于需要克服航空器的静负载，并且由此与固定机翼航空器相比一定程度限制了其有效载荷。

在设计隔振系统时，另外一个重要的工程目的是保存工程资源，其已经花费在航空器的其它方面的设计或者隔振系统中。换言之，一个重要的工业目的是增强隔振系统的性能，而无需对现有隔振系统中的所有部件进行根本的再建或者完全重新设计。

在隔振领域中，尤其是应用于航空器和直升机的隔振领域中，标志性开端公开于1980年12月2日向Halwes等共同授权的题为“振动抑制系统(Vibration Suppression System)”的美国专利No.4236607(Halwes‘607)中。在此引入Halwes‘607做为参照。Halwes‘607公开了一种隔振器，其中使用稠密低粘度流体用作“调谐”物，以抵销或者消除通过隔振器传输的振荡力。这种隔振器采用的原理为：振动物的加速度与其位移的相位差为180°。

在Halwes‘607中认为，稠密低粘度流体的惯性特征与活塞结构所引起的液压优势一起，能够控制反相加速度，以产生平衡力，从而削弱或者消除振动。与其现有技术相比，Halwes‘607提供了更加紧凑、可靠和有效的隔振器。Halwes‘607所期望的最初的稠密低粘度流体为水银，其具有毒性和极强的腐蚀性。

从Halwes的早期发明开始，此领域内的多数工作致力于将水银替换为流体，或者改变单个隔振器的动态响应，以削弱不同的振动模式。后者的示例可见于1995年8月8日向McKeown等共同授权的题为“液压惯性隔振器(Hydraulic Inertial Vibration Isolator)”的美国专利No.5439082(McKeown‘082)中。此处引入McKeown‘082做为参照。

有几个因素影响Halwes式隔振器的性能和特征，包括所使用流体的密度和粘性、隔振器部件的相对尺寸等等。此类隔振器设计的一种改进公开于2000年1月4日向Stamps等共同授权的题为“改进隔振的方法和装置(Methodand Apparatus for Improved Isolaion)”的美国专利No.6009983(Stamps‘983)中。在Stamps‘983中，在调谐通道的各个端部使用复合半径，以显著地提高隔振器性能。此处引入Stamps‘983做为参照。

发明内容

尽管上述发明表示了隔振器领域中的巨大进步，但是存在一些不足，尤其是在对隔振器进行主动调谐的能力方面。

因此，本发明的目的在于提供一种隔振系统，其中可以对隔振器进行主动调谐。

本发明的另一目的在于提供一种隔振器，允许隔振器的主动调谐以及对多重谐波进行同时振动处理。

本发明的另一目的在于提供一种隔振器，允许隔振器的主动调谐，以及允许主动“负”阻尼而产生接近零的振动传输率。

本发明的另一目的在于提供一种隔振器，允许通过使用用以致动的压电元件对隔振器进行主动调谐。

这些和其他目的可以通过提供一种具有主动调谐元件的可调谐隔振器得以实现，该可调谐隔振器包括壳体，该壳体确定流体腔。将活塞设置于壳体内。将隔振流体设置于流体腔内。具有预定直径的通道穿过活塞延伸，以允许隔振流体从一个流体腔流到另一流体腔。可调谐隔振器可以采用固态调谐物质(tuning mass)方法或者流体调谐物质方法。在任一种情况下，将主动调谐元件或致动器设置在流体腔中，以选择性地改变隔振器的动态特性。

优选地，由在该通道的预定长度上延伸的复合半径确定相对扩大部分。

在随后的书面描述中，将可以明晰其它的目的、特征和优点。

附图说明

在所附权利要求中描述了认为是本发明特征的新颖性特征。然而，通过结合附图参照随后的详细描述，将极好地理解本发明本身、优选使用模式及其进一步特征和优点。其中：

图1是根据本发明的直升机的透视图；

图2A是在飞机模式中根据本发明的倾斜旋翼航空器的俯视图；

图2B是在直升机模式中根据本发明的倾斜旋翼航空器的透视图；

图3是在飞机模式中根据本发明的四轮倾斜旋翼航空器的透视图；

图4A是现有技术液体惯性减振器的剖视图；

图4B是图4A的现有技术惯性减振器的作用力示意图；

图4C是图4A的现有技术惯性减振器的振幅-频率特性曲线图；

图5A是根据本发明的可调谐隔振器优选实施例的机械等效模型；

图5B是图5A的可调谐隔振器横截面的简化示意图；

图6A是根据本发明的可调谐隔振器可选实施例的机械等效模型；

图6B是图6A的可调谐隔振器横截面的简化示意图；

图7A是根据本发明的可调谐隔振器的另一可选实施例的机械等效模型；

图7B是根据本发明的可调谐隔振器的另一可选实施例横截面的简化示意图；

图7C是根据本发明的可调谐隔振器的另一可选实施例横截面的简化示意图；

图7D是根据本发明的可调谐隔振器的另一可选实施例横截面的简化示意图；

图8是根据本发明的可调谐隔振器的优选实施例的剖视图；

图9显示的是根据本发明的可调谐隔振器的可选实施例的剖视图；

图10是用于根据本发明的隔振器的频率阶跃变化机构的剖视图；

图11是根据本发明的隔振器的流体结构模型的透视图；

图12是根据本发明的可调谐隔振器的垂直速度-机身位置曲线；

图13是示出沿着图8的XIII-XIII剖开的根据本发明的两组三个主动可调谐元件的结构的剖面示意图；

图14是图8的可调谐隔振器的可选实施例的剖视图；

图15是图14的偏流器的放大透视图；

图16是根据本发明的可调谐隔振器的另一可选实施例的剖面示意图；

图17A是根据本发明的可调谐隔振器的另一可选实施例的剖视图；

图17B是示出图17A的可调谐隔振器的主动衰减示意图；

图18是根据本发明的可调谐隔振器的另一可选实施例的剖视图；

图19A-19C是图18的隔振器的流体调谐端口的隔离频率、面积比以及转折的长度和数目的方程；

图20A和20B是根据本发明的可调谐隔振器的另一可选实施例的剖视图；

图21是图17A、17C、18、20A和20B的可调谐隔振器的可选实施例的机械等效模型；

图22A是以剖视图示出根据本发明的可调谐隔振器的可选实施例简化示意图；

图22B是图22A的可调谐隔振器的机械等效模型；

图23A是以剖视图示出根据本发明的可调谐隔振器的可选实施例简化示意图；

图23B是图23A的可调谐隔振器的机械等效模型；

图24是一组根据本发明的海军舰艇或者船只的柴油机的振动曲线图；

图25A是用于海军舰艇或者船只的LIVE装置的简化示意图；

图25B是图25A的LIVE装置的机械等效模型；

图26A-26C是图25A的LIVE装置的示例性机械设计的剖视图和透视图；以及

图27是示出图26A-26C的LIVE装置的振动衰减曲线图。

具体实施方式

参照图1，示出根据本发明的直升机11。直升机11具有机身13和主旋翼组件15，该主旋翼组件包括主旋翼叶片17和主旋翼轴18。直升机11具有尾部旋翼组件19，其包括尾部旋翼叶片21和尾部旋翼轴20。主旋翼叶片17通常围绕主旋翼轴18的垂直轴16进行旋转。尾部旋翼叶片21通常围绕尾部旋翼轴20的水平轴22进行旋转。直升机11还包括根据本发明的隔振系统，用于使机身13或者直升机11的其它部分与诸如谐和振动的机械振动隔离，这些谐和振动与推进系统有关，并且源自直升机11的发动机、传动装置和旋翼。

本发明也可以用在其它类型的旋转机翼航空器。参照图2A和图2B，示出根据本发明的倾斜旋翼航空器111。与传统的倾斜旋翼航空器一样，旋翼组件113a和113b由机翼115a和115b承载，并且分别位于机翼115a和115b的末端116a和116b。倾斜旋翼组件113a和113b包括引擎机舱120a和120b，引擎机舱120a和120b承载倾斜旋翼航空器111的发动机和传动装置，以及分别位于倾斜旋翼组件113a和113b的前端121a和121b的旋翼轮轴119a和119b。

倾斜旋翼组件113a和113b在直升机模式和飞机模式之间相对机翼元件115a和115b移动或者旋转，其中在直升机模式中，倾斜旋翼组件113a和113b向上倾斜，从而倾斜旋翼航空器111像传统直升机一样飞行；在飞机模式中，倾斜旋翼装置113a和113b向前倾斜，从而倾斜旋翼航空器111像传统螺旋桨驱动飞机一样飞行。在图2A中，倾斜旋翼航空器111示于飞机模式中；而在图2B中，倾斜旋翼航空器111示于直升机模式中。如图2A和2B所示，机翼115a和115b连接于机身114。倾斜旋翼航空器111还包括根据本发明的隔振系统，用于使倾斜旋翼航空器111的机身114或者其它部分与诸如谐和振动的机械振动隔离。这些机械振动与推进系统有关，并且源自倾斜旋翼航空器111的发动机、传动装置和旋翼。

下面参照图3，示出根据本发明的四轮倾斜旋翼航空器211。与图2A和2B的倾斜旋翼航空器一样，旋翼组件213a、213b、213c和213d分别由前机翼215a、215c和后机翼215b、215d支承。倾斜旋翼组件213a、213b、213c和213d包括引擎机舱220a、220b、220c和220d，引擎机舱220a、220b、220c和220d承载四轮倾斜旋翼航空器211的发动机和传动装置，以及分别位于倾斜旋翼组件213a、213b、213c和213d前端的旋翼轮轴219a、219b、219c和219d。

倾斜旋翼组件213a、213b、213c和213d在直升机模式和飞机模式之间相对于机翼元件215a、215b、215c和115d移动或者旋转，其中，在直升机模式中，倾斜旋翼组件213a、213b、213c和213d向上倾斜，从而四轮倾斜旋翼航空器211像传统直升机一样飞行；在飞机模式中，倾斜旋翼组件213a、213b、213c和213d向前倾斜，从而四轮倾斜旋翼航空器211像传统螺旋桨驱动飞机一样飞行。在图3中，四轮倾斜旋翼航空器211示于飞机模式中。如图3所示，机翼215a、215b、215c和215d连接于机身214。倾斜旋翼航空器211还包括根据本发明的隔振系统，用于使倾斜旋翼航空器111的机身214或者其它部分与诸如谐和振动的机械振动隔离，这些机械振动与推进系统有关，并且源自倾斜旋翼航空器211的发动机、传动装置和旋翼。

应当理解，本发明可以用于任何航空器，包括远程航行的无人驾驶飞行器，在这些航空器上需要进行根据本发明的隔振。

下面参照图4A，示出用于航空器上的现有技术液体惯性减振器(LIVE单元)327。现有技术LIVE单元327包括壳体343，其具有通常为圆柱形中空内部。将选定横截面直径的活塞347设置于壳体343的内部。壳体343通常连接于航空器的机身(未显示)，而活塞347通常通过位于连接支架363的外挂架组件(pylon assembly)连接于航空器的传动和推进系统(未显示)。在此结构中，机身用作从振动中隔离出的主体，而航空器的传动装置用作振动体。弹性体密封件和弹簧元件349将活塞347弹性密封在壳体343的内部。

流体腔361由壳体343的内部和活塞347限定，并且由弹性体元件349密封以防止泄漏。将已知密度的、低粘度隔振流体(也称为调谐流体)设置于流体腔361内。除了将隔振流体密封在流体腔361内之外，弹性体元件349还用作弹簧，以使得活塞347相对于壳体343进行移动或者振荡，同时当没有施加负载时就将活塞347保持在中央位置。

调谐端口或者通道357穿过活塞347的中心延伸，并且允许隔振流体从流体腔361的一端流动到另一端。锥形偏流器351配置在壳体343的每一端，并且与调谐端口357每一端的开口对齐并且与之相对。在隔振流体从流体腔的每一端流入和流出通道357时，通过对隔振流体进行减速，各锥形偏流器351均可以增强流体流动。

下面参照图4B，示出图4A中的现有技术LIVE单元327的机械等效模型375。在机械等效模型375中，方块377表示机身的质量M_机身；方块379表示外挂架组件的质量M_外挂架；而方块381表示调谐物质(在此情况下为隔振流体)质量M_t。振动力Fsin(ωt)由发动机、传动和推进系统产生。振动力Fsin(ωt)为传动和推进系统的振动频率的函数。

振动力Fsin(ωt)引起外挂架组件的振荡位移u_p、机身的振荡位移u_f、调谐物质的振荡位移u_t。弹性体元件349由设置于机身M_机身和外挂架组件M_外挂架之间的弹簧381表示。弹簧381的弹性系数(spring constant)为K。

机械等效模型375中，如果从连接于外挂架组件M_外挂架的第一支点383和连接于机身M_机身的第二支点385悬臂伸出，则调谐物质M_t起作用。从第一支点383到第二支点385的距离a表示调谐端口357的横截面积，从第一支点383到调谐物质M_t之间的距离b表示活塞的有效横截面积，从而面积比或液压比R等于b/a。机械等效模型375产生该系统运动的以下等式：

显而易见，无法获得主动调谐LIVE单元327的任何方式。一旦确定了调谐端口357和活塞的横截面积，并且选定了调谐流体，则设定了LIVE单元327的操作，并且如果不改变这些特征中的一个或者多个，则无法改变该操作。另一方面，本发明提供了一种在操作中对LIVE单元的功能进行主动调谐的装置。

下面参照图4C，示出LIVE单元327和机械等效模型375的振幅-频率特性曲线图。

下面参照图5A，示出根据本发明的可调谐隔振器优选实施例的机械等效模型401。优选地，本发明的可调谐隔振器用于使由航空器(例如，航空器11、111和211)的传动和推进系统所产生的振动与机身(例如，机身14、114和214)相隔离(参见图1-3)。然而，应当理解，尽管此处针对航空器应用对本发明的可调谐隔振器进行描述，但是其可以用于对主体之间的振动进行隔离的任何应用中。本发明优选实施例的下列描述将针对将可调谐隔振器用于四轮倾斜旋翼航空器211(参见图3)，以使机身214与前机翼215a、215c中产生的振动力相隔离。

在机械等效模型401中，机身214表示为机身质量M_机身或者方块403；机翼215a、215c表示为机翼质量M_机翼或者方块405；而方块407表示调谐物质的质量M_t，在本发明中，调谐物质可以是设置于调谐端口中的杆件，或者仅是设置于调谐端口中的隔振流体，如下详细描述所示。在优选实施例中，调谐物质为钨杆。振动力Fsin(ωt)由机翼215a顶部的引擎机舱220a所承载的发动机、传动和推进系统产生。力Fsin(ωt)为主要由传动和推进系统所产生的机翼振动频率的函数。

力Fsin(ωt)引起机翼M_机翼的振荡位移μ_机翼、机身M_机身的振荡位移μ_机身和调谐物质M_t的振荡位移μ_调谐物质。对于现有技术LIVE单元327，将由弹簧409表示的弹簧元件设置于机身M_机身和机翼M_机翼之间。弹簧409的弹性系数为K。下面将更为详细地对弹簧409进行描述。

调谐物质M_t可操作地与机身M_机身和机翼M_机翼结合。在机械等效模型401中，如果从连接于外挂架组件M_外挂架的第一支点411和连接于机身M_机身的第二支点413悬臂伸出，则调谐物质M_t起作用。从第一支点411到第二支点413的距离a表示调谐杆或者端口横截面积，从第一支点411到调谐物质M_t之间的距离b表示活塞的有效横截面积(参见图5B的455)，从而面积比或液压比R等于b/a。

主动调谐元件415设置于机翼元件M_机翼和调谐物质M_t之间。主动调谐元件415使得支点411振动。应当理解，主动调谐元件415可以表示一起工作或者单独工作的多个主动调谐元件。在优选实施例中，使用了3对主动调谐元件415，稍后将对其进行详细描述。在优选实施例中，主动调谐元件为压电陶瓷元件，其在从大约16.6Hz到19.9Hz的范围内进行振荡，以抵消机翼元件M_机翼的振动。应当理解，主动调谐元件415可以包括其他智能材料，诸如电致伸缩材料、磁致伸缩材料，或者包括其它装置，诸如电磁、气动、液压或者其它可能的装置。

主动调谐元件415可以由包括具有弹性系数为kp的弹簧元件417、物质Mp和可控力元件421的机械性能表示。可控力元件421可以具有任何相角，并且处于主动调谐元件415的最大性能范围内的任何数量。主动调谐元件415还包括控制电路(未显示)，用于控制对主动调谐元件415的致动。主动调谐元件415允许选择性致动调谐物质。机械等效模型401产生该系统运动的以下等式：

下面参照图5B，示出根据本发明的隔振器451的优选实施例的简化示意图。隔振器451包括壳体453，其具有通常为圆柱形的中空内部。壳体453通常连接于航空器的机身，即与振动相隔离的主体。将选定横截面直径的活塞设置于壳体453的内部。通常将活塞455连接于航空器的机翼，即振动源。第一弹性体密封件和弹簧元件457将活塞455弹性密封在壳体453的内部中。

流体腔459由壳体453的内部和活塞455限定。将已知密度的隔振流体461(也称为调谐流体)设置于流体腔459内。调谐流体461优选为非腐蚀的和环保的，具有低粘度和相对高的密度。除了将隔振流体461密封在流体腔459内之外，第一弹性体元件457还用作弹簧，以使得活塞455相对于壳体453进行移动或者振荡，同时当没有施加负载时使活塞455保持在壳体453的中央位置。调谐端口463穿过活塞455的中央进行延伸，并且允许隔振流体461从流体腔459的一端流动到另一端。

第一致动活塞465在隔振器451一端设置于流体腔461中。第二致动活塞467在隔振器451另一端设置于流体腔461中。第二弹性体密封件和弹簧元件469弹性地将第一致动活塞465密封在壳体453的内部中。类似地，第三弹性体密封件和弹性元件471弹性地将第二致动活塞467密封在壳体453的内部中。可操作地与第一致动活塞465结合的第一可调谐主动调谐元件473连接于壳体453。类似地，可操作地与第二致动活塞467结合的第二可调谐主动调谐元件475连接于壳体453。第一和第二主动调谐元件473、475均电性连接于控制电路(未显示)，以分别控制对第一和第二致动活塞465、467的致动。

在该简化示意图中，发动机、传动和推进系统生成振荡力，经由产生活塞455的振荡位移u_机翼的机翼元件进行传输。经由壳体453，活塞455的位移u_机翼通过弹性元件457将传输到航空器的机身，从而产生位移u_机身。调谐端口463内的调谐流体461使活塞455的振荡位移u_机翼与调谐流体461的位移u_调谐物质相对。另外，由控制电路对第一和第二主动调谐元件473、475进行控制，以选择性地致动第一和第二致动活塞465、467，从而使第一和第二致动活塞465、467产生位移u_致动器。以选定频率和振幅对第一和第二致动活塞465、467进行的致动增强了调谐流体461的位移u_调谐物质，并且消除了源自机翼元件的振荡力的频率。以此方式，源自发动机、传动和推进系统的振荡性振动不会通过机翼元件传输到机身。

应当理解，主动调谐元件415的位置不会影响其功能。在图6A和6B中示出了这种情况。图6A中再次示出了机械等效模型401。图5A和图6A中的机械等效模型401之间的唯一差别在于主动调谐元件415的位置。在图5A中，主动调谐元件415位于机翼元件M_机翼和调谐物质M_t之间；然而，在图6A中，主动调谐元件415位于机身M_机身和调谐物质M_t之间。换言之，主动调谐元件415可以作用在振动体或者将与振动相隔离的主体上。用于图6A系统的运动等式与用于图5A系统的运动等式类似。

下面参照图6B，示出根据本发明的隔振器551的可选实施例的简化示意图。隔振器551包括壳体553，其具有通常为圆柱形的中空内部。壳体553通常连接于航空器的机身，即与振动相隔离的主体。选定横截面直径的活塞555设置于壳体553的内部中。通常通过延伸到壳体553外面并且围绕壳体553的安装架556，将活塞555连接于航空器的机翼，即振动源。第一弹性体密封件和弹簧元件557将密封活塞555弹性密封在壳体553的内部中。

流体腔559由壳体553的内部和活塞555限定。在形式和功能上与调谐流体461相似的已知密度的隔振流体561设置于流体腔559内。优选地，调谐流体561为非腐蚀的和环保的、并且具有低粘度和相对高密度的特征。除了用于对流体腔559内的调谐流体561进行密封外，第一弹性体元件557还用作弹簧，以使活塞555相对壳体553进行移动或者振荡，同时在没有施加载荷时使活塞555保持在壳体553的中央位置。调谐端口563穿过活塞555的中央延伸，使调谐流体561从流体腔559的一端移动到另外一端。

致动组件560在安装点562连接于航空器的机翼。第一可调谐主动调谐元件573设置于致动组件560内，从而第一主动调谐元件573可以在一个方向作用在安装架556上，优选地与调谐端口563同轴。类似地，第二可调谐主动调谐元件575设置于致动组件560内，从而第二主动调谐元件可以在与第一主动调谐元件577作用方向相反的方向作用在安装架556上。通过致动组件560的孔569和571允许安装架556相对于致动组件560进行移动。致动组件560通过弹簧542连接于安装架556。由于第一和第二主动调谐元件573、575作用在安装架556上，所以对第一和第二主动调谐元件573、575的致动由安装架556传输到活塞555。第一和第二主动调谐元件573、575电性连接于控制电路(未显示)，以控制对安装架556的致动。

在该简化示意图中，发动机、传动和推进系统生成振荡力，该振荡力通过机翼元件进行传输，产生活塞555的振荡位移u_机翼。经由壳体553，活塞555的位移u_机翼通过弹性元件557传输到航空器的机身，从而产生位移u_机身。调谐端口563内的调谐流体561使活塞555的振荡位移u_机翼与调谐流体561的位移u_调谐物质相对。另外，控制电路对第一和第二主动调谐元件573、575进行控制，以选择性地致动安装架556，从而使致动组件560产生位移u_致动器。以选定频率和振幅对致动组件进行的致动增强了调谐流体561的位移u_调谐物质，并且消除了源自机翼元件的振荡力的频率。以此方式，源自发动机、传动和推进系统的振荡振动不会通过机翼元件传输到机身。

下面参照图7A-7D，示出根据本发明的隔振器另外的可选实施例的简化示意图。图7A中示出了根据本发明的隔振器651的简化示意图。隔振器651包括壳体653，其具有通常为圆柱形的中空内部。壳体653通常连接于航空器的机身，即与振动相隔离的主体。选定横截面直径的活塞655设置于壳体653的内部中。活塞665通常经由外挂架安装架656连接于航空器的机翼，即振动源。第一弹性体密封件和弹簧元件657将密封活塞655弹性密封在壳体653的内部中。

流体腔659由壳体653的内部和活塞655限定。已知密度的隔振流体661设置于流体腔659内。除了用于对流体腔659内的调谐流体661进行密封外，第一弹性体密元件657还用作弹簧，以使活塞655相对壳体653进行移动或者振荡，同时在没有施加载荷时使活塞655保持在壳体653的中央位置。调谐端口663穿过活塞655的中央延伸，以使调谐流体661可以从流体腔659的一端移动到另一端。调谐物质或者调谐杆660位于调谐端口663中。调谐杆660在调谐端口内振荡，以响应活塞655和调谐流体661的振荡移动。穿过活塞655的多个可选旁路端口(未显示)限制了调谐杆660的轴向运动。

第一可调谐主动调谐元件673在流体腔659的一端设置于壳体653内。类似地，第二可调谐主动调谐元件675在流体腔659的另一端设置于壳体653内。液压比R等于第一和第二主动调谐元件673、675的面积A₀与调谐端口663的面积A_j之比。

在图7B中，示出根据本发明的另一隔振器681的简化示意图。隔振器681包括壳体683，其具有通常为圆柱形的中空内部。壳体683通常连接于航空器的机身，即与振动相隔离的主体。选定横截面直径A_j的活塞685设置于壳体683的内部。在本实施例中，活塞685通常连接于航空器的底板，即振动源。弹性体密封件和弹簧元件688将密封活塞685弹性密封在壳体683的内部中。

流体腔687由壳体683的内部和活塞685限定。已知密度的隔振流体设置于流体腔687内。除了用于对流体腔687内的调谐流体进行密封外，弹性体元件688还用作弹簧，以使活塞685相对壳体683进行移动或者振荡，同时在没有施加载荷时使活塞685保持在壳体683的中央位置。

可调谐主动调谐元件689在流体腔687的一端设置于壳体683内。主动调谐元件689的横截面积为A₀。液压比R等于主动调谐元件689的横截面积A₀与活塞685的横截面积A_j之比。在本实施例中，没有调谐端口或者调谐物质，主动调谐元件689通过流体作用在活塞685，以抵消由航空器的底板传输到活塞685的振荡力。

在图7C中，示出根据本发明的另一隔振器691的简化示意图。隔振器691由首尾相连的两个隔振器681组成。隔振器691包括壳体693，其具有通常为圆柱形的中空内部。壳体693通常连接于航空器的机身，即与振动相隔离的主体。选定横截面直径A_j的活塞695位于壳体693的内部中。在本实施例中，活塞695通常连接于航空器的底板，即振动源。第一弹性体密封件和弹簧元件697将密封活塞695弹性密封在壳体683的内部中。

第一流体腔699由壳体693的内腔和活塞695限定。类似地，第二流体腔701由壳体693的内部和活塞695限定。不可压缩流体703设置于流体腔699和701内。除了用于对流体腔699和701内的流体703进行密封外，弹性体元件697还用作弹簧，以使活塞695相对壳体693进行移动或者振荡，同时在没有施加载荷时使活塞695保持在壳体693的中央位置。

第一可调谐主动调谐元件705在流体腔699的一端设置于壳体693内。类似地，第二可调谐主动调谐元件707在流体腔701的另一端设置于壳体693内。主动调谐元件705、707的横截面积为A₀。液压比R等于第一和第二主动调谐元件705、707的横截面积A₀与活塞695的横截面积A_j之比。在本实施例中，没有调谐端口或者调谐物质；主动调谐元件705、707通过流体703作用在活塞695，以抵消由航空器的底板传输到活塞695的振荡力。可选的小通道709可以穿过活塞695，以使流体腔699与流体腔701保持流体连通。通道709允许活塞695进行非常低频率的平均移动(mean shift)。

在图7D中，示出根据本发明的另一隔振器721的简化示意图。除活塞组件配置不同之外，隔振器721与图5B中的隔振器451类似。隔振器721包括壳体723，其具有通常为圆柱形的中空内部。壳体723通常连接于航空器的机身，即与振动相隔离的主体。选定横截面直径的活塞725位于壳体723的内部中。活塞725通常连接于航空器的机翼或发动机，即振动源。第一弹性体密封件和弹簧元件727将密封活塞725弹性密封在壳体723的内部中。

流体腔729由壳体723的内腔和活塞725限定。已知密度的隔振流体731(也称为调谐流体)设置于流体腔729内。优选地，调谐流体731为非腐蚀的和环保的，并且具有低粘度和相对高密度的特征。流体腔729包括位于活塞725任一侧的中央流体通道733a和733b。

除了对流体腔729内的调谐流体731进行密封外，第一弹性体元件727还用作弹簧，以使活塞725相对壳体723进行移动或者振荡，同时在没有施加载荷时使得活塞725保持在壳体723的中央位置。调谐端口735穿过活塞725的中央延伸并允许调谐流体731从流体腔729的一端移动到另一端。在此实施例中，调谐端口735可以具有约0.03英寸的直径。

第一致动活塞737在隔振器721的一端设置于流体腔729内。第二致动活塞739在隔振器721的另一端设置于流体腔729内。第二弹性体密封件和弹簧元件741将第一致动活塞737弹性密封在壳体723的内部。类似地，第三弹性体密封件和弹簧元件743将第二致动活塞739弹性密封在壳体723的内部。可操作地与第一致动活塞737结合的第一可调谐主动调谐元件745连接于壳体723。类似地，可操作地与第二致动活塞739结合的第二可调谐主动调谐元件747连接于壳体723。第一和第二主动调谐元件745、747分别电性连接于控制电路(未显示)，以控制对第一和第二致动活塞737和739的致动。

在该简化示意图中，发动机、传动和推进系统生成振荡力，该振荡力通过机翼元件进行传输，引起活塞725的振荡位移u_机翼。经由壳体723，活塞725的位移u_机翼通过弹性体元件727传输到航空器的机身，引起位移u_机身。中央流体通道733a、733b和调谐端口735内的调谐流体731使活塞725的振荡位移u_机翼与调谐流体731的位移u_调谐物质相对。另外，控制电路控制第一和第二主动调谐元件745、747，以选择性地致动第一和第二致动活塞737、739，从而使第一和第二致动活塞737、739产生位移u_致动器。以选定频率和振幅对第一和第二致动活塞737、739进行的致动增强了调谐流体731的位移u_调谐物质，并且消除了源自机翼元件的振荡力的频率。以此方式，源自发动机、传动和推进系统的振荡振动不会通过机翼元件传输到机身。

具体而言，图7C和7D的实施例提供了一种独特性能：即通过从振荡压力中隔离较大的稳定平均压力而从主动调谐元件705、707、745和747中消除高的稳定压力。这就通过使用于形成主动调谐元件705、707、745和747的材料处于允许的压力之内，而使允许更有效地操作主动调谐元件705、707、745和747。如果没有这些装置，则由于地-空-地循环而导致高的稳定压力，其中外挂架或机翼元件处于静止时开始压缩隔振器。当升力增加时，负载被提升至零压缩荷载，并且从而机身悬挂于隔振器，使隔振器处于受拉状态。这引起非常大的平均压力。例如，如果主动调谐元件705、707、745或747为压电陶瓷材料，其将具有约2000到4000磅/平方英寸的最大工作压力。通过消除大的平均压致移动，主动调谐元件705、707、745和747能够更为有效地无故障运行。

下面参照8和13，以剖视图示出根据本发明的LIVE单元801的物理配置的优选实施例。尽管此处以“上面”部件和“下面”部件对LIVE单元801进行描述，但是应当理解，LIVE单元801的功能与方向无关。LIVE单元801安装于航空器11、111或211上。LIVE单元801包括壳体803，该壳体803具有通常为圆柱形的中空内部，该内部具有纵轴802。壳体803在安装孔804处连接于航空器的机身，即与振动相隔离的主体。选定横截面直径的活塞805位于壳体803的内部中。活塞805连接于航空器的机翼元件，即振动源，稍后对其进行说明。活塞805包括上凸缘807和相对的下凸缘808。

上凸缘807连接于上弹性体密封元件809，而下凸缘808连接于下弹性体密封元件810。上、下弹性体密封元件809和810包括：内钢环809a和810a，用于与活塞的上凸缘807和下凸缘808连接；中央弹性体密封件809b和810b，以将调谐流体841密封在LIVE单元801内；外部钢环809c和810c，用于分别与上间隔件814和下间隔件816连接。优选地，上和下弹性体密封元件809和810均具有大约为6.00英寸的有效直径。

上流体腔831通常由上凸缘807、上弹性体密封元件809和上罩833限定。上罩833包括安装孔835，安装孔835用于将LIVE单元801连接于航空器的机翼元件。类似地，下流体腔837由下凸缘808、下弹性体密封元件810和下罩839限定。在上和下流体腔831和837中充满隔振流体或者调谐流体841。优选地，调谐流体841为低粘度硅油。此调谐流体841具有良好的润滑性和低密度。使用具有适当低的密度的实际不可压缩流体降低了上和下流体腔831和837中的附加重量。

上凹板811与上凸缘807进行力传导接触。类似地，相对的下凹板813与下凸缘808进行力传导接触。上凹板811和下凹板813配置为容纳多个活塞接纳板(piston receiver plate)815。类似地，壳体803配置为容纳多个壳体接纳板(housing receiver plate)817。活塞接纳板815和壳体接纳板817进行配对，从而每一对安装多个主动调谐元件819a和819b中之一。主动调谐元件通过电线820电性连接于控制电路(未显示)并且由控制电路进行控制，其中电线820穿过壳体803的孔824。在优选实施例中，主动调谐元件819a和819b为压电陶瓷元件，在约16.6Hz(飞机模式运行)到约19.9Hz(直升机模式运行)的频率范围内进行振荡，以抵消机翼元件的振动。应当理解，主动调谐元件819a和819b可以包括其他智能材料，诸如电致伸缩材料、磁致伸缩材料，或者可以包括其它装置，诸如电磁、气动、液压或者其它可能的装置。

主动调谐元件819a和819b应当仅在纵向上起作用。因此，在本发明的优选实施例中，6个主动调谐元件围绕LIVE单元801空间对齐，从而3个从壳体803的上面部分(即819b)向下延伸；3个从壳体803的下面部分(即819a)向上延伸。由于3点确定一个平面，所以上凹板811和下凹板813与活塞的上凸缘807和下凸缘808的配合用于平衡三对主动调谐元件819a和819b之间的负载。主动调谐元件819a和819b中的负载基本上保持于轴802的轴向，从而最小化力矩。为了进一步降低不需要的力矩，各个主动调谐元件819a和819b的各端均具有半球形端盖821；并且在各个端盖821与各个活塞接纳板815和各个壳体接纳板817之间设置薄弹性体层界面823。另外，上防转弯曲部分845设置于壳体803和上凹板811之间，并且连接于壳体803和上凹板811。类似地，下防转弯曲部分847设置于壳体803和下凹板813之间，并且连接于壳体803和下凹板813。优选地，上防转弯曲部分845和下防转弯曲部分847为钢带，其确保上凹板811和下凹板813可以相对于壳体803在轴向移动，而不会相对于壳体803旋转。

上弹簧板组件861和下弹簧板组件863提供壳体803和活塞805之间的弹力。上弹簧板组件861和下弹簧板组件863提供约300000磅/平方英寸的刚度。上弹簧板组件861和下弹簧板组件863配置为允许活塞805相对于壳体805进行轴向振荡。

LIVE单元801的部件由多个紧固件851进行弹性固定在一起。这些紧固件851将下盖839、下间隔件816、下弹簧板组件863、壳体803、上弹簧板组件861、上间隔件814和上盖833排列起来并夹持在一起。

中央通道871穿过活塞805中心的轴向延伸。在优选实施例中，中央通道871容纳管状轴873。通过将凸缘部分879夹持于保持环875和877之间，而将管状轴873保持在调谐中央通道871中。销880可以用于确保保持环877到位。

管状轴873包括轴向调谐端口881，其直径优选为约0.687英寸。调谐物质883为滑动设置于调谐端口881内的刚体。优选地，调谐物质883是钨棒。调谐物质883可以是至少两种不同重量中之一：(1)处于16.6Hz下的飞机模式运行的较重重量；(2)处于19.9Hz下的直升机模式运行的较轻重量。在调谐物质883超过行程时，上缓冲器860和下缓冲器862保护调谐物质883、上盖833和下盖839不受损坏。

当调谐物质883响应源自航空器的机翼元件的振荡力而在调谐端口881内上下滑动时，上导环885和下导环887与调谐物质883对齐并且引导调谐物质833，其中上导环885和下导环887均优选地由黄铜制成。另外，根据调谐物质883的轴向位置，上导环885和下导环887允许开启上单向旁路端口889和下单向旁路端口891。在诸如地-空-地循环或者操纵时出现稳定或者准稳定负载的较大变化时，上、下旁路端口889和891防止调谐物质超行程。上、下旁路端口889和891为上和下流体腔831和837之间提供流体连通，并且当调谐物质883的振荡运动的振幅足够大时，平衡上、下流体腔831和837中的流体压力，从而限制调谐物质883的振幅。从而，当导环885和887的行程超过最近的旁路端口889或者891时，就平衡上、下流体腔831和837中的压力，并且调谐物质883的速度到达最高点。

单向挡板阀(未显示)位于旁路通道中并覆盖旁路端口889和891的后部。旁路通道和相关的单向挡板阀用于调谐端口881内轴向对中振荡的调谐物质883。

下面参照图9，以剖视图示出根据本发明的隔振器901的物理配置的可选实施例。除采用管状流体端口(tulubar flow port)903代替管状轴873和调谐物质883之外，隔振器901的所有部件在形式和功能上与LIVE单元801相同。管状流体端口903包括中央调谐通道904。管状流体端口903配置为密封上、下旁路阀889和891。在隔振器901中不需要固体调谐物质。换言之，LIVE单元801使用固体调谐物质方法，而隔振器903使用液体调谐物质方法。

优选地，中央调谐通道904的直径使得液体调谐物质的面积比或液压比R等于360。该放大率可以由于高的流体速度而产生高的粘性阻尼。然而，这种方法降低了设计复杂性。

在图9的液体调谐物质方法中，调谐流体906优选地为非腐蚀的和环保的，并具有低粘度和相对高密度。在图8的固体调谐物质方法中优选的硅油，不用于液体调谐物质方法，这是因为液体调谐物质需要具有较高的密度和稍低的粘度。尽管调谐物质液体的润滑性不如硅油好，但是由于在液体调谐物质方法中没有滑动部件，因此不需要良好的润滑性。

下面参照图10，示出频率阶跃变化机构951。频率阶跃变化机构951允许阶跃调谐，以对在诸如16.6Hz和19.9Hz的两个不同频率的主要振动进行处理。频率阶跃变化机构951可以用于代替上和下弹性体密封件809和810。频率阶跃变化机构951包括外部壳体953、内部壳体955和中间环957。内部壳体955和中间环957之间设置内部上弹性体959和内部下弹性体961。内部壳体955和中间环957之间设置外部上弹性体963和外部下弹性体965。梭式销(shuttle pin)966将中间环957固定于内部壳体955或者外部壳体953。当固定于内部壳体955时，有效活塞半径为r₁。当固定于外部壳体953时，有效活塞半径为r₂。例如，对于图9的液体调谐方法，活塞外径r₁产生面积比R＝360.5，从而提供16.6Hz的被动(开环)隔振频率。为了将隔振频率增加到19.9Hz，则必须将面积比R降低到大约300。其实现方法为：将定位销966径向向内滑动，从而锁定外上部和外下部弹性体963和965，而放松内上部和内下部弹性体959和961，从而活塞半径变成r₂。当脱开内部和外部弹性体时，降低了活塞半径，面积比R降低到300.8。

下面参照图11，示出本发明的隔振器973的结合流体结构模型。创建并分析隔振器973的计算机生成分析模型，以确定主动调谐元件输入处的驱动点刚度。通过将调谐物质970固定在活塞972，对隔振器973的静刚度进行了分析。将致动力作用于叠层致动器974，并且计算驱动点位移。通过分析，将驱动点刚度确定为与六个压电陶瓷致动器的总轴向刚度大致相同。这样，因为将某些致动器运动用于对隔振器973的结构进行弹性限制，而不是在对调谐物质972加速时提供有用功，所以降低了效率。

下面参照图12，示出根据本发明的可调谐隔振器的垂直速度-机身位置的计算机生成曲线975，其中的可调谐隔振器与用于图3的四轮倾斜旋翼航空器211的相同。曲线975示出本发明隔振器的机身振动包络线。区域977为表示无隔离振动的高基线区域；区域979为表示没有进行主动调谐的隔离振动的被动区域；而区域981表示具有隔离振动的主动调谐的主动区域。

下面参照图14和15，示出LIVE单元801的可选实施例，LIVE单元991。在本实施例中，LIVE单元801的上缓冲器860和下缓冲器862由偏流器993和995代替。偏流器993和995的形状大致为圆锥形，优选地具有轻微凹入的表面。如图15所示，偏流器993和995可以包括安装孔997，以便于将偏流器993和995安装到上盖833和下盖839。应当理解，可以使用其它适用的安装方式。优选地，在安装后堵上安装孔，以提供光滑表面，从而对调谐流体进行偏流。偏流器993和995对调谐流体进行偏流，从而显著增加了LIVE单元991的性能。

下面参照图16，示出本发明隔振器的可选实施例。在本实施例中，与LIVE单元801相似的双频LIVE单元1051，包括对装置的频率进行主动调谐的装置。LIVE单元1051包括主壳体1053，该主壳体1053具有安装部分1054，该安装部分1054配置为连接到需要对振动进行隔离的结构，例如航空器的机身。

活塞1063通过弹性体密封件1065弹性连接于主壳体1053。活塞1063、主壳体1053和弹性体密封件1065确定上流体腔1067和下流体腔1069。流体调谐通道1071轴向穿过活塞1063，从而使上流体腔1067和下流体腔1069流体连通。与偏流器993和995相似的偏流器1066和1068分别设置于上流体腔1067和下流体腔1069中。通过对喇叭式滑动调谐器(trombone-typetuner)1073进行调整，可以选择性地改变调谐通道1071的轴向长度。

调谐器1073包括位于一端的流体出口1075和位于另一端叠缩在流体调谐通道1071中的延长管状轴1077。调谐器1073在图16所示的伸长位置和缩回位置之间工作，在缩回位置中，将出口1075相对活塞1063的上表面向下缩回。当调谐器1073处于伸长位置时，LIVE单元1051在第一选定频率上工作；而当调谐器1073处于缩回位置时，LIVE单元1051在较高的、第二选定频率上工作。在优选实施例中，第一频率约为16.6Hz，第二频率约为19.9Hz。这种双频性能尤其适用于倾斜旋翼航空器，因为该航空器的旋翼处于飞机模式时，产生一个谐和振动；而处于直升机模式时，产生另一个谐和振动。对于处于伸长和缩回位置之间的滑动调谐器1073，泵送装置1079(未详细显示)可操作地与调谐器1073结合。

用于安装多个压电陶瓷致动器1057的致动器壳体1055刚性地连接于振动结构，诸如翼梁1061。另外，致动器壳体1055通过弹性体密封件1059弹性地连接于主壳体1053。通过由活塞1063承载的第一预紧螺钉1081，将各个压电陶瓷致动器1057固定在一端，而通过由致动器壳体1055承载的第二预紧螺钉1083固定在另一端。以此方式，压电陶瓷致动器1057仅通过致动器壳体1055与活塞1063连通。由弹性体1059提供LIVE单元1051的主要刚度。

用于收集系统中的空气和其它气泡的聚集腔1085安装在主壳体1053中。小流体通道1087从上流体腔1067的顶部延伸至聚集腔1085的底部。在聚集腔1085未处于主壳体1053顶部的实施例中，优选地，将预紧单向阀1089安装在流体通道1087中，以将气泡“泵送”到聚集腔1085中。由于上流体腔1067的正弦曲线振荡压力与聚集腔1085的压力相关，所以泵送动作是可能的。在上流体腔1067的各个高压循环中，单向阀1089打开，从而允许气泡流经流体通道1087并且最终流入聚集腔1085。预紧单向阀1089允许稳定的卸压，即平衡，而不允许振荡压力进入聚集腔1085；振荡压力是应当避免的，因为聚集腔1085中的此类振荡压力影响系统动态特性，即可以改变调谐频率。

下面参照图17A-21，示出根据本发明的压电流体惯性减振器的另外可选实施例。本发明说明了一种用于产生主动振动衰减的装置，以在旋翼飞机机身的重要部位采用自致动结构、传感器和控制算法减少振动，从而使得系统具有最小的重量和功率需求。这些自致动结构采用压电致动以可以进行与旋翼感生振动的被动衰减结合的主动振动抑制。因此，图17A-21的实施例尤其适用于旋翼飞机和其它航空器中乘务员座位装置和有效载荷装置(payload mounts)。然而，应当理解，图17A-21所示的压电流体惯性减振器可以用于很多领域。

下面参照图17A，以剖视图示出压电LIVE单元1001。LIVE单元1001是一种局部主动振动措施，可以用于将诸如旋翼飞机的乘务员座位的有效载荷与振动结构(即承受主旋翼b/rev振动的机身)相隔离。振动结构(未显示)连接于安装在活塞壳体1004内的活塞1002。

LIVE单元1001包括液压放大压电致动器模块1003，用于安装两个轴向对齐的压电陶瓷组件1005和1007。压电陶瓷组件1005和1007包括压电陶瓷致动器1009和1011，压电陶瓷致动器1009和1011优选地位于静载荷路径的作用线上。压电陶瓷致动器1009和1011选择性地致动冲程放大活塞1013。活塞1013通过弹性体密封件1015进行定位。活塞1013、弹性体密封件1015和压电致动器模块1003在压电致动器模块1003中确定了两个流体腔1017和1019。调谐单元1021连接于压电致动器模块1003，从而流体调谐通道1023与流体腔1017和1019流体连通。将选定的调谐流体设置于流体腔1017和1019和流体调谐通道1023中。压电陶瓷组件1005和1007异相地运行，以增大流体调谐物质的运动。

LIVE单元1001主动对机身和乘务员座位之间的传输率进行削弱。应当理解，LIVE单元1001可以转用到任何有人或者无人旋翼飞机上的其它敏感部件的主动装置上。

下面详细参照图17B，曲线1022示出在很宽的频带(即从13.5到30Hz)上LIVE装置1501的大于99％(-40dB)的主动衰减，而功率需求很低，例如，低于4W。应当理解，30Hz的频率上限是从在测试时使用的开关放大器供电系统得到的，而不是从压电陶瓷致动器1009或者装置硬件得到的。

下面详细参照图17C，以剖视图示出另一压电LIVE单元1030。LIVE单元1030也是一种局部主动振动措施，可以用于将有效载荷(例如旋翼飞机的乘务员座位)与振动结构(即承受主旋翼b/rev振动的机身1032)相隔离。机身1032连接于安装在活塞壳体1036中的活塞1034。活塞1034由弹性体密封件1035弹性支承于壳体内。

LIVE单元1030包括液压放大压电致动器模块1038，以安装两个轴向对齐压电陶瓷组件1040和1042。压电陶瓷组件1040和1042包括优选地位于静负载路径的作用线上的压电陶瓷致动器1044和1046。压电陶瓷致动器1044和1046选择性地致动冲程放大活塞1048。活塞1048由弹性体密封件1050定位。活塞1034、弹性体密封件1035、活塞1048和弹性体密封件1050在LIVE单元1030中确定两个流体腔1052和1054。将选定的调谐流体设置于流体腔1052和1054中。压电陶瓷致动器1044和1046异相地运行，以增大流体调谐物质的运动。

LIVE单元1030主动对机身1032和其它隔离物体的乘务员座位之间的传输率进行削弱。应当理解，LIVE单元1001可以转用到任何有人或者无人旋翼飞机上的其它敏感部件的主动装置上。

下面详细参照图18，以剖视图示出另一压电LIVE单元1101。在本实施例中，具有安装部分1105的壳体1103中安装了两个轴向对齐压电陶瓷致动器1107和1109。壳体1103包括安装架1102，以便于将LIVE单元1101连接于振动结构(未显示)。

压电陶瓷致动器1107和1109选择性地致动冲程放大活塞1113。活塞1113由弹性体密封件1115定位。壳体1103、活塞1113和弹性体密封件1115壳体1103内确定两个流体腔1117和1119。优选地安装在壳体1103壁内的盘绕的流体调谐通道1123与流体腔1117和1119流体连通。将选定的调谐流体设置于流体腔1117、1119和流体调谐通道1123中。压电陶瓷致动器1107和1109异相地运行，以增大流体调谐物质的运动。

下面详细参照图19A-19C，分别示出LIVE单元1101的隔离频率、面积比以及流体调谐通道转折的长度和数目的方程。应当理解，根据LIVE单元的配置，这些方程也不同。

下面详细参照图20A和20B，以纵向和横向剖视图示出另一压电LIVE单元1201。在本实施例中，壳体1203中安装了两个轴向对齐的压电陶瓷致动器1207和1209。壳体1203中安装了活塞1202，以便于将LIVE单元1201连接于振动结构(未显示)。

压电陶瓷1207和1209选择性地致动冲程放大活塞1213。活塞1213由弹性体密封件1215定位。壳体1203、活塞1213和弹性体密封件1215在壳体1203内确定两个流体腔1217和1219。具有第一组盘管1225和第二组盘管1227的流体调谐通道1223与流体腔1217和1219流体连通。将选定的调谐流体设置于流体腔1217和1219以及流体调谐通道1223中。压电陶瓷致动器1207和1209异相地运行，以增加流体调谐物质的运动。

下面参照图21，示出图17A、17C、18、20A和20B的LIVE单元示例的机械等效模型1251。机械等效模型1251包括振动物质1253和受隔离物质1255，两者通过可调谐LIVE单元连接在一起，该可调谐LIVE单元包括弹簧1057、第一调谐物质1059、固态致动器1061和以虚线示出的可选第二调谐物质1063。固态致动器1061增强了调谐物质1059和1063的操作。优选地，固态致动器1061为压电陶瓷致动器，但是可以是电致压缩材料、磁致压缩材料或者任何其它合适的固态致动器。

应当理解，图17的LIVE单元1001包括第二调谐物质1063，虽然LIVE单元1101和1201确实包括可以看作第二调谐物质1063的非常小量的物质，但是图18和20A及20B的LIVE单元1101和1201并不包括第二调谐物质1063。应当进一步理解，固态致动器1061与图6A的主动调谐元件415为180°反相。

下面参照图22A和22B，示出本发明可调谐隔振器的另一实施例。在本实施例中，使用主动压电陶瓷调谐元件对消振Frahm或者调谐物质减振器进行修改。图22A以剖视图示出示例性压电frahm 1301的简化示意图；图22B示出压电frahm 1301的机械等效模型1303。

压电Frahm 1301包括Frahm壳体1305，用于安装Frahm减振器物质1307。Frahm减振器物质1307由弹簧元件1309悬至于frahm壳体1305内。安装结构1311刚性连接于诸如飞机机身的振动物质1313。Frahm壳体1305通过固态致动器连接于安装结构1311，优选地，该固态致动器为至少一个压电陶瓷致动器1315。

以此配置，压电陶瓷致动器1315与弹簧元件1309串联，从而允许压电陶瓷致动器1315改变Frahm壳体1305的灵活性。这使得较轻的Frahm(即移动物质)能够和重得多的Frahm一样取得相同程度的减振。这是通过降低Frahm阻尼ξ来增加放大系数Q＝1/2ξ而实现的。

另外，通过使用压电陶瓷致动器1315进行主动重新调谐，可以实现Frahm操作频率的较小变化；然而，应当理解，根据频率转换的程度，该重新调谐需要压电致动器增益机械。

本发明的实施例解决了降低移动物质有效性的阻尼问题。另外，本实施例提供了一种装置，用于当使用不同阻抗进行安装时使得Frahm不太敏感。

下面参照图23A和23B，示出本发明的另一实施例。在本实施例中，将两个新颖特征结合成单个组合式LIVE单元1401。LIVE单元1401包括双频LIVE部分1403和多级压电泵部分1405。图23A以剖视图示出LIVE单元1401的简化示意图；图23B示出LIVE单元1401的机械等效模型1402。

LIVE部分1403包括具有安装部分1409的壳体1407，该安装部分1409适于连接于需要进行隔振的主体，即受隔离主体。活塞1411由弹性体密封件1413弹性地连接于壳体1407。壳体1407、活塞1411和弹性体密封件1413确定了上流体腔1415和下流体腔1417。

主调谐端口1419与上流体腔1415和下流体腔1417流体连通。主调谐端口1419配置为允许在第一选定频率上对谐振进行隔离。第二调谐端口1421也与上流体腔1415和下流体腔1417流体连通。在本实施例中，弹簧-质量系统1423可操作地与第二调谐端1421结合。弹簧-质量系统1423创建了新的自由度。第二调谐端口1421允许在第二选定频率上对谐振进行隔离。应当理解，弹簧-质量系统1423的质量为0，允许第二调谐端口1421中的流体用作与弹簧-质量系统1423中的弹簧相对操作的质量块。应当进一步理解，在需要对更多的谐和频率进行隔离时，可以添加其它的调谐端口。

多级压电泵部分1405包括用于安装活塞1433的壳体1431。活塞1433由弹性体密封件1435弹性地连接于壳体1431。壳体1431、活塞1433和弹性密封1431确定第一流体腔1437和第二流体腔1439。第一流体腔1437与上流体腔1415流体连通，而第二流体腔1439与下流体腔1417流体连通。活塞1433由至少一个压电陶瓷致动器1441致动。

以此方式，压电陶瓷致动器1441在第一选定频率范围和第二选定频率范围上主动增加LIVE单元1401的减振性能。LIVE单元1401能够以很低的功率在宽频率范围内提供高于99％的隔振。因为压电陶瓷致动器1441以接近90°的相角运行，从而可以实现很低的功率。应当理解，在隔振系统中，可以单独使用双频压电致动器部件和多级压电泵。

机械等效模型1402包括由可调谐LIVE单元1408隔离振动物质1404和受隔离物质1406。应当理解，振动物质1404和受隔离物质1406的位置可以互换，而不会影响系统的操作。在图23B的示例中，振动系统1404为机身，受隔离物质1406为视觉系统。

可调谐LIVE单元1408包括至少一个弹簧1440、至少一个固态致动器1410、第一调谐物质1412、第二调谐物质1414和第二弹簧1416。此时，弹簧1440表示弹性体密封件1413；第一调谐物质1412表示主调谐端口1419，第二调谐物质1414和第二弹簧1416表示弹簧-质量系统1423；而固态致动器1410表示压电陶瓷致动器1435和1441。应当理解，机械等效模型1412为可调谐LIVE单元的许多配置和应用的示例。

下面参照图24-27，示出根据本发明可调谐隔振系统的另一实施例。本实施例与主动振动LIVE装置系统1501有关，主动振动LIVE装置系统1501尤其适用于包含柴油发动机、燃气涡轮发动机、发电机组和齿轮箱的旋转机械。LIVE装置1501重量轻，成本低，具有很低的功率需要，即实际上无热量损失。下面参照海军舰艇或者船只上的旋转机械对本实施例进行描述。

为了最大化生存性能和执行任务的有效性，必须仔细控制船体发出的声辐射。这需要对外部噪声源和内部噪声源进行处理，外部噪声源包括旋转推进器和船体砰击。对于内部噪声源的主要关注在于排除从旋转机械到船体结构的结构承载振动传输，尤其是在船体固有频率的频率范围内的结构承载振动传输。

在优选实施例中，船只的主要推进力由柴油发动机提供，并且由柴油发动机-发电机组提供电力，两者均具有12活塞、4冲程柴油机，具有大致相同的最大速度1800rpm。因此，所述振动处理系统可以直接应用到所述柴油发动机和所述柴油发电机组。

下面参照图24，将说明由所述柴油发动机产生的振动。由所述柴油发动机产生的振动主要包括1/rev、3/rev和12/rev，即每转1个循环振动、每转3个循环振动和每转12个循环振动。如曲线1531、1533和1535所示，以30°、90°、30°、90°等间隔扭矩脉冲(torque pulse)。可以使用简单傅立叶序列示出cos3ωt和cos12ωt的谐和部分。另外，由于任何质量不平衡，会出现1/rev项(在图28中未显示)。

源点振动衰减是对结构承载振动进行处理的最有效方式，尤其是当局部“阻塞”点存在于设计中时。传统的方法使用软弹性体装置，其使得发动机的安装固有频率低，即小于激发频率的70％。这就提供了40％范围内的衰减，即60％或者-8dB的传输率。刚度必须适当，以支撑发动机重量和扭矩。

现有技术实施例中的柴油机发动机的安装滚动(即绕扭矩轴)的固有频率为3.9Hz，在发动机空转时(600rpm)提供了1/rev的82％(-15dB)的自然衰减。忽略船体的结构柔度，现有技术的柴油发动机安装垂直固有频率为7.1Hz，这提供了仅4％的自然衰减(-0.4dB)。

根据本发明，LIVE装置1501用于替换软装置并且得到了增强，以通过使用嵌入压电陶瓷致动器1541(参见附图25A)，在极低功率需求下取消谐振。除了例外的被动处理，通过使用压电陶瓷致动器1541，LIVE装置1501提供了取消振动的主动装置，从而产生了99.6％隔离(-48dB)的宽带衰减。压电陶瓷致动器1541衰减了振动体和受隔离体之间的传输率。

下面参照图25A和25B，将说明LIVE装置1501的操作。图25A以剖视图示出LIVE装置1501的简化示意图；而图25B示出LIVE装置1501的机械等效模型1551。LIVE装置1501包括壳体1553。活塞1555由弹性体密封件1557弹性连接于壳体1553。活塞1555包括轴向调谐端口1556。柴油发动机刚性连接于活塞1555，并且壳体1553刚性连接于所述船只。

至少一个压电陶瓷致动器1541可操作地与壳体1553结合。在图30A中，压电陶瓷致动器1541连接于刚性隔膜1559。隔膜1559由密封件1561弹性地密封在壳体1553中。壳体1553、活塞1555、弹性体密封件1557、隔膜1559和密封件1561确定上流体腔1563和下流体腔1565。上流体腔1563和下流体腔1565通过调谐端口1556流体连通。上流体腔1563和下流体腔1565及调谐端口1556中充满无粘性的、稠密的流体，并且加压以防止气穴现象。流体流量和流体密度的乘积确定了调谐质量m_t。

如机械等效模型1551所示，壳体1553与调谐端口1556的面积比R₁与臂长比b/a近似；弹性体弹簧1557与机械弹簧ke类似；并且调谐端口1556的惯性效应与机械臂上的调谐质量m_t的惯性效应近似。

当活塞1555上下移动时，其迫使流体在相反方向移动，产生惯性力，该惯性力在离散频率(即众所周知的被动隔离频率或者反共振频率)上抵消弹性体弹簧力，由如下方程进行确定。

方程(1)

分别以k_p和m_p表示压电陶瓷致动器刚度和质量。为了简化，方程(1)假设流体的综合刚度k_ee，即体积模量和容器为无穷大，而Rp＝1，即d＝c。

LIVE装置1501的几个特征使得压电陶瓷致动器成为有效的应用。首先，压电陶瓷材料不是位于主要的恒稳定载荷路径，从而不需因为临界静载荷条件而确定大小。第二，流体既用作惯量以产生反共振，也用于液压放大致动器冲程。最后，由于压电陶瓷致动器1541仅需要放大被动性能，所以其大小和维护成本小，甚至对于诸如船舶推进器系统等的大型应用也是如此。

优选地，使用多点适应振动抑制系统(MAVSS)算法对压电陶瓷致动器1541进行控制，以增加LIVE装置1501的反共振性能，从而极大地降低船体1503结构的振动传输率。MAVSS控制算法是一种内在稳定，而强健的时域控制方法，该方法采用传统的高次谐波控制(HHC)技术，其识别所关注频率上扰动的傅立叶成分，并且产生必需的控制命令以通过在各个特定的频率倒转设备动力来抵消这些扰动。对MAVSS进行编程，以抵消多重谐波，例如，同时抵消1/rev振动和3/rev振动。除了MAVSS算法的系统识别方面外，另一特征是使用包括干扰和控制作用的目标函数对反馈控制过程进行控制。

根据从控制致动器到性能传感器T的所识别响应，对MAVSS控制增益矩阵进行计算。在实际中，使用有限差分方法对该响应的正弦和余弦成分进行识别。当识别了传输函数矩阵后，按照下式计算MAVSS控制增益：

K＝[T′R_sT+Q]^-1T′R_s                       (2)

其中，Q是对各个致动器的输入进行惩罚的矩阵，即控制惩罚项，而R_s是对各个致动器的响应进行惩罚的矩阵，即性能权重。通过设定Q＝ρ1，其中1为识别矩阵，将控制惩罚项降低至纯量数值。这为各个致动器产生了相等的控制惩罚项。同样，设定R_s＝1为各个致动器产生相等的性能权重。MAVSS控制输入可以按照下式计算：

u_新＝-α·K·Z+u_旧                         (3)

式中，u_新为转子旋转的下一个整数的控制输入，Z为性能传感器的响应，而u_旧为上一个控制输入。当减缓控制惩罚项(降低控制渐近线)时，K成为T^-1，而控制输入在传感器处产生与中心扰动相等并反向的响应，从而通过叠加产生零响应。

对于此系统，各个LIVE装置1501优选地具有一个安装在LIVE装置1501的振动主体侧的垂直加速度计。在一个或者多个传感器失效时，MAVSS系统保持稳定并且继续进行操作。在用于船舶推进系统的优选实施例中，当发动机的速度改变时，MAVSS检测发动机转速，并且自动跟踪谐振。

下面参照图26A-26C，示出图25A的LIVE装置的示例性机械设计。LIVE装置1601包括用于安装活塞1605的壳体1603。活塞1605由弹性体密封件1607弹性支承于壳体1603内。配置为连接柴油发动机的安装板1609连接于活塞1605。在优选实施例中，设置于安装板1609和壳体1603之间的四个机械弹簧1610用于防止弹性体内固有的静态蠕变。壳体1603、活塞1605和弹性体密封件1607确定上流体腔1611和下流体腔1613。优选地，壳体1603由铝制成。

优选地，弹性体密封件1607提供23000磅/平方英寸的垂直刚度和30000磅/平方英寸的横向刚度。可选的裙边(未显示)可以添加在安装板1609周围，以保护弹性体元件不受油污染。上和下超行程止动1615可操作地与活塞1605结合，以防止对弹性体的过度加载。优选地，超行程止动1615安装为在正常操作下不会发生接触。在优选实施例中，加速计1617位于壳体1603的底部，其上为反馈传感器。

壳体1603也容纳压电活塞1619。压电活塞1619弹性体密封件1621弹性支承于壳体1603内。壳体1603、压电活塞1619和弹性体密封件1621进一步确定上流体腔1611和下流体腔1613。上流体腔1611和下流体腔1613通过延长的调谐端口1620流体连通，该调谐端口优选地绕壳体1603盘绕。

压电活塞1619由至少两个压电陶瓷致动器1623的一组驱动。压电陶瓷致动器1623优选地以推拉方式叠置，以增强可靠性。如果一个压电陶瓷致动器1623失效，则该组将继续使用剩余良好的压电陶瓷致动器1623进行操作。该推拉结构提供了能量效率设计，将在下面进行更为详细地描述。压电陶瓷致动器1623位于具有压电面积比为R_p的压电活塞1619的相对侧。

LIVE单元1601提供了具有调谐端口内径的有效活塞直径。从而提供了LIVE面积比R₁。调谐端口1620绕壳体1603盘绕，以提供适当的流体调谐质量m_t，以根据方程(1)提供最优被动隔离频率。尽管没有显示，优选地将调谐端口1620装入保护结构中，诸如铸件。具有观察孔的气体-流体累积器(air-to-fluid accumulator)1625允许流体的热膨胀，同时保持合适的压力以在操作过程中避免气穴现象。

下面参照图27，示出LIVE装置1601的振动衰减曲线1645。相对于刚体响应，希望LIVE单元1601将低于100Hz的结构承载机械噪声信号降低大于99％(-40dB)。分析仿真实际示出99.9％的衰减(-60dB)。如图所示，在1/rev和3/rev上，LIVE装置1601可以将振动衰减99.9％(-60dB)。然而，在实际应用中，这种衰减程度可能低于环境噪声水平。

使用开关放大器供电系统，可以在放大器和电容性负载之间以很低的能量损失进行能量转换。这种方法可以节能75％。另外，由于LIVE装置1601使用同时受到异相驱动(即推拉)的压电陶瓷致动器对，从而可以在各个循环中提供能量恢复。

显而易见，已经对具有显著优点的发明进行了描述和说明。尽管以有限数量的形式对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于这些形式，在不脱离本发明精神的前提下可以进行不同的修改和改进。

Claims (6)

1、一种隔振器，其特征在于，包括：

多频振动消除部分(1403)，包括：

第一壳体(1407)；

弹性地设置于第一壳体内的第一活塞(1411)，该第一活塞用于连接第一主体；

由第一壳体和第一活塞确定的第一流体腔(1415)和第二流体腔(1417)；

第一调谐端口(1419)，使第一流体腔和第二流体腔流体连通，该第一调谐端口构造为用于对处于第一所选定频率的谐波振动进行隔离；

第二调谐端口(1421)，使第一流体腔和第二流体腔流体连通，该第二调谐端口构造为用于对处于第二所选定频率的振动进行隔离；和

与第二调谐端口相关联的调谐质量件(1423)；和

多级泵部分(1405)，包括：

第二壳体(1431)；

弹性地设置于第二壳体内的第二活塞(1433)；

结合于第二活塞的致动器(1441)，用于选择性地将力传输到第二活塞；

由第二壳体和第二活塞确定的第三流体腔(1437)和第四流体腔(1439)，该第三流体腔与第二流体腔流体连通，且该第四流体腔与第一流体腔流体连通。

2、根据权利要求1所述的隔振器，其特征在于，致动器为压电致动器。

3、根据权利要求1所述的隔振器，其特征在于，调谐质量件包括活塞，通过弹簧将该活塞限制在第二调谐端口中。

4、根据权利要求1所述的隔振器，其特征在于，还包括设置于流体腔和调谐端口中的调谐流体。

5、根据权利要求1所述的隔振器，其特征在于，还包括设置于第一活塞和第一壳体之间的至少一个弹性体密封件(1413)。

6、根据权利要求1所述的隔振器，其特征在于，还包括设置于第二活塞和第二壳体之间的至少一个弹性体密封件(1435)。

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