CN101414192B - 无需外界能量供给的结构振动与噪声控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需外界能量供给的结构振动与噪声控制装置包括固定在待控制结构上的压电驱动单元、压电传感单元，压电驱动单元由至少一个第一压电片组成，压电传感单元由至少一个第二压电片组成。其中，压电驱动单元的第一压电片的输入端粘贴在结构表面，输出端与电感连接，电感的另一端与开关单元的一端连接，开关单元的另一端与第一压电片的输出端连接；压电传感单元的第二压电片的输入端粘贴在结构表面，第二压电片的输出端与输入端之间连接有结构振动位移极值检测装置。克服了现有技术控制装置都需要外界功能设备、体积大、成本高昂缺点，结构简单，体积小，在结构振动噪声控制中具有广泛的应用前景。

Description

无需外界能量供给的结构振动与噪声控制装置

一技术领域

本发明涉及一种结构振动与噪声控制装置，尤其涉及一种不需要外界能量供给的结构振动与噪声控制装置。

二背景技术

压电材料的高频响应特性与机电耦合特性使其在结构的智能化和振动噪声控制中得到了广泛的应用。近年来，人们对各种各样的控制方法进行了大量的研究。其中主动方法与被动方法研究的较多，理论也较成熟。主动控制虽然具有较好的控制效果，但一般需要传感器、驱动器、功率放大器等信号处理系统以及功放等外部设备，不仅成本高，而且系统较为庞大复杂，降低了系统的可靠性，难以实现系统的小型化、轻量化，因此在可靠性、质量和体积都具有较高要求的航空航天系统中难以得到具体应用。被动控制方法是通过在压电元件表面电极之间串联适当的外部分支电路，来耗散或吸收由于结构振动产生的机械能。被动控制比较简单，易于实现，但缺点是分支电路中的电感和电阻参数对环境变化适应能力差，对于低频振动往往需要较大的电感等，因此其通用性受到了很大的限制。

为了克服以上两种传统控制方法中的不足，人们相继提出了多种不同的半主动或半被动的振动控制方法。最近几年，随着开关并联技术的发展，一种基于非线性同步开关阻尼技术的半主动振动/噪声控制方法得到了发展。这种方法也被称为SSD技术(SSD：Synchronized Switch Damping)，在电路中串联电感和开关等一些简单的电子元件使得压电元件上的电能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。与传统的控制方法相比，这种新方法的控制系统简单，仅仅开关工作需要外界能量，因此控制所需要的外界能量很小，不需要精确的结构振动模型，且控制效果比较稳定，适合于宽频带的振动控制。

在以往的研究中，对于非线性同步开关阻尼技术的半主动振动控制方法，其中开关的工作主要是通过DSP(数字信号处理器)或者通过模拟器件比较器等进行控制的，但是DSP和模拟器件比较器等都需要外界能量，致使控制装置体积大，并且成本高昂。

三发明内容

1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种不需要外界能量供给的结构振动/噪声控制装置。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的无需外界能量供给的结构振动/噪声控制装置包括固定在待控制结构上的压电驱动单元、压电传感单元，压电驱动单元由至少一个第一压电片组成，压电传感单元由至少一个第二压电片组成；其中，压电驱动单元的第一压电片的输入端粘贴在结构表面，输出端与电感的一端连接，电感的另一端与开关单元的一端连接，开关单元的另一端与第一压电片的输出端连接；压电传感单元的第二压电片的输入端粘贴在结构表面，第二压电片的输出端与输入端之间连接有结构振动位移极值检测装置，结构振动位移极值检测装置向开关单元输出控制信号。压电驱动单元中的压电片至少为一个，当为多个时，各压电片为并联连接。压电驱动单元中的压电片至少为一个，当为多个时，各压电片为并联连接。

所述的结构振动位移极值检测装置包括一个可调电阻和一个电容，可调电阻的一端与第二压电片的输出端连接，可调电阻的另一端与电容的一端连接，电容的另一端接地，可调电阻与电容之间向开关单元输出控制信号，由该输出信号控制开关单元中开关的断开和闭合。

所述的开关单元包括相并联的第一开关和第二开关，第一开关一端通过第一二极管与电感连接，其中，二极管的正端与电感连接，负端与第一开关连接；第二开关一端通过第二二极管与电感连接，其中，二极管的负端与电感连接，正端与第二开关连接；第一开关和第二开关的另一端与驱动单元中压电片的输入端连接。

本发明的无需外界能量供给的结构振动/噪声控制装置中，在振动结构上粘贴至少2片压电元件。当采用2片压电片时，其中一片用来作为传感器，另外的压电元件用来作为驱动器。在用来作为驱动器的压电元件的正负极两端并联电感和开关，从而构成半主动控制系统的电子回路。

当结构发生振动时，粘贴在结构上的压电元件会感应出相应的电压，其电压与结构振动产生的位移是同相位的。当没有控制时，结构振动的位移与压电元件上产生的电压如图2所示。其中作为驱动器的第一压电元件两端并联电感和开关的电子回路，当结构振动的位移(也即压电元件上产生的电压)达到极值(极大值或极小值)时，结构振动位移极值检测装置向开关输出控制信号，回路中的开关迅速闭合，由于第一压电元件一般可以等效成一个电容器，那么开关闭合的同时压电元件与回路中的电感将发生LC高频共振，当共振振荡半个周期时迅速断开开关，此时第一压电元件上的电压与开关闭合前反向，如图3所示。当开关断开时，第一压电元件上产生的电压与结构振动的位移同相位。当结构振动的位移再次达到极值时，再合上开关，高频振荡半个周期后断开开关。周而复始的控制开关的运动，使得压电元件上产生的电压始终与结构振动的速度反向，从而达到振动控制的目的。

传统的开关切换方式如下：

(1)使用DSP：利用位移传感器或者利用粘贴在结构上的压电元件或其它类似传感器测量结构振动的位移，并以此作为判断半主动控制回路中开关切换的传感信号，利用DSP(信号处理器)监测测量的传感信号的极值点，并产生一个方波信号来作为触发开关切换(闭合与断开)的控制信号。当位移达到极值时闭合开关，当压电元件上的电压发生高频共振半个周期(也即压电元件上的电压实现翻转)时迅速断开开关。

(2)模拟器件比较器：如图5所示，利用位移传感器或者利用粘贴在结构上的压电元件或其它类似传感器测量结构振动的位移，并以此作为判断半主动控制回路中开关切换的传感信号，对传感信号进行RC滤波相位延时，同时利用比较器对延时后的信号与原来的传感信号进行比较，从而输出能够判断位移极值的方波信号。

这两种方式都需要外界能源供给，DSP的工作需要专门的电源供电，模拟器件比较器、跟随器等一般需要15V的直流电源供电。

3、有益效果：本发明技术方案的无需外界能量供给的结构振动与噪声控制装置利用粘贴在结构上压电片自身产生的电压用来控制开关的工作，不需外界能源，结构简单，体积小，在结构振动噪声控制中具有广泛的应用前景。

四、附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是控制前结构振动的位移与电压关系示意图；

图3是控制后结构振动位移、电压与速度的关系示意图；

图4是图3中开关闭合时电压翻转的局部放大图；

图5是模拟器件比较器的电路图；

图6是本发明的一个实施例的示意图；

图7是控制效果示意图。

五、具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本实施例的无需外界能量供给的结构振动与噪声控制装置包括固定在待控制结构上的压电驱动单元1、压电传感单元2，压电驱动单元1由一个第一压电片PZT1组成，压电传感单元2由一个第二压电片PZT2组成；压电驱动单元1中，第一压电片PZT1的输入端粘贴在被控结构表面，输出端与电感L的一端连接，电感L的另一端与开关单元K的一端连接，开关单元K的另一端与第一压电片PZT1的输入端连接；压电传感单元2中，第二压电片PZT2的输入端粘贴在结构表面，输出端与输入端之间连接有结构振动位移极值检测装置，结构振动位移极值检测装置向开关单元K输出控制信号。

其中，结构振动位移极值检测装置包括一个可调电阻R和一个电容C，可调电阻R的一端与第二压电片PZT2的输出端连接，可调电阻R的另一端与电容C的一端连接，电容C的另一端接地，可调电阻R与电容C之间向开关单元K输出控制信号。

如图6所示，开关单元K具体包括相并联的第一开关S1和第二开关S2，第一开关S1一端通过第一二极管D1与电感L连接，其中，第一二极管D1的正端与电感L非与第一压电片PZT1连接的一端连接，负端与第一开关S1连接；第二开关S2一端通过第二二极管D2与电感L连接，其中，二极管D2的负端与电感非与第一压电片PZT1连接的一端连接，正端与第二开关S2连接；第一开关S1和第二开关S2的另一端与第一压电片PZT1的输入端连接。

本实施例的结构振动半主动控制工作过程如下：

当结构发生振动时，预先布置在结构上的压电元件PZT1和PZT2上将产生由于结构振动感应的电压信号，其中压电元件PZT1作为后续振动控制的驱动器，压电元件PZT2作为本发明中振动控制电路中的传感器。由于压电元件PZT1和PZT2布置在相同的位置，因此能够感应相同的振动电压信号。

如图2所示，在没有控制电路情况下，当结构振动时，压电元件上产生的电压V与位移u成正比关系：

                            $V=\frac{\mathrm{\α}}{C}u$

其中α是力因子，C为压电元件PZT1的电容值。压电元件上由于感应电压产生的力F为：

                            F＝—αV

如果没有控制电路，既回路中的开关没有闭合时，力F的方向半个周期与速度的方向相同，另外半个周期与速度的方向相反，因此在一个完整的周期内不能对振动进行抑制。结构振动的位移、速度如与图2压电元件上感应的电压所示。

如图6所示，当压电元件PZT1感应的电压信号达到极大值时，通过对作为传感器的PZT2的电压信号进行进一步处理，从而产生一个能够控制S1开关闭合的驱动信号，此时整个电路将完全闭合。由于压电元件相当于一个电容C，那么控制回路中电感L将和电容C构成LC振荡回路，当压电元件上的电压振荡到极小值时，此时断开开关；当压电元件PZT1感应的电压信号达到极小值时，闭合开关S2，由于压电元件相当于一个电容C，那么控制回路中电感L将和电容C构成LC振荡回路，当压电元件上的电压振荡到极大值时，此时断开开关。这样在一个周期中，力F的方向始终与速度的方向相反，达到了抑制振动的目的。结构振动位移、电压与速度的关系如图3所示。

本实施例中开关切换是通过对作为传感器的压电元件PZT2进行一个低通滤波器RC的处理，从而输出一个能够控制开关切换的控制信号。由于压电元件PZT1和PZT2是同相位的，当压电元件1达到位移极值时，压电元件2也同时达到位移极值。对压电元件2进行低通滤波器的调节，那么输出的信号与原来PZT2上产生的信号将有一个相位延时，延时角度为 $\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arctan \left(\mathrm{\ωRC}\right),$ 通过调节电阻R的大小，可以改变相位延时角度的大小。调节电阻R的方法为：调节电阻的大小从而改变输出的相位，经过相位延时的输出信号的电压值大于开关导通所需要的电压值时，开关闭合，电路导通。所以为了保证开关导通的位置恰好在压电元件PZT1处于电压极值时，那么必须使得经过延时后的信号触发开关导通的位置对应于PZT1电压极值。

实施例的控制效果如图7所示。

实施例二：

本实施例的结构及工作原理与实施例基本相同，不同的是压电驱动单元由多个，例如二个、三个、四个压电元件并联组成，压电传感单元中压电元件为一个，并且与压电驱动单元中的一个压电元件设在被控结构上相对应的位置。

Claims (3)

1.一种无需外界能量供给的结构振动与噪声控制装置，其特征在于，包括固定在待控制结构上的压电驱动单元(1)、压电传感单元(2)，压电驱动单元(1)由至少一个第一压电片(PZT1)组成，压电传感单元(2)由至少一个第二压电片(PZT2)组成；压电驱动单元(1)中，第一压电片(PZT1)的输入端粘贴在待控制结构表面，输出端与电感(L)的一端连接，电感(L)的另一端与开关单元(K)的一端连接，开关单元(K)的另一端与第一压电片(PZT1)的输入端连接；压电传感单元(2)中，第二压电片(PZT2)的输入端粘贴在待控制结构表面，输出端与输入端之间连接有结构振动位移极值检测装置，结构振动位移极值检测装置向开关单元(K)输出控制信号。

2.如权利要求1所述的无需外界能量供给的结构振动与噪声控制装置，其特征在于，所述的结构振动位移极值检测装置包括一个可调电阻(R)和一个电容(C)，可调电阻(R)的一端与第二压电片(PZT2)的输出端连接，可调电阻(R)的另一端与电容(C)的一端连接，电容(C)的另一端接地，可调电阻(R)与电容(C)之间向开关单元(K)输出控制信号。

3.如权利要求1或2所述的无需外界能量供给的结构振动与噪声控制装置，其特征在于，所述的开关单元(K)包括相并联的第一开关(S1)和第二开关(S2)，第一开关(S1)一端通过第一二极管(D1)与电感(L)连接，其中，第一二极管(D1)的正端与电感(L)非与第一压电片(PZT1)连接的一端连接，负端与第一开关(S1)连接；第二开关(S2)一端通过第二二极管(D2)与电感(L)连接，其中，第二二极管(D2)的负端与电感非与第一压电片(PZT1)连接的一端连接，正端与第二开关(S2)连接；第一开关(S1)和第二开关(S2)的另一端与第一压电片(PZT1)的输入端连接。

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