CN104363548A - 一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法，第一步：在板结构上均匀分布压电作动器；第二步：设计电路网络，构成压电网络板；第三步：计算最优电感值L，压电网络板隔声低谷不会出现，压电网络板的隔声性能得到改善。第四步：检验压电网络板的隔声性能；本发明的优点为：压电网络中压电作动器的位置无需优化，各压电作动器通过电路连接，协同工作，降低了对单个作动器性能的要求更低，具有更高的能量转换效率。通过压电作动器之间的电路实现电能在各压电作动器之间流动，提供了一条新的电路通道，能够整体上改变结构的能量分布，从而整体上改变板壳结构的隔声性能。

Description

一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法

技术领域

本发明属于噪声控制领域，具体涉及一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法。

背景技术

板壳结构在航空航天、汽车和船舶等领域得到广泛应用。板壳结构属于轻质结构，能够显著降低系统的总质量，但是轻质结构如果对振动敏感，会增加系统的辐射噪声，降低系统的隔声性能，而辐射噪声的增加会降低舰船、潜艇等的隐身性能，减小其战场生存能力，增加汽车、飞机等对周围环境的噪声污染；隔声性能的降低将减弱汽车、飞机等的舒适性，因而板壳结构的声辐射和隔声问题一直备受关注。

板壳结构的声辐射和隔声问题与结构的振动以及声学特性密切相关，因此，板壳结构的噪声抑制可以通过抑制结构振动或改善结构声学特性实现，目前采用的技术有“敷设粘弹性阻尼的板和加筋板的振动机理研究[D].大连:大连理工大学,2001”，提出了在结构表面铺设粘弹阻尼层，以及“阻振质量块对板结构振动与声辐射的影响[J].振动与冲击,2004,22(4):76-79”所述的添加阻振质量，还有“多层板的隔声特性研究[J].南京大学学报:自然科学版,2005,41(1):91-97”所述的多层板或夹芯板设计等，这些方法的共同缺点是会显著增加结构的重量，控制效果有限。

随着智能材料的备受关注，基于智能材料的新兴振动噪声控制技术迅速发展。

压电材料是一种智能材料，其特殊功能称为压电效应，能够实现机械能与电能之间的相互转换。压电材料具有体积小、质量轻、适用频带宽以及机电转换效率高等优点，因而在振动、噪声控制领域得到广泛应用，形成了压电主动控制技术、压电分支阻尼振动控制技术等压电控制技术。

压电主动控制具有效果好、精度高、适用能力强等优点。但是，主动控制需要设计复杂的控制系统，不仅增加系统重量而且会消耗大量电能；外部能量的引入将降低原闭环系统的稳定性；在高频时易出现控制溢出现象，致使被控结构大幅振动。另外，压电主动控制技术的控制效果与压电片在结构表面的黏贴位置直接相关，因而针对不同的结构，或同一结构的不同振动模态需要分别分析最优的压电片粘贴位置，现有技术见“智能结构的压电片位置优化及主动控制研究[J].控制工程,2013,03:529-532”。上述因素给压电主动控制的推广对来了很多不便，严重制约了其在航空航天等领域的应用。

压电分支阻尼技术以被动控制为主，其优点是控制系统简单，具有可控线性阻尼等。压电分支阻尼技术的不足之处是对压电材料和电学元件要求过高，如在低频振动控制时要求很大的电感值，压电作动器承受较大载荷等；控制效果明显依赖于压电材料的粘贴位置，为了达到最好的控制效果需要对压电片的黏贴位置进行优化；多模态控制效果不易实现等。

发明内容

本发明针对铺设粘弹阻尼层、添加阻振质量或多层板设计来提高隔声性能等方法会显著增加结构质量，控制效果有限，以及压电分支阻尼技术对单个压电作动器要求高，控制效果严重依赖压电作动器的位置等问题，提供了一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法。

具体实施步骤如下：

第一步：在板结构上均匀分布压电作动器；

所述压电网络包含至少两个压电作动器，压电作动器均匀固定在基体板表面或镶嵌于基体板内。

第二步：设计电路网络，构成压电网络板；

各压电作动器之间通过电路连接成一个整体，具体为：每一个压电作动器上方均通过两条相交的导线相连，将导线交点固连压电作动器上极，同时压电作动器下极接地；任意2个相邻的压电作动器之间连接特定的电路单元，特定的电路单元中必须包含电感，同时也可包含电阻，电感与电阻采用串联或者并联的方式连接。在基体板上构建压电网络后获得的机电耦合系统称为压电网络板。压电网络为板结构中的能量流通提供了一条额外的通道。

第三步：计算最优电感值；

电感的最佳取值范围L_n由下式确定：

$L_n\∈[\frac{D_t{C}_t}{D_t{C}_t+g_t^2}\·\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{C_t{c}_0^2},\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{C_t{c}_0^2}]---\left(1\right)$

其中：D_t为压电网络板均匀化处理后的等效机械抗弯刚度；g_t为压电网络板均匀化处理后的等效机电耦合系数；C_t为均匀化处理后压电网络板上、下表面单位面积的电容；θ为声波入射角；c₀为声波速度。“均匀化处理”的具体计算方式参见“压电网络板的机电耦合动力学特性[J].北京航空航天大学学报,2014,40(7):873-880”。

确定电感值后，按照第二步设计的电路网络连接，至此具有优于普通板隔声性能的压电网络板设计完成。

第四步：检验压电网络板的隔声性能；

隔声性能用传声损失评价，压电网络板的传声损失由下式计算：

${\mathrm{TL}}_{\mathrm{PEM}}=10\log \left({|1+\frac{{\mathrm{j\ω\ρ}}_t\cos \mathrm{\θ}}{{2\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}\·(1-\frac{D_t{\mathrm{\ω}}^2{\sin }^4\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\ρ}}_t{c}_0^4}-\frac{g_t^2{\mathrm{\ω}}^2{L\sin }^4\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\ρ}}_t{c}_0^2(C_t{\mathrm{Lc}}_0^2-{\sin }^2\mathrm{\θ})})|}^2\right)---\left(2\right)$

其中：ρ₀为空气密度，ρ_t为压电网络板均匀化处理后的等效密度，j为虚数单位，ω为圆频率。

传声损失越大表示隔声性能越好。

本发明的优点在于：

(1)一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法，压电网络中各压电作动器通过电路连接，协同工作，降低了对单个压电作动器性能的要求，并且能更多的、更快的实现机械能与电能的相互转换。

(2)一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法，压电网络中压电作动器均匀分布在板壳结构上，不需要对压电作动器的位置做优化，很大的节省了工作量。

(3)一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法，通过压电作动器之间的电路实现电能在各压电作动器之间流动，提供了一条新的电路通道，能够整体上改变结构的能量分布，从而整体上改变板壳结构的隔声性能。

(4)一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法，保留被控结构轻质的优点。压电材料材质较轻，机电耦合能力比较强，因此压电网络的引入不会显著增加被控结构的质量。

附图说明

图1为一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法流程图；

图2为在基体板上均匀分布压电作动器的示意图；

图3为压电网络的一种电路拓扑结构形式示意图；

图4为压电网络中的特定的电路单元示例示意图；

图5为压电网络板与普通板隔声性能的对比示意图。

图中，1-基体板；2-压电作动器；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明提供一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法，所述的板壳结构并不局限于某一特定机械装置上的结构，而是泛指学术上所有能归结为板或壳的结构，如飞机、汽车、潜艇舱壁，舰船发动机机箱，道路隔音板。

下面以在板结构上构建压电网络改善其隔声性能为例，具体说明本发明的实施步骤：

如图1所示：

第一步：在板结构上均匀分布压电作动器；

压电作动器2可粘贴铺设在板结构的表面，亦可镶嵌于内，如图2所示，本实施例中压电作动器2均匀分布，粘贴在基体板1的表面。

第二步：设计电路网络，构成压电网络板；

电路网络的特点是，连接各压电作动器2之间的电路具有相同的形式。如图3所示，每一个压电作动器2上方均通过互相垂直的两条相交导线相连，将导线交点固连压电作动器2上极，同时压电作动器2下极均接地；任意2个相邻的压电作动器2之间通过导线连接特定的电路单元，特定的电路单元中必须包含电感，同时也可包含电阻。电阻作为耗能元件可消耗部分电能，进一步提升控制效果。所述的特定电路单元的形式，如图4所示，可以为单独电感，或者电感和电阻串联型，或者电感和电阻并联型三种形式。本实施例中特定的电路单元优选单独电感L。当特定的电路单元选电感和电阻串联型时，电阻选取较小值，如10kΩ；当选取电感和电阻并联型时，电阻选取较大值，如100kΩ；最优电感值仍按照第三步步骤计算；在基体板1上构建上述压电网络后获得的机电耦合系统称为压电网络板。

压电网络通过压电作动器2与板壳结构之间实现机械能和电能的相互转换，通过压电作动器2之间的电路实现电能在各压电作动器2之间流动，因此压电网络为板壳结构中的能量流动提供了一条新的电路通道。

需要说明的是，压电网络中的电路网络拓扑形式并不局限为本实施例中介绍的这一种，具有其他连接分散压电作动器2的电路网络拓扑形式的压电网络均属于本发明的保护范围。

第三步：计算最优电感L值；

平面声波以入射角θ斜入射压电网络板时，电感L的最佳取值范围L_n由下式确定：

$L_n\∈[\frac{D_t{C}_t}{D_t{C}_t+g_t^2}\·\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{C_t{c}_0^2},\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{C_t{c}_0^2}]---\left(1\right)$

其中：D_t为压电网络板均匀化处理后的等效机械抗弯刚度；g_t为压电网络板均匀化处理后的等效机电耦合系数；C_t为均匀化处理后压电网络板上、下表面单位面积的电容；c₀为声波速度。“均匀化处理”具体计算方式参见“压电网络板的机电耦合动力学特性[J].北京航空航天大学学报,2014,40(7):873-880”。

确定最优电感L值后，按照第二步设计的电路网络连接，至此具有优于普通板隔声性能的压电网络板设计完成。

第四步：检验压电网络板的隔声性能；

隔声性能用传声损失评价，传声损失越大表示隔声性能越好。压电网络板的传声损失由下式计算：

${\mathrm{TL}}_{\mathrm{PEM}}=10\log \left({|1+\frac{{\mathrm{j\ω\ρ}}_t\cos \mathrm{\θ}}{{2\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}\·(1-\frac{D_t{\mathrm{\ω}}^2{\sin }^4\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\ρ}}_t{c}_0^4}-\frac{g_t^2{\mathrm{\ω}}^2{L\sin }^4\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\ρ}}_t{c}_0^2(C_t{\mathrm{Lc}}_0^2-{\sin }^2\mathrm{\θ})})|}^2\right)---\left(2\right)$

其中：ρ₀为空气密度，ρ_t为压电网络板均匀化处理后的等效密度，j为虚数单位，ω为圆频率。

下面通过一具体实例来检验最优设计的压电网络板的隔声性能。本例中，压电网络板参数及与计算相关的参数设定如表1所示。

表1实例参数设定

结合表1参数，由式(1)可确定最优电感L值的范围：

L_n∈[0.251,0.2582]H   (3)

根据电感最佳取值范围(3)可取电感L值为0.252H。至此，具有最优隔声性能的压电网络板设计完成。

结合表1参数，由公式(2)即可得到一定频率范围内压电网络板传声损失的变化趋势。图5对比了压电网络板与具有相同几何和材料参数的普通板在相同频段内的传声损失。如图5所示，压电网络板不存在隔声低谷，具有更优秀的隔声性能，因此说明压电网络在改善板的隔声性能方面具有卓越的效果，而且这种效果是现有技术无法达到的。

总之，压电网络中的压电作动器均匀分布在板壳结构上，分散的压电作动器通过电路网络连接成一个整体，各分散压电作动器协同工作，为板壳结构的能量流动提供一条新的电路通道。具体的，结构振动时，分散的压电作动器将各自所在位置的结构振动能量转换为电能，压电作动器表面将具有电势；由于结构各个位置的振动不同，使得各压电作动器之间电势存在差异，因此电荷将以电流的形式在各压电作动器之间流动，从而实现能量在电路网络中流通。基于以上现象，压电网络具有改善结构隔声性能的能力。

Claims (3)

1.一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法，其特征在于：通过下述步骤实现：

第一步：在板结构上均匀分布压电作动器；

第二步：设计电路网络，构成压电网络板；

各压电作动器之间通过电路连接成一个整体，具体为：每一个压电作动器上方均通过两条相交的导线相连，将导线交点固连压电作动器上极，同时压电作动器下极接地；任意2个相邻的压电作动器之间连接电路单元，电路单元包含电感；构成压电网络板，压电网络为板结构中的能量流通提供了一条额外的通道；

第三步：计算最优电感值；

平面声波以入射角θ斜入射压电网络板时，电感的最佳取值范围L_n由下式确定：

$L_n\∈[\frac{D_t{C}_t}{D_t{C}_t+g_t^2}\·\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{C_t{c}_0^2},\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{C_t{c}_0^2}]---\left(1\right)$

其中：D_t为压电网络板均匀化处理后的等效机械抗弯刚度；g_t为压电网络板均匀化处理后的等效机电耦合系数；C_t为均匀化处理后压电网络板上、下表面单位面积的电容；c₀为声波速度；

当电感值取集合L_n中任一值时，压电网络板不会出现隔声低谷，与普通板相比隔声性能得到改善；

确定最优电感值后，按照第二步设计的电路网络连接，压电网络板设计完成；

第四步：检验压电网络板的隔声性能；

隔声性能用传声损失评价，传声损失越大表示隔声性能越好；压电网络板的传声损失由下式计算：

${\mathrm{TL}}_{\mathrm{PEM}}=10\log \left({|1+\frac{{\mathrm{j\ω\ρ}}_t\cos \mathrm{\θ}}{{2\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}\·(1-\frac{D_t{\mathrm{\ω}}^2{\sin }^4\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\ρ}}_t{c}_0^4}-\frac{g_t^2{\mathrm{\ω}}^2{L\sin }^4\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\ρ}}_t{c}_0^2(C_t{\mathrm{Lc}}_0^2-{\sin }^2\mathrm{\θ})})|}^2\right)---\left(2\right)$

其中：ρ₀为空气密度，ρ_t为压电网络板均匀化处理后的等效密度，j为虚数单位，ω为圆频率。

2.如权利要求1所述一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法，其特征在于：所述第一步中压电网络包含至少两个压电作动器，压电作动器固定在基体板表面或镶嵌于基体板内。

3.如权利要求1所述一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法，其特征在于：所述的电路单元还包括电阻，电阻与电感采取串联或者并联的方式。