CN105443635A - 一种基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器，该结构由底座、单阶梯梁、压电传感单元、压电作动单元、信号放大电路和功率放大器组成。底座的下端固定于吸振对象，底座上端与单阶梯梁一端固定。压电传感单元和压电作动单元都粘贴在单阶梯梁表面，压电传感单元和压电作动单元的形状都为等腰三角形，而且它们高度相等，压电传感单元的电极连接信号放大电路输入端，信号放大电路输出端连接功率放大器输入端，功率放大器输出端连接压电作动单元电极。本发明通过调整信号放大电路的增益即可调节悬臂梁的刚度，从而调节吸振器的频率。本发明不需要机械驱动装置，结构简单，工作稳定，频率调节便捷、快速。

Description

一种基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器

技术领域

本发明属于机械振动减振技术领域，具体涉及的是一种基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器。

背景技术

动力吸振器能有效抑制频率变化较小的设备振动，由于结构简单，价格相对低廉和易于实施，在机械工程、航空航天、交通运输领域的振动控制中得到了广泛应用，目前已成为控制振动的重要手段之一。当动力吸振器的固有频率等于外激励频率时，可以大幅降低被控结构的振动。

动力吸振器一般可分为被动式和半主动式两大类。其中被动式动力吸振器只能用于控制特定某一频段的振动，其有效控制频段相对较窄。当外激励频率远离动力吸振器固有频率时，被动式动力吸振器就会失效。为了拓宽动力吸振器的控制频率范围，可以通过调节吸振器的刚度或者质量，使得吸振器的固有频率能随外激励频率的变化而变化，这种频率可调的动力吸振器被称为半主动吸振器。

目前的半主动吸振器可分为手动式、机械式、电磁式和磁流变等。手动式吸振器通过人工方式调节质量块在悬臂梁上的位置，实现吸振器频率的调节(赵存生，李海峰，朱石坚，悬臂梁动力吸振器的理论分析与试验，噪声与振动控制，2015，35(4):175-178)。由于采用手动方式，所以实际使用中不太方便。

机械式半主动吸振器一般通过步进电机调节质量块位置或者弹簧刚度，从而调节吸振器频率(徐振邦，龚兴龙，陈现敏，倪正超，机械自调谐式动力吸振器的研究，中国机械工程，2009，20(9)：1057-1062)。这类半主动吸振器需要机械驱动装置、结构相对复杂。

电磁式半主动吸振器通过调节输入电流改变电磁刚度，从而实现吸振器频率的改变(石新宇，周徐斌，申军烽，黄俊杰，航天器电磁变频吸振器性能分析与测试，噪声与振动控制，2015，35(5)：60-64)；磁流变半主动吸振器通过调节输入电流改变磁流变弹性体的刚度，从而调节吸振器频率(李清云，解忠良，杨志荣，塔娜，饶柱石，磁流变弹性体动力吸振器的实验，噪声与振动控制，2015，35(4):138-142)。但是这两类吸振器存在电磁泄漏现象。

针对上述半主动吸振器需要机械驱动装置、结构复杂、存在电磁泄漏现象等缺点，本发明提供一种结构简单、频率调节便捷的半主动吸振器。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构简单、频率调节便捷的压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器，其特征在于，由底座、单阶梯梁、压电传感单元、压电作动单元、信号放大电路和功率放大器组成。底座的下端固定于吸振对象，底座上端与单阶梯梁一端固定。压电传感单元和压电作动单元粘贴在单阶梯梁表面，压电传感单元的电极连接信号放大电路输入端，信号放大电路输出端连接功率放大器输入端，功率放大器输出端连接压电作动单元的电极，构成完整的回路。通过调节信号放大电路的增益，从而改变压电作动单元两端的电压，由于逆压电效应，压电陶瓷片两端的电压变化导致悬臂梁刚度发生变化，实现吸振器频率的调节。

本发明所述的单阶梯梁的横截面为长方形。

本发明所述的单阶梯梁通过焊接或者螺钉与底座相固定。

本发明所述的压电传感单元可以是压电薄膜或是压电陶瓷构成。

本发明所述的压电作动单元可以是单片压电陶瓷材料或是两片以上压电陶瓷材料层叠而成。

本发明所述的压电传感单元和压电作动单元的形状都为等腰三角形，而且长度相等。

本发明所述的压电传感单元和压电作动单元的底边都位于单阶梯梁与底座固定端。

本发明所述的压电传感单元和压电作动单元可同时粘贴在阶梯梁上表面，也可同时粘贴在阶梯梁下表面，也可分别粘贴在阶梯梁的上表面和下表面。

本发明所述的信号放大电路中增益可以调节。

本发明的优势在于：本发明结构简单，不需要如何机械传动装置，只需要通过调节信号放大电路的增益即可调节吸振器的固有频率，所以本发明响应快速，可靠性高。

附图说明

图1为本发明所述的基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器的模型示意图。

图2为本发明所述的基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器的虚拟支撑类比图。

在图中，底座为(1)、单阶梯梁为(2)、压电传感单元为(3)、压电作动单元为(4)、信号放大电路为(5)和功率放大器为(6)。

具体实施方式

结合图1和2，下面结合附图举例对本发明做更加详细的描述：基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器，其特征在于，由底座(1)、单阶梯梁(2)、压电传感单元(3)、压电作动单元(4)、信号放大电路(5)和功率放大器(6)组成；底座(1)的下端固定于吸振对象，底座(1)上端与单阶梯梁(2)一端固定；压电传感单元(3)和压电作动单元(4)粘贴在单阶梯梁(2)表面，压电传感单元和压电作动单元的形状都为等腰三角形，而且长度相等；压电传感单元和压电作动单元的底边都位于单阶梯梁与底座固定端；压电传感单元(3)的电极连接信号放大电路(5)输入端，信号放大电路(5)输出端连接功率放大器(6)输入端，功率放大器(6)输出端连接压电作动单元(4)的电极，构成完整的回路。如图1所示。

作为本发明的优选实施方式，所述底座上端与单阶梯梁阶梯之间的距离为单阶梯梁长度的80％-90％。

作为本发明的优选实施方式，所述压电传感单元和压电作动单元的底边宽度为单阶梯梁宽度的40％-45％，所述压电传感单元和压电作动单元的长度为单阶梯梁长度的40％-50％，所述压电传感单元和压电作动单元的厚度在0.2mm-2mm之间。

本发明的工作原理如下：

所述动力吸振器固定于吸振对象上，由文献(MaoQ,PietzkoS.ControlofNoiseandStructuralVibration.London:Springer.2013)可知，压电传感单元的输出信号Q可表示为

$Q=\frac{h+h_f}{2}{\∫}_0^{L_p}F\left(x\right)\·\left(e_{31}\frac{{\∂}^{2}w\left(x\right)}{\∂x^2}\right)dx---\left(1\right)$

式中，h为压电传感单元所在子梁的厚度，h_f为压电传感单元的厚度，e₃₁为压电传感单元的压电系数。w(x)为梁在x点与被控结构之间的相对位移。F(x)为压电传感单元的形状函数。L_p为压电传感单元的长度。

对式(1)进行两次分别积分，可得

$\begin{array}{c}Q=\frac{h+h_s}{2}{e}_{31}\left(F\right(x)\frac{\∂w\left(x\right)}{\∂x}{|}_0^{L_p}-{\∫}_0^{x_p}\frac{\∂F\left(x\right)}{\∂x}\frac{\∂w\left(x\right)}{\∂x}dx)\\ =\frac{h+h_s}{e_{31}}{e}_{31}\left(F\right(x)\frac{\∂w\left(x\right)}{\∂x}{|}_0^{L_p}-\frac{\∂F\left(x\right)}{\∂x}w(x){|}_0^{L_p}+{\∫}_0^{L_p}\frac{{\∂}^{2}F\left(x\right)}{\∂x^2}w(x\left)dx\right)\end{array}---\left(2\right)$

由于所述压电传感单元为等腰三角形，所以形状函数F(x)可表示为，

$F\left(x\right)=\frac{W_p}{L_p}(L_p-x)---\left(3\right)$

式中，W_p为压电传感单元底边的宽度。

从式(3)可以发现

$F(x=L_p)=\frac{{\∂}^{2}F\left(x\right)}{\∂x^2}=0---\left(4\right)$

注意到所述的压电传感单元的底边都位于单阶梯梁与底座固定端，这意味着压电传感单元底边的相对位移和应变均为零。也就是说，

$w(x=0)=\frac{\∂w(x=0)}{\∂x}=0---\left(5\right)$

把式(4)和(5)代入式(2)，则压电传感单元的输出信号可表示为，

$Q=\frac{h+h_s}{2}{e}_{31}\frac{W_p}{L_p}w\left(L_p\right)\∝w\left(L_p\right)---\left(6\right)$

从式(6)可以发现，所述压电传感单元的输出信号与压电传感单元顶点的位移成正比。由于压电作动单元形状与压电传感单元相同，并且压电作动单元的底边也位于单阶梯梁与底座固定端，根据逆压电效应可知，等腰三角形的压电作动单元的作用相当于在其顶点施加一个与其输入电压成正比的点力，即

F(L_p)＝Hu(7)

式中，H为一实常数，其值可根据压电作动单元的材料特性及其尺寸来确定。

压电传感单元的输出信号输入到信号放大电路，然后输入到功率放大器，功率放大器输出端连接压电作动单元的电极，驱动压电作动单元，构成完整的反馈控制系统。由于压电传感单元和压电作动单元对位布置，所以该反馈控制系统是无条件稳定系统。压电作动单元两端的控制电压u可表示为，

u＝Gain·B·Q＝Gain·B·Kw(L_p)(8)

式中，Gain为信号放大电路的增益，B为功率放大器增益。

把式(8)代入式(7)可得，

F(L_p)＝Gain·HBKw(L_p)(9)

从式(9)可以发现，压电作动单元的控制力正比与其顶点的位移，所述反馈控制系统相当于在压电作动单元顶点处布置一虚拟弹簧，该虚拟弹簧的刚度为Gain·HBK，如图2所示。由于系数H、B、K均为实常数，所以通过调节信号放大电路的增益Gain，即可以改变吸振器的阶梯梁刚度，从而调节所述吸振器的固有频率。

Claims (8)

1.基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器，其特征在于，由底座（1）、单阶梯梁（2）、压电传感单元（3）、压电作动单元（4）、信号放大电路（5）和功率放大器（6）组成；底座（1）的下端固定于吸振对象，底座（1）上端与单阶梯梁（2）一端固定；压电传感单元（3）和压电作动单元（4）粘贴在单阶梯梁（2）表面，压电传感单元（3）的电极连接信号放大电路（5）输入端，信号放大电路（5）输出端连接功率放大器（6）输入端，功率放大器（6）输出端连接压电作动单元（4）的电极，构成完整的回路。

2.如权利要求书1所述的基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器，其特征在于，单阶梯梁（2）的横截面为长方形或正方形。

3.如权利要求书1所述的基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器，其特征在于，压电传感单元（3）是压电薄膜或是压电陶瓷构成。

4.如权利要求书1所述的基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器，其特征在于，压电作动单元（4）是单片压电陶瓷材料或是两片以上压电陶瓷材料层叠而成。

5.如权利要求书1所述的基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器，其特征在于，压电传感单元（3）和压电作动单元（4）的形状都为等腰三角形，而且长度相等。

6.如权利要求书1所述的基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器，其特征在于，压电传感单元（3）和压电作动单元（4）的底边都位于阶梯梁与底座固定端。

7.如权利要求书1所述的基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器，其特征在于，压电传感单元（3）和压电作动单元（4）可同时粘贴在阶梯梁上表面，或同时粘贴在阶梯梁下表面，或分别粘贴在阶梯梁的上表面和下表面。

8.如权利要求书1所述的基于压电反馈控制的频率可调阶梯梁式动力吸振器，其特征在于，信号放大电路（5）中增益可以调节。