CN112099545B - 基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置，其技术方案为：包括压电自感知驱动单元、压电能量单元和控制模块，所述控制模块包括信号提取单元、相位补偿单元、极值检测单元、能量回收单元和开关单元；压电自感知驱动单元的输出端分别连接信号提取单元、开关单元的一端，开关单元的另一端与压电自感知驱动单元的输入端、极值检测单元相连；信号提取单元依次连接相位补偿单元、极值检测单元；压电能量单元与能量回收单元相连。本发明利用压电材料对振动能量进行回收，可以实现无开关延时、宽频带、自感知的半主动振动控制。

Description

基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置

技术领域

本发明涉及振动与噪声控制领域，尤其涉及一种基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置。

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，虽然可以用运算放大器组成较大的电感，但是运算放大器需要电源供电，即需要外界供电，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即同步开关阻尼)，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，基于非线性同步开关阻尼技术的半主动振动控制方法根据开关连接方式大致分为三种，开关将压电材料短路(SSDS技术)，开关将压电材料与电感相连(SSDI技术)，开关将压电材料与电感和电压源相连(SSDV技术)。

专利号为CN 101488033A、名称为“基于能量回收的结构振动与噪声控制装置”的中国发明专利公开了一种基于能量回收的结构振动与噪声控制装置，包括压电驱动单元、压电能量单元、压电传感单元和系统电路。该发明的装置不需要外界能量供给，利用压电材料对振动能量进行回收，为基于非线性的同步阻尼开关技术的半主动控制方法提供电源，并且可以实现SSDS、SSDI和SSDV技术。但该发明需要压电传感单元提供振动位移传感信号，不能实现自感知技术，即将压电传感单元和压电驱动单元合二为一，从而省去压电传感单元。

2009年全国压电和声波理论及器件技术研讨会暨2009年全国频率控制技术年会发表的名为“能量自给的自感知半主动振动控制”论文,其首次提出了利用自感知技术实现结构的半主动振动控制,还有2010年南京航空航天大学博士论文“基于压电材料的振动能量回收电路及其应用研究”也论述了该技术。但是，该技术中控制策略电路的设计存在不足,只能针对一个特定结构振动进行有效减振，即对一个特定的振动频率进行减振；如果换一个结构，就必须通过更换控制电路上的元器件(电容电阻)来改变滤波器的参数，从而实现减振的目的。同时，即使针对一个特定结构进行减振，由于自感知技术传感出来的信号与实际的位移信号可能有所偏差，即有相位差，会导致开关控制信号与位移的极值有延时，最终影响振动效果，如图5所示。从图5可以清楚的看出如果开关控制信号不在位移极值点处开启,延迟越大,振动控制效果越差。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置，该装置利用压电材料对振动能量进行回收，可以实现无开关延时、宽频带、自感知的半主动振动控制。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置，包括压电自感知驱动单元、压电能量单元和控制模块，所述控制模块包括信号提取单元、相位补偿单元、极值检测单元、能量回收单元和开关单元；

压电自感知驱动单元的输出端分别连接信号提取单元、开关单元的一端，开关单元的另一端与压电自感知驱动单元的输入端、极值检测单元相连；信号提取单元依次连接相位补偿单元、极值检测单元；压电能量单元与能量回收单元相连。

作为进一步的实现方式，包括压电自感知驱动单元、压电能量单元和控制模块，所述控制模块包括信号提取单元、相位补偿单元、极值检测单元、能量回收单元和开关单元；

压电自感知驱动单元的输出端与信号提取单元相连，且其输出端通过电感连接开关单元的一端，开关单元的另一端与压电自感知驱动单元的输入端、极值检测单元相连；信号提取单元依次连接相位补偿单元、极值检测单元；压电能量单元与能量回收单元相连。

作为进一步的实现方式，所述开关单元包括第一开关、第二开关、第一电压源、第二电压源，第一开关与第二开关并联；第一开关的一端与电感连接，另一端与第一电压源的正端连接，第一电压源的负端与压电自感知驱动单元的输入端连接；第二开关的一端与电感相连，另一端与第二电压源的负端连接，第二电压源的正端与压电自感知驱动单元的输入端连接。

作为进一步的实现方式，所述压电自感知驱动单元包括至少一个第一压电元件，所述压电能量单元包括至少一个第二压电元件，第一压电元件、第二压电元件能够贴设于被控结构表面。

作为进一步的实现方式，所述信号提取单元得到的振动传感信号能够通过相位补偿单元得到与真实振动位移信号相差90度的位移传感信号。

作为进一步的实现方式，所述极值检测单元采用过零比较器，能够将与真实振动位移信号相差90度的位移传感信号与零相比较，从而输出开关信号。

作为进一步的实现方式，所述极值检测单元包括电压比较器，所述电压比较器的正向输入端与相位补偿单元输出端相连，电压比较器的负向输入端接地，电压比较器的输出端与开关单元相连。

作为进一步的实现方式，还包括电源管理单元，所述电源管理单元与能量回收单元相连，电源管理单元能够为开关单元、信号提取单元、相位补偿单元和极值检测单元提供电源。

作为进一步的实现方式，所述信号提取单元包括串联的低通滤波器和幅值同比缩放电路，所述相位补偿单元包括低功耗运算放大器，所述低功耗运算放大器与幅值同比缩放电路相连。

作为进一步的实现方式，所述能量回收单元包括串联在一起的滤波整流单元和脉冲充电单元。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式从粘贴在被控结构上压电片回收能量给低功耗控制电路供能，用来控制装置中开关的工作，不需外界能源，结构简单；可以实现无延迟、宽频带振动控制(鲁棒性好)，体积小，易于安装和应用(驱动器与传感器合二为一)、在结构振动噪声控制中具有广泛的应用前景；

(2)本发明的一个或多个实施方式相位补偿单元得到与真实振动位移信号相差90度的位移传感信号，极值检测单元采用过零比较器，能够将与真实振动位移信号相差90度的位移传感信号与零相比较，从而输出开关信号；可以实现无延迟的半主动振动控制，解决了开关控制信号与位移的极值有延时而影响振动效果的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一的原理图；

图2为本发明实施例二的原理图；

图3为本发明实施例三的原理图；

图4为本发明的一个或多个实施例的控制模块电路图；

图5为开关延时对控制效果的影响；

图6为控制前结构振动的位移与电压关系示意图；

图7为控制后结构振动位移、电压与速度的关系示意图；

图8(a)为应用SSDS技术的效果图；

图8(b)为应用SSDI技术的效果图；

图8(c)为应用SSDV技术的效果图；

图9为相位差

与压电片电压翻转系数γ关系示意图；

图10(a)为本发明一个或多个实施例的控制原理图；

图10(b)为经过低通滤波器和移相器后的电压传感信号和位移关系图；

图10(c)为经过极值检测单元后开关信号与位移的关系图；

其中，1、第一压电单元，2、第二压电单元，3、信号提取单元，4、相位补偿单元，5、极值检测单元，6、电源管理单元，7、能量回收单元，8、开关单元。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一：

本实施例提供了一种基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置，如图1所示，包括压电自感知驱动单元、压电能量单元和控制模块，所述压电自感知驱动单元、压电能量单元分别与控制模块相连。

进一步的，压电自感知驱动单元包括至少一个第一压电元件1，压电能量单元包括至少一个第二压电元件2；使用时第一压电元件1、第二压电元件2贴设于被控结构表面。控制模块包括开关单元8、信号提取单元3、相位补偿单元4、极值检测单元5和能量回收单元7，第一压电元件1的输入端用于贴设在被控结构表面，输出端分为两路，一路通过开关单元8与其输入端连接；另一路与信号提取单元3连接，通过信号提取单元3得到振动位移传感信号。

信号提取单元3依次连接相位补偿单元4、极值检测单元5，传感信号通过相位补偿单元4得到与真实振动位移信号相差90度的位移传感信号，最后通过极值检测单元5向开关单元8发出控制信号。第二压电元件2的输入端用于贴设在被控结构表面，其输出端与能量回收单元7连接，能量回收单元7与电源管理单元6连接。电源管理单元6为信号提取单元3、相位补偿单元4和极值检测单元5提供电源，极值检测单元5向开关单元8输出控制信号。本实施例可实现无延迟、宽频带、自感知的SSDS技术。

具体的，如图4所示，信号提取单元3包括一个低通滤波器和一个幅值同比缩放电路，低通滤波器由第三低功耗运算放大器U3、第一电容C1、第二电容C2和第五电阻R5、第六电阻R6组成。幅值同比缩放电路由第四低功耗运算放大器U4、第七电阻R7(可调电阻)和第八电阻R8组成；第八电阻R8一端接第一电压元件1连接，另一端与第七电阻R7连接。第四低功耗运算放大器U4的正向输入端与第七电阻R7连接，第四低功耗运算放大器U4的反向输入端与其输出端连接。

相位补偿单元4包括第五低功耗运算放大器U5、第三电容C3、第九电阻R9(可调电阻)和第十电阻R10、第十一电阻R11；第三电容C3一端同时与第五低功耗运算放大器的正向输入端和第九电阻R9一端连接，另一端接地。第十电阻R10一端同时与信号提取单元输出(第三低功耗运算放大器U3的输出端)和第九电阻R9一端连接，另一端同时与第五低功耗运算放大器U5的负向输入端和第十一电阻R11一端连接，第十一电阻R11的另一端与第五低功耗运算放大器U5的输出端相连。

极值检测单元5包括第一电压比较器U6，第一电压比较器U6的正向输入端与相位补偿单元输出(第五低功耗运算放大器U5的输出端)相连，第一电压比较器U6的负向输入端接地，第一电压比较器U6的输出端与开关单元相连。

能量回收单元7包括滤波整流单元和脉冲充电单元，即包括滤波整流的前半部分和采用脉冲充电方式的后部分。整流部分由一个整流桥D3和一个滤波电容C9并联组成，其将压电能量单元中的第二压电片2输出的交流电变成直流电。脉冲充电单元由一个充电电容C10、P型的场效应管Q3和一个低功耗的电压比较器U7组成；充电电容C10与滤波电容C9并联连接。

场效应管Q3的基极与场效应管Q5的集电极连接，场效应管Q3的发射极与基极之间接有电阻R12，场效应管Q3的发射极与集电极之间接有电容C7。场效应管Q5的发射极接地，基极与电压比较器U7的输出端连接；电压比较器U7的正向输入端接在相串联的电阻R13、R14之间，电阻R14另一端接地，电阻R13同时与场效应管Q3的发射极和电容C10连接；串联的电阻R13、R14并联一个储能电容C11。当充电电容C10超过设定电压值时，低功耗的电压比较器U7立即驱动P型的场效应管Q3，使其向储能电容C11充电。

电源管理单元6主要包括低功耗的电压比较器U8、P型的场效应管Q4、低功耗的开关型电源稳压器U9和低功耗的反向电源器U10。当储能电容C11内的电荷累积到一定程度，即超过设定电压值时，由监测其电压的电压比较器U8向P型的场效应管Q4发出打开信号，使储能电容C11对开关型电源稳压器U9供电，这样电源稳压器U9即可输出稳定的正电源。同时由于反向电源器U10的输入端与稳压器U9的输出端相连，反向电源器U10也输出稳定的负电压源。由开关型电源稳压器U9和反向电源器U10输出的稳定正负电源对信号提取单元3、相位补偿单元4、极值检测单元5和电压源S1、S2供电。

实施例二：

本实施例提供了一种基于能量回收的自感知结构振动与噪声控制装置，如图2所示，包括压电自感知驱动单元、压电能量单元和控制模块，其中，压电自感知驱动单元由至少一个能够贴设在被控结构表面的第一压电元件1组成，压电能量单元由至少一个能够贴设在被控结构表面的第二压电元件2组成。

控制模块包括开关单元8、信号提取单元3、相位补偿单元4、极值检测单元5、能量回收单元7和电源管理单元6；第一压电元件1的输入端贴设在被控结构表面，输出端分为两路；一路通过电感L与开关单元8一端连接，开关单元8另一端与第一压电元件1输入端连接；另一路与信号提取单元3连接，通过信号提取单元3得到传感信号，而传感信号再通过相位补偿单元4得到与真实振动位移信号相差90度的位移传感信号，最后通过极值检测单元5向开关单元8发出控制信号。

第二压电元件2的输入端贴设在被控结构表面，其输出端与能量回收单元7连接；能量回收单元7通过电源管理单元6为控制模块中的信号提取单元3、相位补偿单元4、极值检测单元5提供电源。

信号提取单元3、相位补偿单元4、极值检测单元5、能量回收单元7、电源管理单元6的连接电路如图4所示，与实施例一相同，此处不再赘述。

本实施例在振动结构上粘贴至少2片压电元件，当采用2片压电单元时，其中一片压电元件用于能量回收，另外一片压电元件用作自感知驱动器。在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。一般采用一片压电元件实现能量回收；自感知驱动单元可采用多个压电片并联的结构。

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6所示。当使用SSDI技术时其中作为驱动器的第一压电元件1两端并联开关的电子回路，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单元5向开关单元8输出控制信号，回路中的开关单元8迅速闭合。

由于第一压电元件1一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1上的电压与开关闭合前反向，如图7所示；当开关断开时，第一压电元件1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。

当使用SSDV技术时，其中作为驱动器的压电元件两端并联由电感、开关和电压源组成的电子回路，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，也发生LC高频共振，只是由于电子回路中的外加电压源推高了压电片上翻转前后的电压，得到了更好的振动控制效果。

如半主动振动控制原理所述，如果没有开关切换时，压电片上的电压随着结构振动变化而变化。假设激振力的角频率是ω，位移可以由式(1)表示，其中u_M为振动的幅值。

u(t)＝u_Msin(ωt) (1)

当有开关切换时，例如在SSDI技术中，压电片上的电压V可以由式(2)表示，即可分为两个部分：一个是结构的振动位移波形u(t)；另外一个是方波h(t)；

其中h(t)方波可以由式(3)表示：

这里φ是位移极值与实际开关工作时刻之间的相位差，τ也与φ有关，表示开关延迟时间，γ是压电片上的电压翻转系数。方波h(t)是个周期信号，其可以由傅里叶级数展开。压电片上的电压V可以由式(4)表示：

这里有两个假设，第一个假设：如果只考虑方波h(t)的第一次谐波信号，压电片上的简化电压V_sim可以由式(5)表示，它也可以分为两个部分：一个是结构的振动位移波形u(t)；另外一个是方波h(t)的第一次谐波信号：

进一步，公式(5)可以化简为：

其中

是压电片上的简化电压V_sim与振动位移之间的相位差，可以用公式(7)表示为：

公式(7)表明相位差

与开关延迟时间和电压翻转系数有关。如果没有开关延迟，相位差

与电压翻转系数之间的关系如图9所示。可以从图9看出，相位差

与电压翻转系数近似成线性增长关系。

第二个假设：如果相位差

被一个相位延迟补偿了，这个补偿后的信号V_fil可以由公式(8)表示，其就可以用做一个位移传感信号，如图10(a)-图10(c)所示。

实际上满足这两个假设需要一个低通滤波器就可以实现，低通滤波器可以滤去高阶谐波(满足第一个假设)，同时有一个相位延迟(有时可以满足第二个假设)。针对一个振动结构，如果振动结构的频率是ω，需要设计一个截至频率为ω的低通滤波器，它可以滤去高于ω的谐波，并产生一个合适的相位延迟，低通滤波器的输出就可以作为位移信号的传感信号。

例如，如果压电片上的电压翻转系数γ为0.5，从图8(a)-图8(c)可以看出，压电片上的简化电压V_sim与振动位移之间的相位差

为75度，这正好与二阶贝塞尔低通滤波器在截止频率处的相位延时相同(-74.6°)，这样选择合适的电容电阻组成一个二阶贝塞尔低通滤波器就可以同时满足两个假设(滤去高阶谐波和产生的相位延迟正好消去相位差)。

但是如果压电片上的电压翻转系数γ不为0.5或者随着时间有变化，那样产生的开关控制信号就会有延迟，这最终会影响振动控制的效果。另外一方面，如果换一个结构，即共振频率ω不一样了，就必须通过更换控制电路中低通滤波器的元器件(电容电阻)来改变滤波器的参数，才能实现减振的目的。

本实施例在信号提取单元3(幅值缩放单元和低通滤波器单元)后面加了一个相位补偿单元4，其可以实现宽频带的控制，从而不需要更换控制电路中低通滤波器的元器件(电容电阻)。从公式(4)可以看出，方波h(t)的第一次谐波信号的频率是ω，第二次谐波信号的频率是3ω，这样当低通滤波器设定截止频率为ω时，只要输入的信号在1/3ω到ω之间，第二次及以上的谐波信号都可以滤除。

例如当控制电路中低通滤波器的截止频率设为30Hz，输入振动频率从10Hz到29Hz变化时，低通滤波器都会满足第一个假设(可以滤去高阶谐波)，但不能满足第二个假设，这时调节相位补偿单元中的移相器就可以实现第二个假设(可以产生合适的相位延迟)，这样就可以在10-30Hz频带内实现自感知的半主动振动控制。另外，当压电片上的电压翻转系数γ不为0.5或者有变化时，也可以调节相位补偿单元中的移相器实现第二个假设(可以产生合适的相位延迟)，这样可以实现无延迟的半主动振动控制。

现有自感知半主动控制技术中将得到的传感信号分为两路：一路直接输入低功耗的电压比较器的反向输入端，另一路通过RC无源低通滤波器输入低功耗的电压比较器的正向输入端，这样利用电压比较器对两路信号进行比较，从而向开关单元输出能够判断位移极值的方波信号，无疑会产生一点延时。本实施例中的极值检测单元5采用过零比较器，将与真实振动位移信号相差90度的位移传感信号与零相比较，从而输出开关信号，这样可以实现无延迟的半主动振动控制。

实施例三：

本实施例提供了一种基于能量回收的自感知结构振动与噪声控制装置，如图3所示，包括压电自感知驱动单元、压电能量单元和控制模块，其中，压电自感知驱动单元由至少一个能够贴设在被控结构表面的第一压电元件1组成，压电能量单元由至少一个能够贴设在被控结构表面的第二压电元件2组成。

控制模块包括开关单元8、信号提取单元3、相位补偿单元4、极值检测单元5和能量回收单元7、电源管理单元6；第一压电元件1的输入端贴设在被控结构表面，其输出端分为两路，一路通过电感L与开关单元8一端连接，开关单元8另一端与第一压电元件1输入端连接。另一路与控制模块中的信号提取单元连接，通过信号提取单元得到传感信号，而传感信号再通过相位补偿单元4得到与真实振动位移信号相差90度的位移传感信号，最后通过极值检测单元5向开关单元8发出控制信号。

第二压电元件2的输入端贴设在被控结构表面，输出端与控制模块中的能量回收单元7连接；能量回收单元7通过电源管理单元6为控制模块中的开关单元8、信号提取单元3、相位补偿单元4和极值检测单元5提供电源。

第一电压元件1的输出端一路通过一个电感L与控制模块中的开关单元8连接一端，开关单元8另一端与第一电压元件1输入端连接。另一路与控制模块中的信号提取单元3连接，通过信号提取单元3得到传感信号，而传感信号再通过相位补偿单元4得到与真实振动位移信号相差90度的位移传感信号，最后通过极值检测单元5向开关单元8发出控制信号。

所述开关单元8包括相并联的第一开关K1和第二开关K2、以及手动开关SW1和两个电压源S1和S2。第一开关K1的一端与电感L连接，另一端通过手动开关SW1与第一电压源S1的正端连接，电压源S1的负端与第一压电元件1的输入端连接。第二开关K2的一端与电感L相连，另一端通过手动开关SW1与第二电压源S2的负端连接，第二电压源S2的正端与第一压电元件1的输入端连接。

第一开关K1包括一个第一场效应管Q1和一个第一二极管D1，第一二极管D1的正端与第一场效应管Q1的集电极连接，负端与电感L连接。第二开关K2包括一个第二场效应管Q2和第二二极管D2，第二二极管D2的正端与电感L连接，负端与场效应管Q2的集电极连连接。第一场效应管Q1的发射极通过手动开关SW1与第一电压源S1的正端连接；第二场效应管Q2的发射极通过手动开关SW1与第二电压源S2的负端连接。

第一电压源S1由低功耗运算放大器U1、可调电阻R1和电阻R2组成；第二电压源由低功耗运算放大器U2、电阻R3和电阻R4组成。电压源S1和S2的输出电压幅值由可调电阻R1调节。

信号提取单元3、相位补偿单元4、极值检测单元5、能量回收单元7、电源管理单元6的连接电路如图4所示，与实施例一相同，此处不再赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置，其特征在于，包括压电自感知驱动单元、压电能量单元和控制模块，所述控制模块包括信号提取单元、相位补偿单元、极值检测单元、能量回收单元和开关单元；

压电自感知驱动单元的输出端分别连接信号提取单元、开关单元的一端，开关单元的另一端与压电自感知驱动单元的输入端、极值检测单元相连；信号提取单元依次连接相位补偿单元、极值检测单元；压电能量单元与能量回收单元相连；

所述信号提取单元得到的振动传感信号能够通过相位补偿单元得到与真实振动位移信号相差90度的位移传感信号。

2.基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置，其特征在于，包括压电自感知驱动单元、压电能量单元和控制模块，所述控制模块包括信号提取单元、相位补偿单元、极值检测单元、能量回收单元和开关单元；

压电自感知驱动单元的输出端与信号提取单元相连，且其输出端通过电感连接开关单元的一端，开关单元的另一端与压电自感知驱动单元的输入端、极值检测单元相连；信号提取单元依次连接相位补偿单元、极值检测单元；压电能量单元与能量回收单元相连；

所述开关单元包括第一开关、第二开关、第一电压源、第二电压源，第一开关与第二开关并联；第一开关的一端与电感连接，另一端与第一电压源的正端连接，第一电压源的负端与压电自感知驱动单元的输入端连接；第二开关的一端与电感相连，另一端与第二电压源的负端连接，第二电压源的正端与压电自感知驱动单元的输入端连接；

所述信号提取单元得到的振动传感信号能够通过相位补偿单元得到与真实振动位移信号相差90度的位移传感信号。

3.根据权利要求1或2所述的基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置，其特征在于，所述压电自感知驱动单元包括至少一个第一压电元件，所述压电能量单元包括至少一个第二压电元件，第一压电元件、第二压电元件能够贴设于被控结构表面。

4.根据权利要求1或2所述的基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置，其特征在于，所述极值检测单元采用过零比较器，能够将与真实振动位移信号相差90度的位移传感信号与零相比较，从而输出开关信号。

5.根据权利要求4所述的基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置，其特征在于，所述极值检测单元包括电压比较器，所述电压比较器的正向输入端与相位补偿单元输出端相连，电压比较器的负向输入端接地，电压比较器的输出端与开关单元相连。

6.根据权利要求1或2所述的基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置，其特征在于，还包括电源管理单元，所述电源管理单元与能量回收单元相连，电源管理单元能够为开关单元、信号提取单元、相位补偿单元和极值检测单元提供电源。

7.根据权利要求1或2所述的基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置，其特征在于，所述信号提取单元包括串联的低通滤波器和幅值同比缩放电路，所述相位补偿单元包括低功耗运算放大器，所述低功耗运算放大器与幅值同比缩放电路相连。

8.根据权利要求1或2所述的基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置，其特征在于，所述能量回收单元包括串联在一起的滤波整流单元和脉冲充电单元。

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