CN1252400C - 智能外壳结构 - Google Patents

Abstract

可管理和操控振动能的智能外壳结构。这种外壳可以用来控制一系统的、部件的、装置或结构的外壳或蒙皮中的振动。此外壳具有与之耦合的传感器以获得对振动的响应。与外壳成整体连接的致动器可以有选择地起动给此外壳加力，以使振动能限制于或转向到外壳的一个或多个预定区。由致动器施加的力可控制来形成限制性能量流。还可以用振动力的空间导数控制外壳致动器。此种结构可以用于但不限于船舶、飞行器、宇宙飞船、汽车、水上装置、工业机器、机库、家用器具、建筑物、桥梁与海上石油平台。

Description

智能外壳结构

联邦政府赞助的研究与发展项目的权利声明

美国政府拥有本发明的已交费的专利许可，以及在限定环境下要求专利所有人允许其他人在BMDO(弹道导弹防御组织)提出的合理期限内(合同号DASG 60-00-C-0077)获得专利许可的权利。

技术领域

本发明一般地涉及具有振动能量的管理和操控本领的智能外壳结构，具体涉及到管理系统、组件、装置或结构的蒙皮或外壳中的振动。

背景技术

当前的无源式振动抑制方法分组成三个主要领域：能量隔离、能量吸收与通过阻尼材料和/或阻尼装置的能量消耗。正如这种名称所表示的，吸收件是添加的设计用来吸收振动能的单自由度或多自由度系统，而隔离件则截止振动能的流动并阻止其相对于所考虑的系统送入或传出。注意到在吸收件的情形，能量是从主系统取出而引向吸收件的；而在隔离件的情形，能量则是被阻挡于隔离件的任一侧。但在附加阻尼的情形，能量便会以噪声和/或热的形式消耗。采用这样一些无源方法是有许多优点的。振动的隔离件、吸收件与附加的阻尼件属周知的，同时有较简单的数据模型能辅助它们用于设计阶段，且已由设计师与工程师等用了一个多世纪。它们易于制造，应用的费用也低。不过这类无源式方法都存在若干重大的性能缺点。隔离件与吸收件通常调谐到一个或几个选择的谐振频率，因而它们在选定的谐振频率附近的窄的频带范围内最为有效。它们的性能在所设计的频率范围之外会下降。在某些情形下，它们甚至有可能将不希望有的振动放大。

当出现剧烈的震荡或振动荷载时，振动隔离件就无效。在结构中附加阻尼的主要作用在于以较快的速率取出较多的能量。因此，它们的性能取决于有多少能量以及能量怎样通过此结构输送到此阻尼机构。由于结构振动在谐振时最大，在谐振频率或其附近，阻尼处理方法最为有效。当应用吸收件或附加阻尼件来减少低频振动时，则将涉及到重量上的负担。此外，绝大多数阻尼材料具有有限的温度范围且在较高的频率下有较好的性能。因此，对于更广的频率范围就需要有更有效的振动抑制方法。

近年来引入了各式各样的AVC(有源式振动消除)法来有源地抑制振动。绝大多数这类AVC技术是根据这样的振动原理，这类振动原理已经与微电子学、信号处理、材料科学与控制策略的进展相结合，以构成更适用和更有效的振动抑制系统。在当前实用的具有反馈控制器的AVC系统中，对振动进行测量并将结果反馈给控制器，然后采取相应的起动操作。在此情形下，致动器施加力或力矩来抵消已有的振动。在具有前馈控制器的AVC系统中，对源进行测量并正向传送给此控制器，然后进行相应的起动操作。这时是用致动器将在此源或其附近相对于该测量信号具有适当相移的相同扰动注入。尽管上述两种AVC法在原理上是不同的，但它们至少有两个共同特点：它们都是把能量注入系统中以消除已有的不希望有的振动或噪声，同时它们都以反应方式(即传感、处理与响应)工作。现行的AVC法不能改变结构内的振动能量流。

2000年9月12日发布的题名为“Apparatus and Method forConfinement and Damping of Vibration Energy”的美国专利No.6116389以及2000年3月7日发布的题名为“Vibration Controlby Confinement of Vibration Energy”的美国专利No.6032552，提出了这样的振动问题，即注意到不太可能或不能实现完全抑制一个系统所有部分的振动。但这两件专利认识到实际上可以将振动改向或限制到非临界区或是较易控制的区域中。在这两件专利中，所述限制是通过无源式或半有源式的装置实现的，这种装置控制着结构部件或机械部件的位置和/或刚性。

复合的金属外层，例如围绕汽车的板件、建筑用的墙壁与墙纸以及装计算机的包装箱，都是一个系统非常重要的整体部分。特别是宇宙飞船、飞机、船舶与潜艇，它们都有承受力的外壳或蒙皮，这种外壳或蒙皮不仅需能经受严苛的空气动力学与流体动力学的载荷(例如承重)，还必须携带一系列的光、声与雷达型的传感器。外壳的主要任务之一便是保护它的荷重与传感器阵列。

当前所有的外壳(即飞机蒙皮、汽车与设备等的外壳)只是较薄的一层各向同性的金属或多层复合材料。除了通常的任务外，还希望具有的外壳能控制和引导振动能量，以使振动荷载的破坏效果减至最小。能够通过控制能量流与能量管理来控制噪声与振动的外壳可以很好地适用于监控它的主机系统(或部件)的健康。这就是说，外壳有可能于初期阶段探测到损伤与裂纹，确定受损的部位从而能在其传播到系统的其余部分之前快速地查出和修改。

出于上述的理由以及下述的可为本领域技术人员在阅读和了解本说明书后得以弄清的理由，在本项技术中就需要有这样的智能外壳，它能用来有源地改变结构内的振动能。

发明内容

上述的结构振动问题以及其他问题可由本发明解决，并可以通过阅读和研究下述的说明而得以理解。

本发明提供了这样的系统，它能感测干扰能量的数量、位置与类型，并将多余能量限制、转移与引导，用以保护系统本身及其承载的所有部件不会由于多余的扰动能的随机传播而被损坏。

在一种实施形式中，外壳结构包括外壳、与此外壳耦合以测量外壳振动的传感器以及与外壳整体连接的致动器。这种致动器可以有选择地起动以给外壳施加力，从而将振动能限制或改向到一个或多个预定的外壳区域。然后可以用无源件来消耗限制住的振动能，所加的力可以由此振动系统的空间导数或通过所探测的振动的相位与大小加以确定。应用此探测的扰动的大小与相位，确定由此致动器所加的力的相称的相位与大小。

在另一实施形式中，具有外壳材料的结构包括外层、与外层耦合的用于测量外层中的振动的传感器，与外壳成整体的致动器，以及与传感器耦合的用于给致动器提供控制信号的控制器。

在又一实施形式中，提供了用于控制外壳结构中振动的方法。此方法包括：探测外壳结构中的振动；对成整体地形成于外壳中的致动器施加反馈力，通过在外壳中形成能量流型以限制振动能或使其改向。

提供了在外壳结构中控制振动的另一种方法。此方法包括：探测外壳结构中的振动；处理探测出的振动以确定为限制此振动所需的相称的反馈力。将此反馈力与历史数据和原始数据相比较，以确定此外壳结构中是否存在缺陷。最后，由此外壳中整体形成的致动器施加反馈力，限制振动能或使其改向。

附图说明

图1A示明本发明一实施形式的外壳结构的俯视图；

图1B示明本发明一实施形式的外壳结构的透视图；

图1C示明本发明一实施形式的外壳结构的横剖图；

图1D示明具有无源件的本发明一实施形式的扁平外壳结构的横剖图；

图1E示明具有无源件的本发明一实施形式的弯曲外壳结构的横剖图；

图2示明应用本发明一实施形式能感生的环流限制；

图3示明应用本发明一实施形式能感生的涡流限制；

图4A～4C示明在由扰动力激发的结构中用于控制能量的三种可能的能量流型；

图5A与5B示明应用空间导数限制振动的外壳结构的一种实施形式；

图6A和6B示明本发明一实施形式的能量管理系统与当前实际应用的有源式振动限制方法之间的某些差别；

图7是本发明一实施形式的振动限制与缺陷探测的流程图。

具体实施形式

在下面对最佳实施例的详细描述是参考附图进行的，这些附图构成了本发明的一部分，其中示明了供解释用的可由之实现本发明的最佳具体实施例。这些实施例描述得充分详细以使本领域的技术人员能实施本发明，同时应认识到可以采用其他实施形式，且在不脱离本发明的精神与范围的前提下是可以作出逻辑的、机械的与电气的变更。因此，下面的详细描述不带限制意义，本发明的范围只受权利要求书的规定。

本发明涉及具有基于综合能量的混合振动与噪声控制系统的受力外壳结构。这种振动的控制策略依靠一种振动能量管理系统，此振动控制系统包括无源件与有源件，它们中的每一个具有两种功能。无源件为外壳结构提供了高频下的能量消耗和谐振频率下的能量吸收。对于无源件，可提供受约束的层阻尼件(CLD)和调谐的质量阻尼器(TMD)。有源件在低频下消耗能量并将振动能量引向这样一些特殊区域，在这种特殊区域中，多余的能量能够被无源件和/或有源件有效地吸收或消耗。如上所述，有源件是包含于外壳材料中的。在一种实施形式中，可以将压电棒致动器用于有源件。这些无源与有源件允许在受力外壳结构中提供能量控制，由此产生出高效的智能外壳结构。智能外壳结构能够以高效的和有用的方式导引激发的振动能，使扩散的振动产生的有害影响和/或辐射的噪声减至最低限度。

在本发明的智能外壳中，可以将许多不同的材料用于传感器和/或致动器。压电工艺(PZT)材料只是适用于智能外壳的多种材料之一。压电工艺能够用于有源式振动控制的致动器。压电材料可用来将电能变换为机械能，并且反之亦然。压电工艺由于它的许多有用特性如高频下的可重复性、很广的负荷范围以及不需维护，已广泛地用于精密运动(纳米级)。锆钛酸铅(PZT)基的陶瓷材料是最常用的。PZT致动器的某些基本构造包括(但不限于)棒形构造、堆栈式构造、片状构造、管状构造与弯片式构造。在堆栈式构造中，致动器由被薄金属电极分开的成叠陶瓷盘件组成。最大的工作电压与上述盘件的厚度成正比。堆栈式构造的致动器可以经受高压并在所有压电设计的致动器中具有最高的硬度。弹簧预加载的致动器之所以被考虑，是由于陶瓷本身不能经受大的拉力所致。这种设计可以用于静态与动态作业。在片状构造中，致动器由薄的陶瓷条组成。这种致动器的位移与电场的极化方向垂直。最大行程是这种带的长度的函数，这种平行排列的带的数目决定着致动器的刚度与稳定性。在管状构造中，致动器根据横向压电效应工作。当把电压施加到外径与内径之间，此管便沿轴向与径向收缩。当管的外电极被分成四段时，不同的驱动电压会导致一端弯曲。在弯片式构造中，致动器类似于恒温槽中双金属带工作。当给陶瓷施加电压后，此金属基片便以正比于所加电压的移动量弯曲。

在一实施形式中，本发明采用的有源式致动器设有这样的结构外壳，它在作用点处感生一组正比于此结构的空间导数的力(即张力、剪切力)。相反，在有源的控制系统中所用的传统的致动器则产生一组正比于位移的时间导数(即速度或加速度)的力。在另一实施形式中，本发明所用的有源式致动器设有一种外壳结构，按以下所说明的，感生一组由涡流能量流(VPF)限定的力。这样，本发明提供了一种“智能”外壳，它能用于无数的结构件中，这种智能外壳包括有能够控制此结构振动的传感器与致动器。致动器的受控方式可以根据能量流中形成的涡流，和/或此致动器可以响应于此系统位移的空间导数加以控制。

图1A、1B与1C分别示明了外壳结构100或表面的一部分的俯视图、透视图与横剖图。参考图1A，此外壳的一种实施形式具有众多的单元101，它们各包含着致动器。图1B中示明了一个单元101的透视图。此外壳可以由适当的材料制成，但一般是由金属或复合外层110形成。此外壳可有一绝缘层103。外壳具有位于一个图案中、并与如果设置了的外壳绝缘层103形成整体的致动器102。致动器定位成能有选择地对外层110加力。在此示明的实施例中的致动器是可给外壳结构加力的压电棒。这些致动器可以排列成格栅图案或是这种结构构型特有的其他图案。这种压电棒在电场作用下将膨胀。同样，压电棒在力的作用下时将提供电场。因此，某些压电棒能够用作传感器来探测外壳中存在的振动。参看图1C，这些传感器与控制器150耦合，后者能给起到制动器作用的压电棒提供有源的反馈。其他类型的传感器与制动器也是在预计之中，本发明也不限于压电器件。上述致动器对于外壳结构可以是独立的添加部件。但是与外壳成为整体的致动器则能有更多的构造选择，如以下所阐明的，本发明能为运输系统、用电系统、装置、子系统、小组件与结构提供能量控制。例如汽车的与飞行器的外壳能够结合上本发明。用电设备如冰箱、空调机与洗衣机等也能结合本发明的外壳结构。

图1D示明扁平外壳结构152的一种实施形式的简化了的横剖面。此外壳结构包括与外壳耦合的无源件154，以消耗限制在包含该无源件的外壳安置区的振动能。图1E示明弯曲形外壳结构156的一实施例的简化的横剖面。这种外壳结构包括与外壳耦合的无源件158，消耗限制在包含该无源件的外壳安置区的振动能。应该认识到这种扁平与弯曲的外壳件可以用来构造成任何个数的不同形状的部件，如球形件。

在本发明一实施形式中，基于涡流能量流作用的能量限制(EC-UPF)可以控制施加给外壳的反馈力。在承受稳态振动作用的结构中产生的涡流型强度响应图案具有很强的能力来限制振动能量流到此结构的特定区。图2示明通过控制一组附设的致动器的大小与相位可以感生的环流限制160(即涡流动率流)。通过有源控制系统感生能量流涡流能有效地将振动能量流从结构180的临界区域170移走。在某些应用中，这种转移振动能量流的方法可能会比用来抑制或消耗振动能的常规方法更为有效。可以注意到，用来有源地使振动能转向所需的功率能够显著地低于有源抑制的能量。参看图3，用本发明的实施形式可以感生涡流限制。在外壳中感生出具有环形能量流的几个区域310来隔离此外壳的临界区320。外壳结构中的致动器302用来感生限制能量流。

当低损耗结构受到外力作用时，外壳结构的自振方式不会瞬时激发。注入外壳结构中的外部能作为行波通过此结构传播直至到达其边界。取决于边界特性，则此结构中产生渐消失波与反射波。这种入射波与反射波的相互作用则于此结构中产生驻波。此时激发出与所形成的驻波一致的波型。于是，防止驻波的形成导致减少结构振动。可以利用对行波的控制，通过消除其源即反射波来减少振动。后一种方法使得所有结构的振动模式停止。换言之，有限结构看来与其中不形成振动模式的无限结构具有类似的特点。另一方面，驻波控制技术则依赖于和结构的固有波型不调谐的驻波的产生。在此情形下，外部产生的驻波控制着结构的响应，从而抑制能量流。

在结构中可以以众多的不同图型实现振动强度分布图型(也称作能量流型)，例如(但不限于)直线型、S型或涡流型。这些能量流型能将多余的振动能限制于受限区域内，或使能量流从结构的特定区段转向到另一区域。在这两种情形下，结构的临界区部分保持低的振动水平。

在本发明一实施形式中利用一组致动器的配置和个数去感生出能量限制，从而将振动能俘获于输入源附近。由致动器施加的力的大小以及这种力相对于扰动的相位还被用来感生涡流限制。与用来抑制、消耗或消除多余振动能量的常规方法相反，根据涡流能量流的能量限制方法将振动能俘获于扰动源的周围而远离临界区，同时在此过程消耗一些能量。

图4A-4C示明用于管理由扰动力激发并由单个致动器控制的结构中的能量的三种可能的能量流型。这种能量流型是直的、S形的与涡流状的。如果此结构接近第一弯曲模式被激发并控制，则功率从扰动器200(或源)沿直线流到致动器202(或汇点)。可以采用直流型将能量有源地转换到结构中最适当的位置。该结构接近第四弯曲模式被激发和控制，迫使功率以S形图型(参看图4B)从扰动200(或源)流至致动器202(或汇点)。可以形成小的涡流。当应将能量通过复杂的路径转换到结构中所需位置时，S形流型可能是有效的。与S形流型共存的小的巢状涡流可以用来隔离结构例如飞行器或航天飞行器的外壳内的多个关键部件(即敏感的电子器件或传感器阵列)。最后，当此结构接近第六弯曲模式受到激发与控制时，可以感生涡流能量流型(参看图4C)。功率被俘获于环绕干扰200(或/源)与致动器202的圆形构型中。可以看到，此扰动与致动器并不位于各涡流的中心(或“眼”)处。可以利用一种涡流能量流型来防止能量从源传播开。

本发明与传统的外壳相比，能够对减少或控制辐射噪声具有显著的影响。在衰减辐射噪声(如减少飞机内部的噪声)和声信号方面，有源噪声控制(ANC)和有源结构声音控制(ASAC)技术在低频范围是有效的。在ANC的情形，需将传感器与致动器(即传声器与扬声器)定位于声场。但在ASAC的情形，传感器与致动器(即加速计与PZT补片)通常集成于辐射结构中。与ASAC技术的情况相同，本发明可让传感器与致动器集成到外壳结构中。但是使得这里提出的方法不同于和优于传统的ASAC方法的，则是将致动器用于控制和管理外壳结构中的振动能，由此通过主动地限制结构的某些区域接收能量进行振动来减少其辐射功率。

如上所述，可以利用涡流能量流来控制本发明的智能外壳。本发明也能提供正比于系统的位移、速度和/或加速度的空间导数的反馈力以控制结构或机器内振动能的分布。当按适当的比例施加时，这些反馈力就能在一结构或部件中产生按指数变化的振动响应量值。这样，就可将此系统的响应设计成在特定的区域或部件中抑制或放大振动。本发明的实施形式包括传感器、信号处理与致动器，以监控结构的响应，计算该系统的位移、速度与加速度的空间导数，同时施加必要的反馈力。参看美国专利申请系列No.09/721102，题名为“结构振动能的有源式管理与控制”，2000年11月22日提交，其内容已结合于此，用于更详细细地描述“通过限制进行的有源式振动控制(AVCC)”。

本发明在其一种实施形式中，通过改进系统的振动特性，利用有源反馈激励将振动能限制到外壳的特定区域，在此将其称之为“通过限制进行的有源式振动控制(AVCC)”。这种方法与已有的有源振动控制技术的明显为不同处在于：此方法不仅利用了系统响应的时间相关特性，还利用了系统响应的空间相关特性。通过施加正比于此系统位移、速度与加速度的空间偏导数的反馈力，使振动模式改变以在空间域中有效地限制或重新分配振动能。与传统的方法相反。系统的振动响应可以与扰动类型无关地进行控制。

本发明在几个层次上有别于已有的振动控制方法。最显著的差别可能在于限制了振动能本身。在已有的技术中，振动的减少是假定控制机构会对输入的振动进行响应。这就是说，此系统为反应性的。另一方面，本发明的方法则是制止系统的特定区域接收振动能。在这个意义下，此方法是前摄的。

目前可利用的所有控制振动的方法都假定振动会传播到一控制区内。这就是说，不希望有的振动只是在此振动已到达一临界区之后才被发现。特别是对于隔离技术而言，振动将出现于系统中两个部件之间的界面处。正是在此界面处，隔离件对进入的振动作出反应，减弱振动的传播。至于吸收情形，在没有振动传输到吸收机构时，吸收机构是不起作用的。这种控制方法于是将系统其余部件内的振动能减少。当有大量的能量输送到阻尼机构时，抑制技术最为有效。在此情况下，首要的是在此系统中存在有振动，而只是在此后将其消耗。现有技术的振动控制技术依赖于加力来抵消和消除系统中存在的振动。对于这种控制机构是假定振动将首先到达不希望的区域，然后将被消除。显然，以上各种机构都以反应模式工作。

在本发明的一种实施形式中，正比于系统位移、速度和/或加速率的空间导数的反馈力产生限制。结果形成沿着结构或其部件的长度使振动大小取指数式衰减形式的空间振动限制。结果，振动被限制于系统的非临界区，阻止了振动能传播到系统的必须保持无振动的区域中。

如上所述，可以用本发明的外壳结构实现的能量管理或限制的第一种方法，在此称之为“通过限制进行的有源式振动控制法(AVCC)”。可以采用本发明的外壳致动器，通过适当地施加有源力来实现振动能限制。这种方法可以用来辅助或代替通过设计的改型或限制元件来实现的限制。图5A和5B示出这种类型的能量限制。外壳结构的一部分示明于图5A中，具有最大振动区500和最小振动区510。这里所用的最小与最大等词不是在绝对意义下的，而只是用来表明外壳各区域中的显著差别。图5B示明具有标为520的典型振动波的外壳的横剖面。本领域的技术人员可从本说明中获益，认识到外壳中的这种致动器可以用来限制特定区域的振动。

可以用本发明的外壳结构实现的能量管理或限制的第二种方法，在此称之为“通过涡流能量流的能量限制法(EC-VPF)”。在这种外壳结构中产生了涡流型强度响应类型。

本发明的能量管理系统与现行实用的有源振动限制方法的区别以图像表明于图6A和6B中。根据普遍的操作方法来控制振动的标准步骤示明于图6A中，而本系统的一种实施形式则示明于图6B中。在图6A中，步骤600表示的是此结构以其遍布到它整个区域的能量振动的开环系统的初始阶段。传统的振动控制方法所用的无源和/或有源阻尼件610(步骤602中以圆圈示明)加到此结构中，参见步骤612。在阻尼件起动后，此结构的所有振动都减少，如步骤620所示。

本发明的基于能量的智能式振动控制系统示于图6B中。步骤630表明了结构中的能量振动625。此结构包括如前所述的可控制成用来管理能量的致动器。步骤630中所示结构的能量首先从此结构的临界区移动到弱临界区，如步骤640所示。在所示例子中，假定此结构的中间部分是强临界区，它的多余的振动会显著影响此结构的总体性能、安全性与任务可达性。此外还假定两侧部分是俘获多余振动能加更合适区域。这种能量是采用上述施加有源力的方法或是涡流控向法来限制。

如果必要，则可采用无源件或有源件(步骤650中所示的圆圈660)来除去或减少多余的振动能。对此结构所进行的能量管理示明于步骤670中。在通过集中的阻尼件除去振动能后，所选定的临界区所具有的振动能比非临界区的低几个数量级，步骤680。应该注意到，即使是这些非临界部分与一般的无源和有源的情形相比，它们的振动能级也较低。将振动的空间限制与集中的无源和/或有源阻尼件相结合，是本发明的能量管理方法的一种实施形式的两个不同特点。应用外壳结构的振动能的空间限制，能使系统设计师与控制技术专家更好地利用其功率要求常为争论对象的有限个数的无源件与有源致动器。

本发明具有显著优于其他已有方法的优点。将AVCC应用于振动外壳系统可使外壳的一些特定区域能比已有方法更快地达到可以接受的振动水平。可以相信，通过实施本发明能够简单地制止振动能传播到外壳的临界区内。但是，本发明能将振动的绝对能级降到采用先有技术时的这种能级之下。正如本发明的AVCC法的具体实施形式所示，振动能量的再分布表明，用来使振动改向所需的能量低于将此振动消除时所需的能量。本发明与已有的有源振动消除法相比，可以只用较小的功率和较少数量的致动器，这是因为上述的已有方法需要消除在相应系统所有部分的振动。

本发明不同于当前市面上所用的方法的地方在于，在作用点处感生一组正比于结构的空间导数的一组力(即张力、剪切力)。此外，在稳态振动影响下于结构中产生的涡流式强度响应类型具有很强的能力，将振动能量流限制到结构的特定区域中。

显然需要有一种有效和廉价的振动控制系统可供军事与商业两方面之用。外壳结构可用于商用水上工具、飞行器、宇宙飞船、汽车、船系统、机械设备、机床与家用器具。

本发明的外壳结构可以用于这样的运载工具，它们的承受力的外壳组成了此运载工具的重要部分并直接影响到运载工具的性能与功能。客机、战斗机、宇宙飞船、无人飞行器与水下潜航器、潜水艇、水面舰艇以及汽车都能通过引用本发明而获益。在客机中，这种外壳可以用来消除客舱噪声，而这已是工业界关心的一个重大问题。本发明可以用于其外壳不是承重件的系统。最有前途和最激动人心的一种商业应用是智能的“墙纸”(即极薄的外壳)。在其墙壁由本发明的外壳组成的房间与厅套内，可以改变这种室的声音特性。此外，本发明可以用于计算机的外壳以减少在办公区内辐射的噪声，也可以用于净室以及连最小扰动也不允许的质量检验室。在许多系统例如天线系统、航空系统、飞行器、运载火箭、空间结构、地上车辆与水面舰艇中，也同样要求很严格地抑制振动与震动。本发明的又一种实施形式中包括这样一种外壳材料，它形成带状，可以铺设到表面上来控制此表面的振动。在此实施形式中，这种带类似于前述外壳。但这种带是非常柔软的，可不包括外层如金属层。相反，这种带的致动器则具有与此连接面相分开的薄层。

以上所述的全部实施例都可以是自供电的。这就是说，上述致动器需要某种电源。这种电源可以通过采用传感器产生。例如，压电传感器/致动可以用来由外壳结构中存在的能量产电。这种电能可以用来为系统提供动力或为系统的蓄电池充电。

总之，本发明可以用于商用水上工具、飞行器、宇宙飞船、汽车、船舶系统、机械设备、车床、家用器具与个人计算机，还可以用于建筑物、桥梁与海上石油平台。另一种商业用途表现在制造与加工车间中。具有埋入式能量管理特性的智能结构能减少用于这种车间内的机械设备的过大的噪声与振动，由此可提高生产率、质量与经济利益。

图7示明本发明一实施形式的流程图。在工作中，与外壳结构680耦合的传感器探测振动(步骤700)。在步骤702，外处理机处理传感器的输出。此处理机测定应用致动器给外壳施加的合适的反馈力(步骤706)。此传感器继续监控振动以测定此振动是否已改善。然后处理机继续调节致动器，直到达到所希望的限制水平。在另一实施形式中，处理机应用历史数据查阅表以确定结构中是否产生缺陷。也就是说，外壳中形成的其他缺陷裂纹会改变此系统的振动响应。处理机则能探测这些改变。然后在步骤712处理机发生警报，已识别出潜在的缺陷并需要检查。然后此处理机对致动器及其周围的致动器施加反馈力以减小缺陷扩散的可能性。

总结

描述了可管理和控制振动能的智能外壳结构。这种外壳可以用来控制一系统的、部件的、装置或结构的外壳或蒙皮中的振动。此外壳具有与之耦合的传感器以获得对振动的响应。与外壳成整体连接的致动器可以有选择地起动以给此外壳加力，以使振动能限制于或转向到该外壳的一个或多个预定区。由致动器施加的力可受控制以形成限制性能量流。还可以用振动力的空间导数控制外壳致动器。此种结构可以用于但不限于船舶、飞行器、宇宙飞船、汽车、水上装置、工业机器、车库、家用器具、建筑物、桥梁与海上石油平台。

虽然在此描述了具体的实施形式，但本领域技术人员应知，任何适合于实现此同一目标的装置都可用来替换这里所示的具体实施形式。本申请是用来涵盖本发明的各种修改或变型的。为此，本发明显然只受其权利要求书及其等效内容的限制。

Claims (29)

1.外壳结构，其包括：外壳；与外壳耦合来测量外壳振动的传感器；以及与此外壳成为整体的致动器，该致动器可有选择地起动以对外壳加力来将振动能限制于或改向到一个或多个预定的外壳区。

2.如权利要求1所述的外壳结构，其特征在于，此外壳结构具体表现为运输装置。

3.如权利要求1所述的外壳结构，其特征在于，此外壳结构具体表现为用电设备。

4.如权利要求1所述的外壳结构，其特征在于，此外壳结构具体表现为制造设备。

5.如权利要求1所述的外壳结构，其特征在于，所述致动器包括压电棒。

6.如权利要求1所述的外壳结构，其特征在于，所述传感器包括在该外壳中整体形成的压电棒。

7.如权利要求1所述的外壳结构，其特征在于，所述传感器与处理机耦合以探测振动力和给致动器提供控制信号。

8.如权利要求7所述的外壳结构，其特征在于，上述控制信号起动制动器以在该外壳中提供直线型能量流，或是S型能量流，或是涡流型能量流。

9.如权利要求7所述的外壳结构，其特征在于，上述控制信号根据探测出的振动力的空间导数起动致动器。

10.如权利要求1所述的外壳结构，其特征在于，所述外壳结构是扁平的或弯曲的。

11.如权利要求1所述的外壳结构，其特征在于，还包括与所述外壳耦合的无源式阻尼件。

12.外壳材料，其包括：外层；与此外层成整体的用以测量此外层振动的传感器，以及与该外层成整体的致动器，该致动器可以有选择地起动以对外层加力来将振动能限制于或改向到此外壳的一个或多个预定区。

13.如权利要求12所述的外壳材料，其中此外壳材料的传感器与控制器耦合，以探测振动力和给致动器提供控制信号。

14.如权利要求13所述的外壳材料，其中上述控制信号起动致动器以在该外壳中提供直线型能量流，或是S型能量流，或是涡流型能量流，以使振动能限制于或改向到外壳材料的一个或多个预定区。

15.如权利要求13所述的外壳材料，其中此控制信号起动该致动器来施加反馈力，该致动器施加反馈力，使此反馈力正比于探测出的外壳材料的振动力的空间导数。

16.如权利要求12所述的外壳材料，其中所述外层由金属组成。

17.如权利要求12所述的外壳材料，其中所述致动器与传感器各包括压电器件。

18.如权利要求12所述的外壳材料，其中还包括无源式阻尼件以消耗振动。

19.具有外壳材料的结构，它包括：外层；与外层耦合以测量外层中振动的传感器；与外壳成整体的致动器；以及与传感器耦合以给致动器提供控制信号的传感器。

20.如权利要求19所述的结构，其中所述传感器与致动器包括压电器件。

21.如权利要求19所述的结构，其中所述结构是选自包括船舶、飞行器、宇宙飞船、汽车、水上装置、工业机器、车库、家用器具、建筑物、桥梁与海上石油平台的组。

22.如权利要求19所述的结构，其中还包括无源式阻尼件以消耗振动。

23.在外壳结构中控制振动的方法，此方法包括下述步骤：在此外壳中探测振动；对于在此外壳中整体形成的致动器施加反馈力以在外壳中形成能量流型来使振动能受限制或改向。

24.如权利要求23所述的方法，其中所述能量流型是直线型能量流、S型能量流或涡流型能量流。

25.如权利要求23所述的方法，其中所述外壳结构具体表现为选自包括船舶、飞行器、宇宙飞船、汽车、水上装置、工业机器、车库、家用器具、建筑物、桥梁与海上石油平台的组的结构。

26.如权利要求23所述的方法，其中所述致动器包括压电器件。

27.如权利要求23所述的方法，其还包括应用与外壳结构耦合的传感器来产生电源电压，其中此传感器是响应外壳结构中的振动能产生电源电压；以及将此电源电压耦合到致动器。

28.控制外壳结构中振动的方法，此方法包括下述步骤：探测此外壳结构中的振动；对于在此外壳中整体形成的致动器施加反馈力以限制振动能；以及应用无源式消耗件消耗此限制的振动能。

29.控制外壳结构中振动的方法，此方法包括下述步骤：探测此外壳结构中的振动；处理所探测的振动以确定为限制此振动所需的相称的反馈力，将所确定的反馈力与历史数据比较，确定是否在该外壳结构中存在缺限；以及对于在此外壳中整体形成的致动器施加反馈力以限制振动能或使其改向。

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