專利名稱：基于能量回收的結構振動與噪聲控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種結構振動與噪聲控制裝置，尤其涉及一種不需要外界能量供給的結構振動與噪聲控制裝置。
背景技術：
壓電材料的高頻響應特性與機電耦合特性使其在結構的智能化和振動噪聲控制中得到了廣泛的應用。近年來，人們對各種各樣的控制方法進行了大量的研究。其中主動方法與被動方法研究的較多，理論也較成熟。主動控制雖然具有較好的控制效果，但一般需要傳感器、驅動器、功率放大器等信號處理系統以及功放等外部設備，不僅成本高，而且系統較為龐大復雜，降低了系統的可靠性，難以實現系統的小型化、輕量化，因此在可靠性、質量和體積都具有較高要求的航空航天系統中難以得到具體應用。被動控制方法是通過在壓電元件表面電極之間串聯適當的外部分支電路，來耗散或吸收由于結構振動產生的機械能。被動控制比較簡單，易于實現，但缺點是分支電路中的電感和電阻參數對環境變化適應能力差，對于低頻振動往往需要較大的電感等，雖然可以用運算放大器組成較大的電感，但是運算放大器需要電源供電，即需要外界供電，因此其通用性受到了很大的限制。
為了克服以上兩種傳統控制方法中的不足，人們相繼提出了多種不同的半主動或半被動的振動控制方法。最近幾年，隨著開關并聯技術的發展， 一種基于非線性同步開關阻尼技術的半主動振動/噪聲控制方法得到了發展。這種方法也被稱為SSD技術(SSD:Synchronized Switch Damping即同步開關阻尼)，在電路中串聯電感和開關等一些簡單的電子元件使得壓電元件上的電能被快速消耗或實現電壓翻轉，從而達到振動/噪聲控制的目的。與傳統的控制方法相比，這種新方法的控制系統簡單，僅僅開關工作需要外界能量，因此控制所需要的外界能量很小，不需要精確的結構振動模型，且控制效果比較穩定，適合于寬頻帶的振動控制。
在以往的研究中，基于非線性同步開關阻尼技術的半主動振動控制方法根據開關連接方式大致分為三種，開關將壓電材料短路(SSDS技術)，開關將壓電材料與電感相連(SSDI技術)，開關將壓電材料與電感和電壓源相連(SSDV技術)。
發明內容
41、 技術問題本發明解決的技術問題是提供一種不需要外界能量供給的結構振動與噪聲控制裝置，利用壓電材料對振動能量進行回收，為基于非線性的同步阻尼開關技
術的半主動控制方法提供電源，并且可以實現SSDS、 SSDI和SSDV技術。
2、 技術方案為了解決上述的技術問題，本發明的基于能量回收的結構振動與噪聲控
制裝置包括壓電驅動單元、壓電能量單元、壓電傳感單元和系統電路，其中，壓電驅動單元由至少一個貼設在被控結構表面的第一壓電元件組成，壓電能量單元由至少一個貼設在被控結構表面的第二壓電元件組成，壓電傳感單元由至少一個貼設在被控結構表面
的第三壓電元件組成；系統電路包括開關單元、極值檢測單元和能量回收單元；第一壓電元件的輸入端貼設在被控結構表面，輸出端通過系統電路中的開關單元與輸入端連接；第三壓電元件的輸入端貼設在被控結構表面上與第一壓電元件相對的位置，輸出端通過極值檢測單元向開關單元發出控制信號；第二壓電元件的輸入端貼設在被控結構表
面，輸出端與系統電路中的能量回收單元連接；能量回收單元與電源管理單元連接；電源管理單元為系統電路中的極值檢測單元提供電源，極值檢測單元向開關單元輸出控制信號。采用這種結構的裝置時，可實現SSDS技術。
第一電壓元件的輸出端通過電感與系統電路中的開關單元一端連接，開關單元另一端與第一電壓元件輸入端連接。采用這種結構的裝置時，可實現SSDI技術。
開關單元包括相并聯的第一開關和第二開關，和第一、第二電壓源，其中，第一開關的一端與電感連接，另一端與第一電壓源的正端連接，電壓源的負端與第一壓電元件的輸入端連接；第二開關的一端與電感相連，另一端與第二電壓源的負端連接，第二電壓源的正端與第一壓電元件的輸入端連接；電源管理單元同時為極值檢測單元和第一、二電壓源供電。采用這種結構的裝置時，可實現SSDV技術
更進一步地，第一開關包括一個第一場效應管和一個第一二極管，第一二極管的正端與第一場效應管的集電極連接，負端與電感連接；第二開關包括一個第二場效應管和一個第二二極管，第二二極管的正端與電感連接，負端與場效應管的集電極連接；第一場效應管的發射極通過手動開關與第一電壓源的正端連接；和第二場效應管的發射極通過手動開關與第二電壓源的負端連接。手動開關可將第一場效應管和第二場效應管在與電源連接或與地連接之間切換。
上述的第一電壓源由第一低功耗運算放大器，第一可調電阻和第一電阻組成；第二電壓源由第二低功耗運算放大器和第三、第四電阻組成。第一電阻一端接地，另一端與第一可調電阻連接；第三電阻一端與第一低功耗運算放大器的輸出端連接，另一端同時與第四電阻一端和第二低功耗運算放大器反向輸入端連接，第二低功耗運算放大器的正
向輸入端接地。
上述的極值檢測單元包括第一電壓比較器和一個低通濾波器，所述的低通濾波器由第二可調電阻和第一電容組成；第一電容一端同時與第一電壓比較器的正向輸入端和第二可調電阻一端連接，另一端接地。上述的能量回收單元包括濾波整流單元和脈沖充電單元，脈沖充電單元由第二電 容，第三場效應管和第二電壓比較器組成。
上述的電源管理單元包括第三電壓比較器，第四場效應管， 一個低功耗的開關型電 源穩壓器和一個低功耗的反向電源器。
本發明的基于能量回收的結構振動與噪聲控制裝置中，在振動結構上粘貼至少3片 壓電元件。當采用3片壓電片時，其中一片用來作為能量回收， 一片作為傳感器，另外 的一片壓電元件用來作為驅動器。在用來作為驅動器的壓電元件的正負極兩端并聯電感 和開關，從而構成半主動控制系統的電子回路。 一般采用一片壓電元件實現能量回收； 傳感單元和驅動單元可采用多個壓電片并聯的結構。
當結構發生振動時，粘貼在結構上的壓電元件會感應出相應的電壓，其電壓與結構 振動產生的位移是同相位的。當沒有控制時，結構振動的位移與壓電元件上產生的電壓 如圖5所示。當使用SSDI技術時其中作為驅動器的第一壓電元件兩端并聯電感和開關 的電子回路，當結構振動的位移(也即壓電元件上產生的電壓)達到極值(極大值或極 小值)時，結構振動位移極值檢測裝置向開關輸出控制信號，回路中的開關迅速閉合， 由于第一壓電元件一般可以等效成一個電容器，那么開關閉合的同時壓電元件與回路中 的電感將發生LC高頻共振，當共振振蕩半個周期時迅速斷開開關，此時第一壓電元件 上的電壓與開關閉合前反向，如圖6所示。當開關斷開時，第一壓電元件上產生的電壓 與結構振動的位移同相位。當結構振動的位移再次達到極值時，再合上開關，高頻振蕩 半個周期后斷開開關。周而復始的控制開關的運動，使得壓電元件上產生的電壓始終與 結構振動的速度反向，從而達到振動控制的目的。當使用SSDV技術時，其中作為驅動 器的壓電元件兩端并聯由電感、開關和電壓源組成的電子回路，當結構振動的位移(也 即壓電元件上產生的電壓)達到極值(極大值或極小值)時，結構振動位移極值檢測裝 置向開關輸出控制信號，回路中的開關迅速閉合，也發生LC高頻共振，只是由于電子 回路中的外加電壓源推高了壓電片上翻轉前后的電壓，得到了更好的振動控制效果。
而傳統的控制技術例如SSDV技術實現方式如下
首先利用位移傳感器或者利用粘貼在結構上的壓電元件測量結構振動的位移，并以 此作為判斷半主動控制回路中開關切換的傳感信號，計算機測控系統(如DSP數據處 理系統)監測測量的傳感信號的極值點，并向開關電路產生一個方波信號來作為觸發開 關切換(閉合與斷開)的控制信號。同時向電壓源(一組運算放大器)輸出電壓信號， 從而控制串入回路的電壓源的幅值大小。這種技術方案中，每個模塊均需要外界電源供 給，功耗大，同時計算機控制系統體積較大，控制系統復雜，而且電壓源(即控制系統 中的一組運算放大器)需要土12V的直流電源供電。
3、有益效果本發明的基于能量回收的結構振動與噪聲控制裝置是利用能量回收技術 從粘貼在結構上壓電片回收能量給低功耗控制電路供能(當應用SSDS和SSDI技術時 整個控制電路運行的消耗功率僅為0.322mW，當應用SSDV技術時，消耗功耗為
60.761mW)，用來控制裝置中開關的工作，不需外界能源，結構簡單，體積小，魯棒性 好，在結構振動噪聲控制中具有廣泛的應用前景。
四
圖1為本發明的第一實施例原理圖2為本發明的第二實施例原理圖3為本發明的第三實施例原理圖4為本發明的一個實施例的系統電路單元電路圖5為控制前結構振動的位移與電壓關系示意圖6為控制后結構振動位移、電壓與速度的關系示意圖7為控制效果示意圖(電壓源幅值為1V)，其中(a)為應用SSDS技術的效果 圖(b)為應用SSDI技術的效果圖(c)為應用SSDV技術的效果圖； 圖8為現有的SSDV技術原理圖。
五具體實施方式
實施例一.-
如圖1所示，本實施例的基于能量回收的結構振動與噪聲控制裝置包括壓電驅動單 元、壓電能量單元、壓電傳感單元和系統電路，其中，壓電驅動單元由至少一個貼設在 被控結構表面的第一壓電元件1組成，壓電能量單元由至少一個貼設在被控結構表面的 第二壓電元件2組成，壓電傳感單元由至少一個貼設在被控結構表面的第三壓電元件3 組成；系統電路包括開關單元、極值檢測單元和能量回收單元、電源管理單元；第一壓
電元件1的輸入端貼設在被控結構表面，輸出端通過系統電路中的開關單元與輸入端連
接；第三壓電元件3的輸入端貼設在被控結構表面上與第一壓電元件1相對的位置，輸
出端通過極值檢測單元向開關單元發出控制信號；第二壓電元件2的輸入端貼設在被控 結構表面，輸出端與系統電路中的能量回收單元連接；能量回收單元與電源管理單元連 接；電源管理單元為系統電路中的極值檢測單元提供電源，極值檢測單元向開關單元輸
出控制信號。本實施例可實現SSDS技術。
實施例二-
如圖2所示，本實施例的基于能量回收的結構振動與噪聲控制裝置包括壓電驅動單 元、壓電能量單元、壓電傳感單元和系統電路，其中，壓電驅動單元由至少一個貼設在 被控結構表面的第一壓電元件1組成，壓電能量單元由至少一個貼設在被控結構表面的 第二壓電元件2組成，壓電傳感單元由至少一個貼設在被控結構表面的第三壓電元件3 組成；系統電路包括開關單元、極值檢測單元和能量回收單元、電源管理單元；第一壓 電元件1的輸入端貼設在被控結構表面，輸出端通過系統電路中的開關單元與輸入端連 接；第三壓電元件3的輸入端貼設在被控結構表面上與第一壓電元件1相對的位置，輸 出端通過極值檢測單元向開關單元發出控制信號；第二壓電元件2的輸入端貼設在被控
7結構表面，輸出端與系統電路中的能量回收單元連接；能量回收單元通過電源管理單元 為系統電路中的極值檢測單元提供電源。第一電壓元件1的輸出端通過一個電感L與系 統電路中的開關單元連接一端，開關單元另一端與第一電壓元件l輸入端連接。本實施 例可頭'現SSDI技術。 實施例三
如圖3所示，本實施例的基于能量回收的結構振動與噪聲控制裝置包括壓電驅動單 元、壓電能量單元、壓電傳感單元和系統電路，其中，壓電驅動單元由至少一個貼設在 被控結構表面的第一壓電元件1組成，壓電能量單元由至少一個貼設在被控結構表面的 第二壓電元件2組成，壓電傳感單元由至少一個貼設在被控結構表面的第三壓電元件3 組成；系統電路包括開關單元、極值檢測單元和能量回收單元、電源管理單元；第一壓 電元件1的輸入端貼設在被控結構表面，輸出端通過系統電路中的開關單元與輸入端連 接；第三壓電元件3的輸入端貼設在被控結構表面上與第一壓電元件1相對的位置，輸 出端通過極值檢測單元向開關單元發出控制信號；第二壓電元件2的輸入端貼設在被控 結構表面，輸出端與系統電路中的能量回收單元連接；能量回收單元通過電源管理單元 為系統電路中的開關單元和極值檢測單元提供電源。第一電壓元件1的輸出端通過一個 電感L與系統電路中的開關單元連接一端，開關單元另一端與第一電壓元件1輸入端連 接。所述的開關單元包括相并聯的第一開關K1和第二開關K2，以及手動開關SW1和兩 個電壓源S1和S2。第一開關K1的一端與電感L連接，另一端通過手動開關SW1與第 一電壓源S1的正端連接，電壓源S1的負端與第一壓電元件1的輸入端連接；第二開關 K2的一端與電感L相連，另一端通過手動開關SW1與第二電壓源S2的負端連接，第二 電壓源S2的正端與第一壓電元件1的輸入端連接。
第一開關Kl包括一個第一場效應管Q3和一個第一二極管D3，第一二極管D3的 正端與第一場效應管Q3的集電極連接，負端與電感L連接；第二開關K2包括一個第二 場效應管Q4和一個第二二極管D2，第二二極管D2的正端與電感L連接，負端與場效 應管Q4的集電極連拉接；第一場效應管Q3的發射極通過手動開關SW1與第一電壓源 Sl的正端連接；第二場效應管Q4的發射極通過手動開關SW1與第二電壓源S2的負端 連接。
第一電壓源S1由一個低功耗運算放大器U7A， 一個可調電阻R20，和一個電阻R18 組成；第二電壓源由一個低功耗運算放大器U7B和兩個電阻R16和R17組成。電壓源 Sl和S2的輸出電壓幅值由可調電阻R20調節。
如圖4所示，上述實施例中，極值檢測單元包括一個低功耗的電壓比較器U4和一 個低通濾波器，所述的低通濾波器由一個可調電阻R19和一個電容C6組成；電容C6 一端同時與電壓比較器U4的正向輸入端和可調電阻R19—端連接，另一端接地。極值 檢測單元利用壓電傳感單元中第三壓電片3感應的位移信號，首先先對其進行幅值處理， 然后對處理后的傳感信號分為兩路 一路直接輸入低功耗的電壓比較器U4的反向輸入端，另一路通過RC無源低通濾波器輸入低功耗的電壓比較器U4的正向輸入端，這樣 利用電壓比較器U4對兩路信號進行比較，從而向開關單元輸出能夠判斷位移極值的方 波信號。幅值處理電路由一個由R14和R15組成的分壓電路與一個電壓跟隨器U5A構 成，電壓跟隨器U5A輸出端同時與低功耗的電壓比較器U4和RC無源低通濾波器連接。
如圖4所示，上述實施例中，能量回收單元包括濾波整流單元和脈沖充電單元，即 包括濾波整流的前半部分和采用脈沖充電方式的后部分。整流部分由一個整流橋D1和 一個濾波電容C9并聯組成，其將壓電能量單元中的第二壓電片2輸出的交流電變成直 流電；脈沖充電單元由一個充電電容CIO， P型的場效應管Q1和一個低功耗的電壓比 較器U2組成。充電電容C10與濾波電容C9并聯連接。場效應管Ql的基極與場效應管 Q5的集電極連接，場效應管Q1的發射極與基極之間接有電阻R2，場效應管Q1的發 射極與集電極之間接有電容C7;場效應管Q5的發射極接地，基極與電壓比較器U2的 輸出端連接；電壓比較器U2的正向輸入端接在相串聯的電阻R3、 R5之間，電阻R5 另一端接地，電阻R3同時與場效應管Q1的發射極和電容C10連接；串聯的電阻R3、 R5并聯一儲能電容C11。當充電電容C10超過設定電壓值時，低功耗的電壓比較器U2 立即驅動P型的場效應管Q1，使其向儲能電容Cll充電。
如圖4所示，上述實施例中，電源管理單元主要包括一個低功耗的電壓比較器Ul, 一個P型的場效應管Q2， 一個低功耗的開關型電源穩壓器U3和一個低功耗的反向電源 器U6。當儲能電容Cll內的電荷累積到一定程度，即超過設定電壓值時，由監測其電 壓的電壓比較器U1向P型的場效應管Q2發出打開信號，使儲能電容C11對開關型電 源穩壓器U3供電，這樣電源穩壓器U即可輸出穩定的正電源，同時由于反向電源器 U6的輸入端與穩壓器U3的輸出端相連，這樣反向電源器U6也輸出穩定的負電壓源。 由開關型電源穩壓器U3和反向電源器U6輸出的穩定正負電源對極值檢測單元和電壓 源S1、 S2供電。
權利要求
1、一種基于能量回收的結構振動與噪聲控制裝置，其特征在于，包括壓電驅動單元、壓電能量單元、壓電傳感單元和系統電路，其中，壓電驅動單元由至少一個貼設在被控結構表面的第一壓電元件(1)組成，壓電能量單元由至少一個貼設在被控結構表面的第二壓電元件(2)組成，壓電傳感單元由至少一個貼設在被控結構表面的第三壓電元件(3)組成；系統電路包括開關單元、極值檢測單元、能量回收單元和電源管理單元；第一壓電元件(1)的輸入端貼設在被控結構表面，輸出端通過系統電路中的開關單元與輸入端連接；第三壓電元件(3)的輸入端貼設在被控結構表面上與第一壓電元件(1)相對的位置，輸出端通過極值檢測單元向開關單元發出控制信號；第二壓電元件(2)的輸入端貼設在被控結構表面，輸出端與系統電路中的能量回收單元連接；能量回收單元與電源管理單元連接；電源管理單元為系統電路中的極值檢測單元提供電源，極值檢測單元向開關單元輸出控制信號。
2、 如權利要求1所述的基于能量回收的結構振動與噪聲控制裝置，其特征 在于，第一電壓元件(1)的輸出端通過電感(L)與系統電路中的開關單元一端 連接，開關單元另一端與第一電壓元件(1)輸入端連接。
3、 如權利要求2所述的基于能量回收的結構振動與噪聲控制裝置，其特征 在于，所述的開關單元包括相并聯的第一開關(Kl)和第二開關(K2)，和第一、 第二電壓源(Sl、 S2)，其中，第一開關(Kl)的一端與電感(L)連接，另一端 與第一電壓源(Sl)的正端連接，電壓源(Sl)的負端與第一壓電元件(1)的 輸入端連接；第二開關(K2)的一端與電感(L)相連，另一端與第二電壓源(S2) 的負端連接，第二電壓源(S2)的正端與第一壓電元件的輸入端連接；電源管理 單元同時為極值檢測單元和第一、二電壓源(Sl、 S2)供電。
4、 如權利要求3所述的基于能量回收的結構振動與噪聲控制裝置，其特征 在于，第一開關(Kl)包括一個第一場效應管(Q3)和一個第一二極管(D3)， 第一二極管(D3)的正端與第一場效應管(Q3)的集電極連接，負端與電感(L) 連接；第二開關(K2)包括一個第二場效應管(Q4)和一個第二二極管(D2)， 第二二極管(D2)的正端與電感(L)連接，負端與場效應管(Q4)的集電極連 接；第一場效應管(Q3)的發射極通過手動開關(SW1)與第一電壓源(S1)的正 端連接；第二場效應管(Q4)的發射極通過手動開關(SW1)與第二電壓源(S2) 的負端連接。
5、 如權利要求3所述的基于能量回收的結構振動與噪聲控制裝置，其特征 在于，所述的第一電壓源(S1)由第一低功耗運算放大器(U7A)，第一可調電阻(R20)和第一電阻(R18)組成，第一電阻(R18) —端接地，另一端與第一可調電 阻(R20)連接；第二電壓源由第二低功耗運算放大器(U7B)和第三、第四電阻 (R16、 R17)組成，第三電阻(R16) —端與第一低功耗運算放大器(U7A)的輸出 端連接，另一端同時與第四電阻(R17) —端和第二低功耗運算放大器(U7B)反 向輸入端連接，第二低功耗運算放大器(U7B)的正向輸入端接地。
6、 如權利要求1或2或3或4或5所述的基于能量回收的結構振動與噪聲 控制裝置，其特征在于，所述的極值檢測單元包括第一電壓比較器(U4)和一 個低通濾波器，所述的低通濾波器由第二可調電阻(R19)和第一電容(C6)組 成；第一電容(C6) —端同時與第一電壓比較器(U4)的正向輸入端和第二可 調電阻(R19) —端連接，另一端接地。
7、 如權利要求1或2或3或4或5所述的基于能量回收的結構振動與噪聲 控制裝置，其特征在于，所述的能量回收單元包括濾波整流單元和脈沖充電單元， 脈沖充電單元由第二電容(CIO)，第三場效應管(Ql)和第二電壓比較器(U2) 組成。
8.如權利要求1或2或3或4或5所述的基于能量回收的結構振動與噪聲控 制裝置，其特征在于，所述的電源管理單元包括第三電壓比較器(Ul)，第四場 效應管(Q2)， 一個低功耗的開關型電源穩壓器(U3)和一個低功耗的反向電源 器(U6)。
全文摘要
本發明公開了一種基于能量回收的結構振動與噪聲控制裝置，包括壓電驅動單元、壓電能量單元、壓電傳感單元和系統電路，其中，壓電驅動單元由貼設在被控結構表面的壓電元件組成，壓電能量單元由貼設在被控結構表面的壓電元件組成，壓電傳感單元由貼設在被控結構表面的壓電元件組成；系統電路包括開關單元、極值檢測單元、能量回收單元和電源管理單元。本發明的裝置不需要外界能量供給，利用壓電材料對振動能量進行回收，為基于非線性的同步阻尼開關技術的半主動控制方法提供電源，并且可以實現SSDS、SSDI和SSDV技術，結構簡單，體積小，魯棒性好，在結構振動噪聲控制中具有廣泛的應用前景。
文檔編號G05D19/00GK101488033SQ200810243718
公開日2009年7月22日 申請日期2008年12月12日 優先權日2008年12月12日
發明者季宏麗, 朱孔軍, 輝 沈, 裘進浩 申請人:南京航空航天大學