一種改善板殼結構隔聲性能的壓電網絡方法
【專利摘要】本發明公開一種改善板殼結構隔聲性能的壓電網絡方法，第一步：在板結構上均勻分布壓電作動器；第二步：設計電路網絡，構成壓電網絡板；第三步：計算最優電感值L，壓電網絡板隔聲低谷不會出現，壓電網絡板的隔聲性能得到改善。第四步：檢驗壓電網絡板的隔聲性能；本發明的優點為：壓電網絡中壓電作動器的位置無需優化，各壓電作動器通過電路連接，協同工作，降低了對單個作動器性能的要求更低，具有更高的能量轉換效率。通過壓電作動器之間的電路實現電能在各壓電作動器之間流動，提供了一條新的電路通道，能夠整體上改變結構的能量分布，從而整體上改變板殼結構的隔聲性能。
【專利說明】一種改善板殼結構隔聲性能的壓電網絡方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于噪聲控制領域，具體涉及一種改善板殼結構隔聲性能的壓電網絡方 法。
【背景技術】
[0002] 板殼結構在航空航天、汽車和船舶等領域得到廣泛應用。板殼結構屬于輕質結構， 能夠顯著降低系統的總質量，但是輕質結構如果對振動敏感，會增加系統的輻射噪聲，降低 系統的隔聲性能，而輻射噪聲的增加會降低艦船、潛艇等的隱身性能，減小其戰場生存能 力，增加汽車、飛機等對周圍環境的噪聲污染；隔聲性能的降低將減弱汽車、飛機等的舒適 性，因而板殼結構的聲福射和隔聲問題一直備受關注。
[0003] 板殼結構的聲輻射和隔聲問題與結構的振動以及聲學特性密切相關，因此，板殼 結構的噪聲抑制可以通過抑制結構振動或改善結構聲學特性實現，目前采用的技術有"敷 設粘彈性阻尼的板和加筋板的振動機理研究[D].大連：大連理工大學，2001"，提出了在 結構表面鋪設粘彈阻尼層，以及"阻振質量塊對板結構振動與聲輻射的影響[J].振動與沖 擊，2004, 22 (4) : 76-79"所述的添加阻振質量，還有"多層板的隔聲特性研究[J].南京大學 學報：自然科學版，2005, 41 (1):91-97"所述的多層板或夾芯板設計等，這些方法的共同缺 點是會顯著增加結構的重量，控制效果有限。
[0004] 隨著智能材料的備受關注，基于智能材料的新興振動噪聲控制技術迅速發展。
[0005] 壓電材料是一種智能材料，其特殊功能稱為壓電效應，能夠實現機械能與電能之 間的相互轉換。壓電材料具有體積小、質量輕、適用頻帶寬以及機電轉換效率高等優點，因 而在振動、噪聲控制領域得到廣泛應用，形成了壓電主動控制技術、壓電分支阻尼振動控制 技術等壓電控制技術。
[0006] 壓電主動控制具有效果好、精度高、適用能力強等優點。但是，主動控制需要設計 復雜的控制系統，不僅增加系統重量而且會消耗大量電能；外部能量的引入將降低原閉環 系統的穩定性；在高頻時易出現控制溢出現象，致使被控結構大幅振動。另外，壓電主動控 制技術的控制效果與壓電片在結構表面的黏貼位置直接相關，因而針對不同的結構，或同 一結構的不同振動模態需要分別分析最優的壓電片粘貼位置，現有技術見"智能結構的壓 電片位置優化及主動控制研究[J].控制工程，2013, 03:529-532"。上述因素給壓電主動控 制的推廣對來了很多不便，嚴重制約了其在航空航天等領域的應用。
[0007] 壓電分支阻尼技術以被動控制為主，其優點是控制系統簡單，具有可控線性阻尼 等。壓電分支阻尼技術的不足之處是對壓電材料和電學元件要求過高，如在低頻振動控制 時要求很大的電感值，壓電作動器承受較大載荷等；控制效果明顯依賴于壓電材料的粘貼 位置，為了達到最好的控制效果需要對壓電片的黏貼位置進行優化；多模態控制效果不易 實現等。
【發明內容】
[0008] 本發明針對鋪設粘彈阻尼層、添加阻振質量或多層板設計來提高隔聲性能等方法 會顯著增加結構質量，控制效果有限，以及壓電分支阻尼技術對單個壓電作動器要求高，控 制效果嚴重依賴壓電作動器的位置等問題，提供了一種改善板殼結構隔聲性能的壓電網絡 方法。
[0009] 具體實施步驟如下：
[0010] 第一步：在板結構上均勻分布壓電作動器；
[0011] 所述壓電網絡包含至少兩個壓電作動器，壓電作動器均勻固定在基體板表面或鑲 嵌于基體板內。
[0012] 第二步：設計電路網絡，構成壓電網絡板；
[0013] 各壓電作動器之間通過電路連接成一個整體，具體為：每一個壓電作動器上方均 通過兩條相交的導線相連，將導線交點固連壓電作動器上極，同時壓電作動器下極接地；任 意2個相鄰的壓電作動器之間連接特定的電路單元，特定的電路單元中必須包含電感，同 時也可包含電阻，電感與電阻采用串聯或者并聯的方式連接。在基體板上構建壓電網絡后 獲得的機電耦合系統稱為壓電網絡板。壓電網絡為板結構中的能量流通提供了一條額外的 通道。
[0014] 第三步：計算最優電感值；
[0015] 電感的最佳取值范圍U由下式確定：
【權利要求】
1. 一種改善板殼結構隔聲性能的壓電網絡方法，其特征在于：通過下述步驟實現： 第一步：在板結構上均勻分布壓電作動器； 第二步：設計電路網絡，構成壓電網絡板； 各壓電作動器之間通過電路連接成一個整體，具體為：每一個壓電作動器上方均通過 兩條相交的導線相連，將導線交點固連壓電作動器上極，同時壓電作動器下極接地；任意2 個相鄰的壓電作動器之間連接電路單元，電路單元包含電感；構成壓電網絡板，壓電網絡為 板結構中的能量流通提供了一條額外的通道； 第三步：計算最優電感值； 平面聲波以入射角e斜入射壓電網絡板時，電感的最佳取值范圍Ln由下式確定：
其中：Dt為壓電網絡板均勻化處理后的等效機械抗彎剛度；gt為壓電網絡板均勻化處 理后的等效機電耦合系數；Ct為均勻化處理后壓電網絡板上、下表面單位面積的電容；Ctl為 聲波速度； 當電感值取集合Ln中任一值時，壓電網絡板不會出現隔聲低谷，與普通板相比隔聲性 能得到改善； 確定最優電感值后，按照第二步設計的電路網絡連接，壓電網絡板設計完成； 第四步：檢驗壓電網絡板的隔聲性能； 隔聲性能用傳聲損失評價，傳聲損失越大表不隔聲性能越好；壓電網絡板的傳聲損失 由下式計算：
其中：P0為空氣密度，Pt為壓電網絡板均勻化處理后的等效密度，j為虛數單位，《 為圓頻率。
2. 如權利要求1所述一種改善板殼結構隔聲性能的壓電網絡方法，其特征在于：所述 第一步中壓電網絡包含至少兩個壓電作動器，壓電作動器固定在基體板表面或鑲嵌于基體 板內。
3. 如權利要求1所述一種改善板殼結構隔聲性能的壓電網絡方法，其特征在于：所述 的電路單元還包括電阻，電阻與電感采取串聯或者并聯的方式。
【文檔編號】H04R3/02GK104363548SQ201410457979
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月10日 優先權日:2014年9月10日
【發明者】易凱軍, 李琳, 李超 申請人:北京航空航天大學