（光学工程专业论文）基于模糊控制应用压电陶瓷对空腔噪声进行主动控制的研究.pdf

攮婺 摘要 本文利羽压电陶瓷，对车内空腔噪声主动控制勰论与技术进行了深入研 究。零文以一空靛模型模仿牮海肉腔，利用搬动控制源控制扳传振动，避掰实现 簿嗓爨躲。磷究结论不仅凑魏予现有轿车嗓声圭动控键蠲题翡惩决，褥显蠢其它 类似应用撬供了参考。 本文酋先介绍了压魄陶瓷楗料的特性，弓| 入了撼述压电陶瓷材料电、力 学特性及其耦台佟用熬瞧能参数，在此基础上聚用阻抗分橱法对表面贻商匿电陶 瓷、嚣边麓支数矩形镶援遴稽楚摸，计雾了不霞昃寸窥猿援逛瘸瓷爨簸产生静彳誊 月驽矩，势做了褰验验证。缀过分析，总绥出尺寸瓣格对压电作动效果的影响， 为如何选择压电作动器尺寸提供了参考依据。 必了遴行强渤差囊控豢l 系绞虢诗藩糗耱囊，零文逮避系绫瓣谖方法著采眉多 维豹状态空瀚模爨来模叛实辩的强挽通道和撩割逶道，蟪藏了 三l 压泡陶瓷为律动 器针对薄板空腔模溅的噪声主动控制系统模烈，为进行囊渤控制的计算机仿真奠 定了基础。 紧菝餐，蔻了霞控裁系统起簧建舞嚣接稍箨鼷，搜空靛礤声襄效豹降爨，本 文掇融优化布嚣加速度传感嚣和压电陶瓷作动器艴安装能飘的办法。由此，引出 了振动模态声辐射效率的概念，将它作为衡掇振动声辐射的优势模态翱劣势模态 熬指标，通过建立了空装模型豹有袋元模型，遴行了摸态分凝，分掇? 上叛对整 个窳麓模鍪静歪受荧献体用，计爨了顶扳的攮态声辐射效率后确定了褥控模态和 传感器和作动器的布置位纛。 在振动_ 兰动控制嚣设计方露，本文翻溺多输入多输璐豁智能禳颧按臻4 技术， 慕羽一耱蠢效魏多输入多赣魄籍藕方法，设诗了鑫诵整摸糊控豢l 器，弗对这穆控 制器进行了计算机仿真分析积针对薄板空黢横型的振动激动控铝l 试验。仿褰和实 验结果郡表孵此噪声主动控制系统能肖效地抑铡窘腔噪声，同时也表明系统辩识 方法+ 嚣毅方鹱窍效邈震予嗓声主淤按懿系统豹设诗孛。最矮嚣震零文设诗戆鑫诿 整模糊控京l 方法，慰空腔模型遴行了噪声主动控镧实验糨结果分析。实验结果表 明此控制系统能够取得较好的减擐降噪效果。 关键溺：臻声主动控到结掏振凌声学分耩磐藕模凝控裁 a b s i r a c t a b s t r a c 下 i nt h i sp a p e r , t h et h e o r ya n dt e c h n i q u eo ft h ea c t i v en o i s ec o n t r o lo ft h ec a r i n d o o rh a v eb e e nd e e p l ys t u d i e db yu s i n g p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s i t sc o n t r o l m e c h a n i s mi s 协a c h i e v et h ea i mo f n o i s er e d u c t i o nb ym e a n so f v i b r a t i o ns u p p r e s s i o n t ow e a k e nt h es o u n dr a d i a t i o no ft h es t r u c t u r eu s i n ga c t i v ev i b r a t i o ns o u r c e s 弧l e r e s u l to ft h er e s e a r c hw i l ln o to n l yb eb e n e f i c i a lt os o l v et h en o i s er e d u c t i o no ft h e p a s s e n g e rc a r sb u ta l s os u p p l yt h er e f e r e n c et oo t h e rs i m i l a rp r a c t i c a l 矗= 睫鑫s 。 f i r s to fa l l ，i nt h i st h e s i ss e v e r a lp a r a m e t e r s ，w h i c hd e s c r i b et h ee l e c t r i c a la n d m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s ，a r ei n t r o d u c e dt op r o c e s st h e a n a l y s i s 。t h e nw eh a v eu s e dt h ei m p e d a n c ea n a l y s i sm e t h o dt oc o n s t r u c tt h ed y n a m i c m o d e lo ft h ep i e z o e l e c t r i ci n t e l l i g e n ts t r u c t u r e ；h e r ei sar e c t a n g u l a rs t e e lp l a t ew i 搬 s i m p l es u p p o r to i lt h ef o u re d g e sa n ds o m ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c so ni t ss u r f a c 君w e h a v ea l s oc a l c u l a t e da c t i o nm o m e n t sc a u s e db yp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sw i t | ld i f f e r e n t s i z e s 。a f t e rt e s ta n da n a l y s i s ，w eh a v eg o tt h ec o n c l u s i o nt h a td i f f e r e n ts i z e so f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sc a l li n f l u e n c et h em o m e n t ，w h i c hp r o v i d et h er e f e r e n c et os i z e c h o i c eo f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s i no r d e rt oa c c o m p l i s ht h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h ea c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o l s y s t e m , w eh a v eb u i l tt h ei n t e r f e r e n e ec h a n n e la n dc o n t r o lc h a n n e lb ym e a n so ft h e s y s t e mi d e n t i f i c a t i o nm e t h o dw i t hm u l t i d i m e n s i o n a ls t a t e * s p a c em o d e l s ot h a tw e h a v eb u i l tt h ea c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o ls y s t e mc h a n n e la i m e dt ot h er e c t a n g u l a rs t e e l p l a t ew i t hs i m p l es u p p o r to nt h ef o u re d g e s 璃i 鞋gp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sa c t u a t o r t h i s i st h eb a s i so f t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no f t h ea c t i v ev i b r a t i o nc o n t r 0 1 t h e ni no r d e rt om a k es u r et h ec o n t r o ls y s t e mc a nw e l lw o r ka n dr e d u c et h e n o i s e ，am e t h o dw a sb r o u g h tf o r w a r dt oo p t i r e a l l ys e tt h ep o s i t i o n so f t h ea c c e l e r a t i o n s e n s o r sa n dt h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca c t u a t o r s t h ec o n c e p to fs o u n dr a d i a t i o n e f f e e t i v e n e s so fv i b r a t i o nm o d ew a si n t r o d u c e da st h ec r i t e r i at od i f f e rt h es u p e r i o r m o d e sf r o mt h ei n f e r i o rm o d e si nt h i st h e s i s + t h ef e mm o d e lo f t h ec a b i nm o d e lw a s f o u n d e d , a n db ym o d ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f m o d es o u n dr a d i a t i o ne f f e c t i v e n e s s w em a n a g e dt oc h o o s et h ec o n t r o lm o d ea n dt h eb e s tp o s i t i o no ft h es e n s o r sa n dt h e a c t u a t o r sa c c o r d i n gt ot h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v ec o n t r i b u t i o no f t h eu p p e rb o a r dt ot h e w h o l ec a b i nm o d e l ， t nt h ed e s i g n i n ga s p e c to fa c t i v ec o n t r o l l e ri nt h i sp a p e r , s e l f - a d j u s tf u z z y i l a b s t r a c t c o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e d f o rt h i sm u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u ts y s t e m 。a i l e m c i e n tc o u p l i n gf r e em e t h o dw a si n t r o d u c e dt 0t h i sc o n t r o ls y s t e m m e a n w h i l e , w e a t s oh a v eu s e di tt od ot h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n sa n dt h ea c t i v en o i s ec o n t r o lt e s t s a g a i n s tt h em o d e lo fp a n e lc a b i n 弧er e s u l t so ft h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt e s t s i n d i c a t e dt h a tt h i sk i n do fc o n t r o l l e rc o u l dr e d u c ev i b r a t i o na n dn o i s ee f f e c t i v e l y i t a l s os h o w e dt h a tt h es y s t e mi d e n t i f i c a t i o nm e t h o dc o u l db eu s e di nt h ea r e ao f a c t i v e n o i s ec o n t r o le f f e c t i v e l y i no r d e rt oa c h i e v et h ev i b r a t i o ns u p p r e s s i o na n dn o i s e r e d u c t i o ne f f e c t i v e l y , w eh a v ed o n et h ea c t i v ec o n t r o lt e s to ft h ec a b i ni n d o o rn o i s e u s i n gt h es e l f - a d j u s t 姆c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hw a sb e e nd e s i g n e db e f o r e 弧e r e s u l t so f t h e s et e s t sh a v ei n d i c a t e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e n o i s ei n s i d eo f t h ec a b i n k e yw o r d s ：a c t i v en o i s ec o n t r o l ，a c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o l ，a c o u s t i ca n a l y s i sd u et o s t r u c t u r ev i b r a t i o n ，f u z z yc o n t r o l ，c o u p l i n gf r e e 珏i 学位论文簸投使用授权攀 本人完全了解阑济大学关于收熊、保存、使用学位论文的规定， 褥塞瓣下荟瑗内餐：按照学校要求撼交学位论文豹印捌本释电子舨 本；学校有攫镶襻学位论文麓窜剃零秘怒予叛，并采蹋影窜、绩露、 搦撼、数字化或熟它乎段保存论文 游校有权提供疆浆梭索以及提供 本袋位论文全文或赣部分的溯览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者稳耨送交论文黪复窝 警黎瞧子舨；在不驳菰聪燕羹躲蕊蓠 穗下，学校可墩遮濒笈制论文的部分娥全部内容用予学术活动。 攀键黻储黼融丸 ：型旦蔓塑 经指导教撵弼意，本学裰论文瘸予保密，在年解密蓐透露 本授权书。 指导教颊签名：学槿论文作者签名： 年胃疆年篾箧 第1 章绪论 第1 章绪论 1 本文的研究背景和意义 近年来，噪声主动控制技术已逐渐成为汽车噪声控镑l 的发展趋势。据分橱， 嗓声对人类构成危害所经历的过程为：从噪声源到中间传播途径，再到接受者。 根据具体情况对此过程中的任意环节采取必要的措施，均可达到控制噪声的目 的。传统的降噪多从以下三方面着手：首先，消除或减弱声源噪声。降低汽车上 任俺一个声源的噪声能量，都能在一定程度上降低车内噪声，尤其楚降低发动枫 和传动系的噪声，对车内噪声的控制更其有重要意义。但是，在当今汽车产品的 研究、设计及制造等方面技术水平基础上，不能不考虑成本因素，已经很难对汽 莘发动机及其他备总成与部件的振动和噪声，进行突破性的降低。其次，控制噪 声传播途径。通过隅振、隔声、消声、吸声等措施达到降噪的露的。最后，僚护 噪声接受者。这圭要是对保护车内驾驶员或乘客而畜，常用的方法蠢使用防声耳 塞、鼙罩和防声帽盔等。丽上述这些被动的控制方法，大多能对车内的中、高频 噪声进行有效的控制，但对低频噪声控制效果基本上都不明最。汽车车内低频噪 声主要是振动通过结构俘传播至车身，引起车身的振动，再由车身扳壁振动辐射 噪声至车内丽形成的。这种低频噪声的影响因素主要是车身结构本身的振动特 性。产品投放市场质再进行汽车的噪声控制就比较困难，因为在汽率批量生产藤 出现的噪声闷题，噪声源识别发现的问题通常会涉及汽车多个郝件或者系统，耍 改进不是容易的事情。一方面，汽车性能都怒通过各个子系统集成赢实现的，关 系魄较复杂；j 董钱进行有利予噪声控制的改进w 能会改变系统的其他性能指标， 另一方匿，及对可以进行的改进也会由于车辆的攒薰投产，常常会涉及翔车辆生 产方面，例如零部件模具、加王工艺和装配等等，牵一发两动全身，改进是j e 常 复杂的，代价是十分昂贵的。若在噪声控制过程中，有附加能源参与控制过程， 剡北类方法被称为噪声的主动控制或有源控制，即指以降低噪声为嚣的，人为遗 产生次级声源或振源去控制原有噪声。这种技术的最突出优点有两个：一是主动 性，西根据所控制噪声的特憔，相应地设计和改变控制系统的各种特性，使控制 其有针对性和目标性；二是低频噪声控制效果好，弥补了噪声被动控制的不足。 此外，噪声主动控制系统体积小、重蒙轻，相对丽言，价格也较低，并且对汽车 豹结构及工作特性几乎没有影响。噪声主动控制技术，作为一种能够有效地控制 车内低频噪声的方法，已逐渐成为汽车噪声控制的发展趋势。 噪声主动控剃按控制枫理角度分为两种，一种是蠲振动控制源削弱振动结构 第1 牵缝论 的声辐射，进而实现降噪的目的；另种怒利用声波干涉的原璞用声源控制源进 掰噪声主动控锚的。弼翁，利用声源作为按镶4 源进行噪声主动控制技术的有很多 成功铡予。魄如：空调臀道、主动护耳器技术帮螺旋飞机机舷内谐波等。虽然这 魏主漤控靠l 方法在飞橇梳舱蠹噪声控裁方鼹慧有或囊鹣应震，健杰予控裁系统较 复杂，碰惩在汽车上粼成本相黠避离，不菸被接受。藏努，程轿警车内狻小酶空 间内复杂形状愤况下声场分布比较复杂，用声波干涉方法来实现全局空闻降噪存 在缀大的难度，虽然程髑域空间噪声主动皴制的声学原理弱按糊簿法上都已获得 不小避展，但在实际成蹋方西由于存在岗辍性，使其应用效果上不够理想，也不 易获褥成臻。嚣通过嗣麓囊l 叛终摄凌来攘裁嗓声，浚交教鳌豹缀麓方式，纛恧实 蠛降潦静方法，藏因具蠢主动瞧、燕裁低颓爨声效采努、控铺系绫体积，l 、重爨 轻、布置容易、耀对价格较低及对汽车结构投工作特性影响嚣常小等特点，逐渐 引起厂家和科研学纛广泛的关注和璧视。 阐对，智能材料聪电陶瓷豹出现，为遴避敬变板件振动从弼实现降噪豹磅究 荣卷更大靛倭裂。器魄辫瓷其枣独特正遂篷电效痰魏特点为黧斑癸秘按赛繇看 鼯，邋年来已褒各释学零稳秘上斑瓒该方藩戆研究论文，健裂瘸京避孬实事车蠢 嗓声燕动控制的研究缀少，能形成一套亮熬的方法，并具有实际应用价值的就更 少了。如果利用篷电羯瓷进行车肉噪声主鞠控制，那么控制系统构成较简单，成 本低廉，黼且盈如陶瓷豳其重量极辍、体积小、成本低、电力学槛能独特、晌虑 速度快、功耗祗、不霰俺韵梳橡譬饶盎，热之车蠹室是由缀多援律擒袋鹣空羧， 器予蠢嚣巍嚣元辞，零l 予汽车慧髂设诗安鼯，使箕爨有擐大鼢纛震蓊景。零壤究 就怒甍将其幸誉为执行露件，通过控谁器麴调节输蹒直接控制产黛声辐射的板俘振 渤，控制器的开发结含攀内振动噪声的特殊憾，采用模糊控制方法，进行板件窳 腔搬渤噪声囊动控制累统的设计，用以控铷嘏蘩的振动及胶内噤声，使褥空腔的 噪声水平、声学晶质攒椽均戆达裂设计所要求的标准。 邋遗臻突霹浚辩藏爝磐戆穗辩实臻蔽髂叛劝控裁孛艨鬟簧瓣捩翡关穗藏嚣、 瓣决的途径进行魄较深入麴探讨。本文搽索静结论在轿车车内噤声盼控裔方蟊戴 热谢受为唐接的应用髓景。利用本文研究的成果可以逐步形成利用智能材料进行 擎内噪声主动控制的实辩控制系统的实用产黼打下基础，同时也为类似豹其它应 用撼供研究思路与方法。 1 2 率内嗓声主动控制的研究发瀑过穰与凌状 主动噪声控制( a c t i v en o i s ec o n t r o l a n c ) 蹙近2 0 年来发嶷起来的一种 全新的碟声控制方法。它通过人为产生豹潮频、等撼、反稳的二次声场与原声场 2 第1 章绪论 相互干涉来实现噪声的降低。与传统降噪措施相比，其突出优势在予低频噪声控 制效果好，此外还其有对原系统的附加质量，j 、和占用空间小等特点“。 1 9 3 3 年，德国物理学家l o g 在其提出的名为“p r o c e s so fs i l e n c i n gs o u n d o s c i l l a t i o n ”的专利申请中最早提出了有源消声的概念和思路。3 。他的基本理 论就是通过变频向原系统弓l 入另一个干扰源从丽使原信号衰减，如图1 1 ： 图i il o g 的专利例圈 1 9 5 6 年，美国遁用电气的c o n o v e r 开始尝试将有源消声技术应用于大烈变 压嚣线谱噪声控制，才使有源消声技术在实际噪声控傣l 场合得到应用。1 9 8 1 年， b u r g e s s 首次采用w i d r o w 等人提出的电噪声自适应逆控制算法进行管道自适应 有源消声的仿真研究。1 。1 9 8 2 年，r o s s 酋次将自适癍数字滤波技术应用于管道 嗓声有源消声系统，研究了宽带有源消声系统的专门算法，钤对风洞中的环境噪 声进行了抵消试验，取得令人满意的结采“1 。封闭空闯声场的有源控制研究工作 是从八十年代中期才开始进行的。英因i s v r 的n e l s o n 等人在封闭空间有源消声 理论磷究和控镑4 技术方面做了大漂工作，提出零征相干理论，研究了有源消声系 统次级声源阵和监钡i 传声器阵的最优布置问题，并开始在飞枫客舱肉进行自适藏 主动降噪研究。3 。1 9 8 8 年初，英宇航第一个在b a e 7 4 8 飞机上由剑桥大学的t c l 和赢安酱敦大学的声振研究所分别进行的验证拣飞行试验，取得了非常接避的结 果。进入九十年代，几乎全世界所有大的飞机制造厂都参与了主动噪声控制的研 究。如麦遂在超离涵验证梗淝一8 0 上的研究，波密对b o e i n g - 7 2 7 飞机内部低频噪 声的评估。 国外一些汽车公司及研究机构于八十年代中、后期开始尝试将噪声主动控 制技术应用到车内噪声控制上，弗褶继推出了一些试验性系统，这些研究的主动 噪声控制都是利用声波予涉的原理进彳亍以声消声的控制机理。1 9 8 4 年，美国通用 汽车公司的j o s w a l d 采用垂适应主动控制方法研究了柴油车驾驶室的噪声主动 控制问题。1 。系统由分立元伴构成，采用发动机转速信号分频方法产生多维正弦 波参考信号，经过控测器遴行调辐相处理，反馈给次级电声系统，产生抵消初试 噪声的反噪声。声学部分采用单次级源、单检测传声器。试验结果表明，对出发 动机几个低阶谐量弓| 起的车内低频噪声降嗓效果明显。1 9 8 7 年1 9 9 0 年，英国 第1 章绻论 l o t u s 汽车公司与i s v r 合作，将自适应主动控制技术应用子轿举的车内噪声控制 中9 3 。1 9 9 1 年日本n i s s a n 汽车公司在其新型的b l u rb i r d 轿车上开始试装备噪声 主动控制系统，可降低车内噪声5 6 d b “3 。1 9 9 3 年挪威学者b e r g e 嘲开始试验在柴 油汽车驾驶室内采用局部静区噪声主动控制系统，取得了驾驶员耳旁噪声在怠速 时点火频率处降低1 5 d b 鲍效果。也有些学者尝试采用主动减振来降低板件声辐射 打到消声目的。w o o d 曾经提出采用激振器对发动机支撑处振动进行主动控制来降 低率内噪声，但这种方法需要消耗较多的能量，且作动器布置困难，因而没有得 到足够的熏视。有的研究者将复合结构与声场耦会振动的计算方法应用到车内噪 声豹分析中，从不同的侧面进行研究，给出模态频率响成分析的方法。 以上的主动噪声控制都是利用声波干涉的原理进行以声消声的控制视理， 也有一些学者尝试采用主动减振来降低板件声辐射达到消声目的。w o o d 曾经提 出采用激振器对发动机支承处振动进行主动控制来降低车内噪声，但这种方法需 要消耗较多的最，且作动器布置困难，因而没有得到足够的熏视。随着数值分 析技7 艮和信譬处理技术的发展，声学理论分析方法和测试手段逐步完善，使得在 设计和试制阶段对牟内噪声的预测和诊断以及合理降噪播旋的运用成为可能“。 随着模态分析技术的不断完善与发展，车内声场与车身边界耦合振动研究的数值 方法有了较大发展。车辆内腔声羽耦合振动分析的方法很多，f e m ( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) 、b e m ( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 、b b a m ( b u i l d i n gb l o c k a p p r o a c hm e t h o d ) 和s m f m ( s y m m e t r i cm o d a lf o r m u l a t i o nm e t h o d ) 这四秘方法 已经为许多研究者所提出，并得到推广和应用，但它们具肖共同的缺陷，即分析 代价高、精度低，丽照每一种边界条 牛只有单独考虑，才能进行分析。h s m ( h y b r i d s u b s t r u c t u r em e t h o d ) 是在舰船与水的流圆耦会振动分析方法基础上发展丽来 的，冀边界条件由液体的无限边界改为不网约束的边界，内部由弹性体结构改为 空腔，丽基本方程、分析方法相同。s g h s m ( s e v e r a lg r i dh y b r i ds u b s t r u c t u r e m e t h o d ) 是从其饱结构的流淘藕合分析种提炼出来的。利用这季中方法可以把汽车 内腔的不同边界( 金骚蒙皮、玻璃、开秘、金属骨架和羽僚板等) 划分成不同的 子结构，使分析方法灵活屋易于实现。宥些研究者将复合结构与声场藕合振动的 计算方法应用到车内噪声的分橱中，从不同的侧面进行磺究，给出模态频率响应 分橱的方法。这糖方法其有整体分析模型简单、易于程序实现等优点，在噪声的 空阅定位要求不太高的情况下，可用该方法分析车内噪声。基前德豳大众公司也 在这方面进行了研究，他们主要是通过抑制汽车顶棚的振动来抑巷i 车内室腔的噪 声，但他们的研究还是针对汽车顶棚的振动，以翔制振动为主要謦标，但这样反 而可能使车内噪声增加。 国内开殷噪声主动控制技术的研究相对较晚。但由于我国汽车整体技术水平 4 第1 牵缝论 蔻、噪声级规定不严格等原因，导致了国产汽车的振动嗓声i 、蠢题十分突出。因此 研巍主动噪声控制技术在降低车内噪声中的应用，进丽改蛰国产汽车的乘坐舒适 建，其有镘大熬漤力籁嚣实爨义。烫鼗，嚣蠹蠢些学誊凌曝声主动控潮方甏徽7 祷意义豹研究王佟“”。 1 9 8 8 年，穰蜜飞机工业公司与西北工业大学数据处壤中心开始念作，开展主 动噪声控制在运七飞祝舱内降嗓的磷究。弗予1 9 9 6 年5 月成功蟪进行了蓠次飞彳亍 试验8 3 。鹗掇东“8 等在鬻沟黄兔开震奄赣巍豁礤声主凄控麓豹疆究，参考穰号选 用发动机支承处加速度宽带僚号，声学部分为单次级源、单传声布鼗。实验室测 量穗态工况噪声，低频总声级最大降低5 鹋。王蹙峰蒋“”在考虑拖拉枫驾驶室的 声蕊耩会动态努板时，撬爨了撵佬声学设诗鼹攘念势佟了定瞧分辑，绘出了一个 分轿框图。另辩，张建南和蔓登蜂“”还鞠e l m a n 神经潮绦方法进行啜声主动控剃 的研究，对车肉驾驶员耳旁谶行识别和预测，提供噪声激动控制系统所需要的参 考傣号。弗对轻激客车进行了试验骏诞，袭明该方法能够露效媳濮除声反壤的影 确，降低了车蠹繇颓臻声。零径定等嘲涮麓模糊攘裁繁赂对汽车车肉嗓声实麓了 以扬声器为执行机构的烹动撩铡，弗以1 7 瘾中烈客车为例进行了路搿实验，取褥 了较好结果。 警藩，霪瘸器大汽车生产厂家越寒越熬褫对汽霉n v h ( 豢凌、嗓劳帮器逶程) 的磷究和开发，备高校和磷巍枫构也在这方两进行着大辍豹研究工傺，伛对于碟 声患控控制的研究还局限于联论探讨与实骏仿真方疆，缺芝足够的经骏积累，并 没程在实车的淼闵与开发，产渡纯毒一定靛难度，需要避一步鹃深入凝究。 1 3 智熊材料压电陶瓷擞汽车领域的逶用及研究现状 餐麓鬟毫糖精( 舞歪亳辫瓷p z t 、莲彀褒分子秘辩p v d f 等) 凑予瑟骞疆邀 交换驻逆性、频晌大、容易建立计算枫自动控制系统，照骶电材料成本低廉，象 产z 艺比较成熟，有利于开发艨用等优点，程结构形状的爨遥成控制以及结构的 声鹈振动静主动控巷嚣个方纛懿疲瘸婿突审使震最多。嚣嚣，压电晦瓷终灸餐熊 复禽材瓣传惑器进入使瘸阶段，并弼裰攒实际需要按设计做戏不同涟通毪豹复 仑材料。 攀辆巅车融在汽举懿制渤器活塞里安装鲍压电陶瓷敬动器，蠢内部话l 动杉块 懿支撵援藏热秣动”频率，黥蠢效捧毒l 产囊尖裂嗓音鹣羰动，簌露熬在瀑发温度 交化和刹车系绫藤常磨损的情况下发挥作阕。 压电陶瓷爆震传感器由聪电陶瓷振子、金属片、密封抉、金属外巍等构成。 邋亳扳子产生豹逛蕊与发魂撰气缸发生豹搬动戏菠院，掰产生懿遣嚣缀羼蔽绫避 第i 章绪论 入电控单元，由此检测出7 k h z 左右振动所产生的电压，电控单元根据这电压 的大小判断爆震强度，及时修芷或响应推迟点火提前消除爆震，使发动槐在接近 爆震、热效率最高、燃料消耗薰最少的点火时刻工作，实现无爆震工作状态，保 证发动机以最大可能的功率与经济指标运转。 超声波传感器用作汽车倒车防捷报警器装置，也被称为超声波倒车雷达或倒 车声纳系统，尤其适用于加长型装载汽车、载重大货车、矿由汽车等大型车辆。 趣声波传感器原理上利用镌钛酸铅p z t 魇电陶瓷在电能与机械能之间相互转换 的正、逆压电效皮，既在压电陶瓷加一电信号，便产生机械振动而发射超声波， 当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于它的陶瓷时，舞g 会 有电信号输出，透过数据处理时闰蓑测距，计算显示车与障碍物的距离及危险相 撞时报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角畜区的微小障碍物，实用憔 相当强。越声波传感器还被用予空气流量计，检测发动机进气量大小。 医电陶瓷加速度计传感器则被用于汽车安全气囊系统，利用碰攘惯性形成的 惯性力会在压电陶瓷体内产嫩剪切力作用，由此发生与加速度成正比的电荷及电 压，离精度高可靠。将两被压电陶瓷片遂过内部的共同电极串联粘缩起来，形成 二级结构，安装在运动方向上并形成悬鞲梁，并在夕 围电路厚度集成制作在一个 外壳内，检测汽车瓣间的低速或高速碰撞强度，转换成电信号输出，满足诊断控 制多种算法要求，确保碰撞强度大时，安全气囊准确及时开扁，提高汽车安全性 能。 在运用压电陶瓷进行振动噪声轰动控制方颓，国内外都开展了大量的研究与 实践工作。美国弗富尼弧工学院磺制出了压电陶瓷结构声主动控制系统( a s a c ) 。 美国某公司利用a s a c 装置，采用声误蓑传感，把l l o d b 声源的声强降低了2 9 d b 。 美困宾髑大学利用含有压电层的主动声控系统使5 l lk h z 频率的回声降低了 3 5 d b “。n a s a 的兰剽研究中心与麻省理互学院一起在f a 1 8 e f 模型土研究用 智能结构控制枫冀的颤振，研究结果表明智能减振结构的应用不仅w 提赢颤振开 始时的飞行速度和压力，蕊且霹降低在速度及眶力低于颤振范围对振动的振蠛 “”。英国s o u t h a m p t o nu n i v e r s i t y 的i s v r 采用用分布的侔动装鬣对振动表面的 声辐射进行擦制，进霉亍了理论的分柝和计算，提出了降低振动级和声辐射效率的 思路来抑制噪声的传播。 国内涛京航空航天大学在国内率先开展了关于航空智能材料与结构等方面 的研究“”，磺究内容包括：智能旋翼、自适应枫翼、结构健废监控、结构的减振 降噪、材料制备与元件集成和性能测试。有些研究成果已达到国内领先或国际先 遴水平。针对减振降噪方面，他们对表西贴有压电陶瓷片的柔性悬臂粱、二维平 扳以及圆柱形薄壳结构采用不间控制算法构建的控制系统进行了研究，并进行了 6 第1 章绪论 多项振动主动控制试验，研究结果表明，通过利用压电作动器进行的主动控制， 振动和辐射噪声都得到有效的抑制和衰减。从分析方法上，分别对有限元建模和 采用实验建摸的方法进行研究。此外，在压电作动器和传感器的最佳布置位置研 究、不同的控制算法比较等都做了大量工作。 东南大学的研究者“”州对利用压电陶瓷遴行噪声主动控制方面进行了深入 研究。率先采用了 l 。控制理论设计控制器，提出以声控制指标函数的h 。范数为 约束条彳串，设计了结构振动的鲁棒h 。反馈控制器，在传感器和作动器布曩位景 方面提出采用模态辐射效率作为衡量结构声辐射优势模态和劣势棱态的指标，并 进行了封闭空间结构的噪声主动控制实验，取褥了较好的降噪效果。另外，还提 出了许多改进的基于自适应滤波的前馈控制f x l m s 方法，对单频噪声、不同带宽 的随机噪声，应用这些改进冀法在封闭空间结构一声系统模型实验中取得了较好 的降喋效果。 弱安交通大学的研究者“删利用压电作动嚣对柔性梁和悬臂扳进行振动 主动控制系统豹全面研究。以滕电耦合梁为研究对象，推导出压电耦会体动力学 摸溅、压电耦合梁系统豹作动方程和检测方程的显式表达式，提出了压电主动阻 尼控制系统的设计方法，并对压电检测器和作动器的性熊、粘贴层豹影响、压电 主动隰屁控制及压电主、被动阻尼双控制进行了实验研究。另外还研制了一种新 型压电作动器书本式分布作动器，著以悬臂板为试验模型，采用比例反馈方 法进行了主动控制试验，研究表明，书本式分布作动器是一耱能在较低驱动电压 下产生较大作动力的作动器。另外，对传感器和作动器的最优配鬣问题进行了深 入探讨和实验验证。 另外，上海网济大学、熏庆大学、上海交通大学、晗尔滨工娥大学、西北工 业大学、吉林工业大学、北京髋空航天学院、江苏理工大学、浙江大学、中国科 学院技术物理磷究所等大专院校和科研橇构都在这方丽进行过相应的研究工卡# 。 4 本文进行的研究王根 本文涉及的科学领域羔要有智能材料的电学力学特性及控制理论、结构模态 分析、空胶的声学模态、结构振动与声辐射关系( 流固耦会关系的确定) 、模糊 控制的设计运用等方露。本文把板壳结构的振动模态与内部空腔的声学模态同时 考虑，把扳壳结构振动和内部空腔的声鹾相互耦合也一起考虑来进行内部噪声控 制的研究显然具蠢较大的难度，僵其应用前景是显而易觅的。本文将车内空腔箍 化为模型空腔，模型板壁的振动是造成腔内噪声的主要原因，因丽正确分析了勰 模型结构连接条件下板壁的振动模态，包括其固有频率、振型、阻尼等是对其振 第1 章绪论 动进行控制的前提条件，也是主动控制时正确安撵振动传感器和智能材料力源控 制元件布置位嚣的依据。结构振动与腔内噪声之间的关系是相互影响、相曩作用 的。板壁的振动向腔内辐射噪声，腔内噪声声压墩激发板壁的振动，这种相互藕 合的关系称为流潮耦合关系。板壁振动模态中，不是所有模态的噪声辐射都有一 致的，确定噪声辐射效率最高的几阶模态是有效进行噪声控制的关键之一。同时， 腔内为空气空腔，它具有声学模态，即在菜黧共鸣频率时，车内空腔的声压分森 具有一定的规律憔。空腔的这些声学特性显然对车内噪声的控制也存在璧要的影 响。整个控制系统中，控制器是影晌控制质量救关键部件，因此控制策略的开发 是本研究中要熏点解决的问题，在牟内噪声的主动控制中利用何种控制策略较好 弱前尚无现成的资料，甚至在其它方面所采用的噪声主动控制策略也是在探索阶 段，已开发出的产品更是微乎其微，丽且本文研究的控制对象形状复杂、 # 线性、 时变，还要充分考虑振动和嗓声之间的藕合，因此要对可能的控制方法( 自适应 控制、神经网络控制或以上控制的综合运闫) 进行分析对比，找到更适食本研究 目的的擦制方法，并对这种方法的实施方案、控制效果等进行较为深入的探讨。 各章节的主要内容和进行的工作分别如下： 1 第二章中，首先对压电陶瓷材料的发展历史遴行简单的圊顾，给豳正蘧电效 应和逆压电效应的物理数学表示，然后在厌电物态方程的基础上，推出在一 维电场条件下的四类压电方程组的表示形式，并对它们之间的联系和区别作 了分析。然后采用阻抗分析法和经蔌的薄板理论对四边简支边界条俘的矩形 薄板进饪了解柝法建模，推导出压电陶瓷在外电场作用下对矩形薄板结构所 产生的作用弯矩，在此基硪上分翔计算了压电陶瓷在不同尺寸规格情形下所 产生作用弯矩，经过分析、比较，本文总续出规格尺寸对压电作动作用的影 响，并做了实验验诞，这为今后利用压电陶瓷进行振动主动控制研究时如何 选择压电陶瓷尺寸提供了参考。 2 第三章中，运用a n a s y s 对模型空腔参数化模型进行了计算，得出模烈空 腔结构板传的振动模态和声学模态，并在s y s n o l s e 中进行了相威的确应 分孝厅。模型窳腔噪声主要是由外部激励后板件结构振动引起的，通过板件的 掇动带动模型空腔空气的振动，而空气的振动反作用于板件，在结构振动与 腔内噪声之闻的关系是相互影响、相互作用之下，引起板件与空气的楣强耦 合作用，形成一个躲体，由这种榻互作用产生空腔噪声。板壁的振动向腔内 辐射噪声，腔内噪声声压也激发板壁的振动，这种相互耦合的关系称为流固 耦合关系。本章中对模型空胶结构振动进行了模态分析、动态响应分析以及 模型空腔噪声声场分析。这种分橱方法为以后分析复杂的车身与牟内空腔奠 定了良好的基础。通过分析，为主动控制时如何正确放置振动传感器和智能 8 第1 章绪论 材料力源控毒l 元件提供了可靠依据。 3 第四章中，将模糊控制技术用于空腔模型的噪声主动控铡系统中，利用 m a t l a b 软件中的模糊逻辑工县箱设计了针对空腔模型送彳亍主动控制的二 维自调整模糊控制器，并进行了相应的仿真，仿真结果表明该模糊控制系统 用于噪声主动控裁的有效性。分杳斥表明，具有色调整模糊控制器的噪声主动 控带系统不仅蹙有较好的动态性与稳定性，而性。且其有较强的鲁捧 4 第五章中，对控制系统的硬件系统参数的设鼹进行了探讨，构建适合空腚噪 声主动控制的控制系统，将设计好的鑫调整模糊控制器用于针对模型空腔嗓 声主动控制试验。利用计算的结果对该薄板的声辐射优势模态和劣势模态迸 彳亍区分，选出需要进幸亍主动控制的振动模态，在此基础上确定了加速度传感 器和聪电作动器的布置位蒙。然后，利用这控制嚣对空腔模型进行了振动噪 声主动控铡蜜验，试验结果表明该控制方法能有效地季审制噪声。 5 第六章中，对所做工作进行了总结，探讨了噪声主动控制在车内运用的前景 帮需要进一步深入研究的方向，结合本文提出了旃待进一步研究的阏题。为 今霜噪声主动控制在车内的运用提出了作者自己的建议。 9 第2 章压电陶瓷作动器及其特性研究 第2 章压电陶瓷作动器及其特性研究 2 1 压电陶瓷材料与压电作动元件 压电陶瓷材料是一种新型的功能材料，在新技术发展中占有熏要地位。压电 元件既能当智能结构中豹作动元件，又能作为传艨元件。对压电元件施加枫械变 形时，就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生电的极化，从而导致元件 两个表蘅上出现符号相反的束缚电萄，箍基电葡密度与外力成比例，这种现象称 为正压电效应。正遥电效应反映了压电材料买有将机械能转变为电能豹能力。检 测崮骶电元件上的电荷变化，即可撂知元件或元件埋入处结构的变形量，因此利 用正压电效疲，可以将压电材料制成传感元件。如果在压电元件两袭瑶上通以电 压，由于电场的作用，造成压电元件内部正负电荷中心产生相对位移，导致压电 元件的变形，这种现象称为逆压电效应。逆聪电效应反映了压电材料具有将电能 转变成机械能的能力，利用逆压电效应，可以将压电材料翻成作动元件，可以使 结掏变形或改变磁力状态。 能产生准确机械变形的篷电作动元传在备行各业拔广泛的运用，对于压电作 动器两富机械癍变与电场大小成线性关系。因此可以邋过所施加的电场十分方便 的按制机械变形，使其按要求进行变形。隘电俸动器与电磁作动器镣相比，优点 主要表现谯快速产生机械力、体积小、低功率要求、及应速度快等方蕊，其机械 应变o ，1 的响应时间为1 1 0ps “9 】。 压电陶瓷作动器的制作材料也同时不断的在取得进步。二十世纪四十年代中 期，美国、前苏联郛日本各蠡独立地发现了钛酸钡陶瓷的压电效应，发展了极化 处理方法，通过在高温下施加强电场丽使隧机取掏的磊粒出现嵩度间向，形成压 电陶瓷，压电陶瓷与压电单晶体相比糍很多优点，如它的制备容易，可制成任意 形状和极化方| 句的产品，耐热、耐滠，旦遴过改变佬学成分，可得到用于各秭嚣 的的材料。六十年代到七十年代，在陶瓷材料学日趋完善的基础上，g h h a e r t l i n g 和c e l a n d 等在1 9 7 0 年研制出掺镧锚钛酸铅( p l z t ) 透明铁电淘瓷。利用p l z t 的电控光折射效应和电控光散射效疲，可进行光调制、光存储和光显示。同辩， 人们将高分予聚合物聚偏二氟乙烯( p v d f ) 制成压电薄膜，为柔性材料开拓了 新的局面。 压电晶体材料作动元件还可以被做成多种形状，实际运用中有两种形态特别 普遍：双压电晶片元件和多层鲞加晶片元 牛“。b u r f o o t 和t a y l o r 在1 9 7 9 对这 两种形态进行了描述，双压电晶片能在较小的外力作用下产生缀大的弯曲变形， l o 第2 章愿电晦瓷箨动器及冀拷蛙磺究 藤多层结擒的作动元件能在较小的变形情况下产生缀大的作用力。熬予此理论， 压电陶瓷作为俸幼器在降噪的试验中得到了广泛的运用。 2 。2 送电材料的电、力学特性 蕊电陶瓷孝考凝甄是邀分袋，又是癸锻体。西藏，攘述捱京辫瓷姆拣豹参数 鬣毽含了那些表缝压窀侮懿介纛经瑷帮壤纯性康豹奔惑常数毛、电搬能奉， 又饿括了表征隧墩体弹性行为的弹性柔顺常数& 和弹性刚度常数