（车辆工程专业论文）基于thunder的结构声辐射有源控制.pdf

基于t h u n d e r 的结构声辐射有源控制 研究生郝俊仙 指导老师陈南教授李普副教授 东南大学 摘要 论文中结合有限元法分析了复杂封闭空间的声模态和双层板结构的模态，建立了有源结构噪声 控制模型，从理论上详细的推导了结构声辐射的声腔模态理论和结构模态理论，利用有限元法获得 模态数值解米分析声固耦合关系。 采用一种新型薄壁单晶体压电致动及传感装置( t h u n d e r ) 作为次级力源来控制结构的振动。 t h u n d e r 具有卓越的输出位移特性和其圊有的柔性，其主动及被动控制特性优r 同类的其它压电产 品，用它来进行有源结构噪声控制是个比较理想的选择。论文中对t h u n d e r 的位置进行优化并且 合理选择t h u n d e r 的个数。为进步研究t h u n d e r 致动器及发展有效的控制算法提供了理论基础。 通过计算机仿真计算，讨论了以全局时空平均声势能为控制目标函数时声腔声场的变化情况。 并分析了空腔中声乐的变化与激励频率的关系。 搭建了一个双层弹性板中间布置t h u n d e r 驱动器的实验模型，进行了双层弹性板的振动有源白 适应滤波l m s 控制实验，获得了较好的试验结果；此试验的目的是耍验证采用t h u n d e r 驱动器以 a n s c 方式进行双层壁车厢内噪声模型跟踪匹配控制的可行性。 项目研究以车厢山噪声控制为背景，技术使用范围可以推广到所有封i 划空间有源噪声控制相关 方面。 关键字：有源控制结构声辐射t h i j n d e r 封闭空间a s n c 声模态 a c t i v es t r u c t u r a ln o i s ec o n t r o l u s i n g t h u n d e ra c t u a t o r s h a 0j u n x i a np r o f c h e nn a n ，l ip u a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e sn o i s em o d a lo fc o m p l i c a t e de n c l o s u r ea n ds t r u c t u r a lm o d a lo f d o u b l ep a n e lw i t h f e m ，a n db u i l d sa l la c t i v es t r u c t u r a ln o i s ec o n t r o lm o d e l t h ep a p e ra c h i e v e st h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n d m o d a lr e s p o n s ea n da n a l y z e sc o u p l ec o e f f i c i e n tb yt h en u m e r i c a lv a l u eo fa c o u s t i cp r e s s u r em o d a la n d p a n e lm o d a l t h ea c t i v es t r u c t u r a ln o i s ew i t h i na ni r r e g u l a re n c l o s u r ei ss t u d i e d an e wa n a l y t i c a lm o d e l i n gm e t h o d i sd e v e l o p e df o rt h er e d u c t i o no fs t r u c t u r a lv i b r a t i o nu s i n gt h et h i nl a y e rc o m p o s i t ep i e z o e l e c t r i cd r i v e ra n d s e n s o r ( t h u n d e r ) p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r s t h u n d e rp o s s e s s e sm a n ya d v a n t a g e so v e ro t h e r c o n v e n t i o n a lp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r s p a r t i c u l a r l y , i t sc a p a c i t yf o rg e n e r a t i n gh i g hd i s p l a c e m e n ta n di t s i n h e r e n tf l e x i b i l i t ym a k ei tw i i ib ea ni d e a lc a n d i d a t ei na p p l i c a t i o n sf o ra c t i v es t r u c t u r a ln o i s ec o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , t h ep o s i t i o na n dt h en u m b e ro f t h u n d e ra c t u a t o r si sc h o s e n t h en a t u r a lf r e q u e n c i e s a n da c o u s t i cm o d a l sc a l lb ed r a w nb yf e mm e t h o d s t h ec o n t r o lo b j e c tf u n c t i o ni st o t a lt i m ea v e r a g e d a c o u s t i c a lp o t e n t i a le n e r g yt h em e t h o di nt h i st h e s i sw i l ll a yt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no f t i t u n d e r a c t u a t o r s a na c t i v es t r u c t u r a lv i b r a t i o nc o n t r o lt e s tm o d e lc o m p o s e do ft w of l e x i b l ep l a t e sw i t ht h u n d e r a c t i v a t o rb e t w e e nt h e mi ss e tu p ，a n dm o d a lt e s ti sd o n eo nt h em o d e l ，o b t a i n i n gi t sn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n d m o d a ls h a p e ，b a s e do na d a p t i v ef i l t e r i n gl m sf o r w a r dc o n t r o l l e r 。t h et h u n d e r sc o n t r o lo nt h ev i b r a t i o n o f t h es t r u c t u r ei sq u i t ee f f e c t i v e t h i sf o u n d st h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es t u d yo f c o n t r o l l i n ga c o u s t i cl e v e li n ac l o s e dc a v i t yt h r o u 曲t h u n d e r - b a s e dc o n t r o lo nt h ev i b r a t i o no f t h es t r u c t u r e ， t h er e s e a r c ha b o u ta c t i v ec o n t r o lo f s t r u c t u r en o i s er a d i a t i o nh a sm u c hp r o s p e c ti ns u c ha sa u t o m o b i l e ， a i r p l a n e ，s u b m a r i n ec a b i n ，e t c k e y w o r d s ：a c t i v en o i s ec o n t r o l ，s t r u c t u r en o i s er a d i a t i o n ，t h u n d e r ， e n c l o s e dc a v i t y , a s n c ，a c o u s t i cm o d e l i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 ：作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：岛心勘日划：j - 够 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图柏馆有权保留本人所送交学位论文的复印件利电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 繇枷咖虢心 日期 疳【) ( 一塑二童堕堡 第一章绪论 1 1 前言 众所周知，噪声污染在现实生活中随处可见。它已经和大气污染、水污染并列当今世界的三大 污染1 “。 k 期的暴露在高噪声环境下对人的听力和身体健康将造成严重的危害。般性的噪声干扰则会 影响人们的正常生活和工作。据统计，世界上7 0 以上的居民( 主要是城市居民) 不同程度的受到 噪声污染的危害中国作为一个经济快速增长的发展中国家，噪声扰l 屯问题更加突出。强烈的噪声 会导致机器、设备和某些工业结构的声疲劳，长期作用将会缩减其寿命，甚至会导致事故的发生。 在军事领域，噪声问题将会影响某些技术兵器的作战性能。因此，噪声控制在军事和民用领域都是 一项非常重要的j 二作。 1 2 有源噪声控制技术的研究概况 1 2 1 有源噪声的提出与早期发展 噪声控制可以从噪声源、噪声传播途径和噪声接受者三方面入手。传统的噪卢控制技术主要研 究噪声的声学控制方法为主，主要技术途径包括吸声处理、隔声处理、使用消声器、振动的隔离、 阻尼减振等等。这些噪声控制方法的机理在于通过噪声声波与声学材料或卢学结构的相互作用消耗 声能，从而达到降低噪卢的目的，属丁二无源或被动式的控制方法可称为“无源”噪声控制( p a s s i v en o i s e c o n t r o l 又称为被动噪声控制) 。一般说来，无源噪声控制方法对控制中高频噪声较为有效，而对低 频噪声的控制效果不大。为此，需要采用一项新技术有源噪声控制( a c t i v en o i s ec o n t r o l ，又称为 有源消声、主动噪声控制简称为a n c ) 技术。它具有中低频段噪声控制效果好，系统轻便等优点， 可弥补被动控制方法的不足。有源噪声控制原理就是利用通过在声场中加入与噪声源相位相反的声 源进行干涉，达到减少或消除噪卢的一种噪声控制方法。有源噪声控制系统主要由三个环节组成： 误差传感器、控制作动器和控制器。 通常噪声主动控制系统包括一个或多个控制源，它把次级( 或控制) 干扰引进结构或声学系统， 抑n t 来自一个或多个初级源的噪声。误差传感器用来采集物理系统的状态信息，控制作动器_ 于 激励物理系统，使得控制目标最小化，控制器主要是用来调节误差传感器与作动器之间的联系。所 以针对所要研究的结构或声学系统，首先是确定控制目标函数，设计误差传感器和作动器，制定控 制策略和优化算法，通过控制器实现控制策略和优化算法。 早在1 9 3 3 年德国物理学家p a u ll e u g 就提出了利用主动噪声抵消法代替被动噪声控制，对低频 噪声进行控制。这一设想是利用一个传感器对系统产生一个次级干扰，抵消现有噪声，使最初的噪 声得到衰减。由于当时科技水平有限，l e u g 的想法一直未能实现。一直到5 0 年代，a n c 才又唤起 人们的注意。1 9 5 3 年o l s a n 和m a y 提出了一个电子吸声器的设计，1 9 5 6 年c o n v e r 提出针对变压器 噪声的主动控制系统。a n c 在实际的系统方面又前进了一步。然而，由丁受当时电子技术水平的局 限，a n c 再度进入停滞不前的状态。二十年后。一直到7 0 年代，1 9 7 2 年j e s s e 和m a n g i a n t e 提出 一个管道噪声主动控制系统；1 9 7 3 年s w i n b a n k s 提出另个以方向性声源为基础的管道a n c 系统。 此后，随着超大规模的集成电路技术成熟( 尤其是高速d s p 芯片的出现) ，a n c 的研究蓬勃展开。 1 9 7 5 年k i d o 首先以数字控制建立了针对变压器噪卢的a n c 系统；1 9 8 0 年c h a p l i o n 提出一种波形合 成( w a v ef r o ms y n t h e s i s ) 的a n c 系统：1 9 8 1 年r o s s 提出一个针对管道宽带噪声的a n c 系统；1 9 8 0 1 东南大学硕士学位论文 年b u r g e s s 提出了以自适应滤波f i l t e r e d - xl e a s t m e a n - s q u a r e ( f x l m s ) 法为基础的前馈a n c 系统 1 1 - 5 1 。 有源噪声控制( a n c ) 技术对丁：比较简单的声场，特别是一维声场，其控制效果比较理想。但 随着声场结构的复杂化，a n c 技术就存在着很多不足。例如对于一般的板结构，由于声源的成分复 杂，因而如果用次级声源会使得次级声源数目急剧增加，从而使得结构庞大。白八十年代后期以来， 人们就提出了对于降低结构声辐射更为有效地方法。即主动结构声学控制( a c t i v es t r u c t u r ea c o u s t i c c o n t r o l 。a s a c 或a c t i v es t r u c t u r en o i s ec o n t r o l ，a s n c ) e “1 。 图1 1 噪声主动控制的反展 图1 - 2 a s n c 的由来 主动结构声学控制( a s n c ) 是有源消声( a n c ) 和主动振动控制( a c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o l ，a v c ) 两种的有机结合。主动振动控制又叫有源振动控制，它是用另一振动源产生某种振动，叠加到原有的振 动上达到减振、隔振和吸振的目的。a v c 作为一种新的有效方法，与传统的振动控制手段相比，具有 低频效果好，可以任意改变振动系统的等效阻尼、质量与弹性系数，并且可以在一定的频带宽度内同时 控制多个频率点的固有振动方式的响应等许多优点，因而受到广泛重视。迄今为l e ，几乎所有的传统振 动控制技术都有与其对应的a v c 技术。结构振动常常产生噪声，用次级声源进行有源控制往往需要 许多次级声源。 主动结构声学控制用控制结构振动的方法控制低、中频的结构声辐射，不用次级声源，直接将控制 力施加于结构，使辐射声能量最小。这种控制方法的特点是用较少的控制激励器就能实现有效控制， 因此由有源噪声控制和主动振动控制形成的结构声主动振动控制技术是控制结构振动所辐射噪声的 2 第一章绪论 一种更为有效的方法。 对于车内噪声来说，车辆内部噪声的来源及其产生机理较为复杂。主要分为两类，类是由于 外部发动机、传动系统、排气、轮胎噪声经由车身结构的透射声，另一类是由发动机、传动系统激 振和路面不平度引起的车声结构振动辐射噪声。由于汽车内腔嗓卢包含了许多噪声源和复杂的振动 传递，使噪声控制变得相当困难。早期的车辆内部噪声控制主要针对噪声的传播途径采用以下措施： 夺 改善车身结构的密封性能，防t t - _ ，b 部噪声经由孔隙传播形成空气传播声。 夺采用多层隔声结构对发动机等外部噪声辐射源进行隔离。 夺在车身与底盘各连接处、发动机支撑处采用隔振、减振措施降低振动向车身传递。 夺在车身内表面采用阻尼减振材料，改善壁面振动特性。 夺 车身内表面进行吸声处理。 这些措施对车辆内部噪声的降低确实起到了一定作用，但由于理论分析方法和试验手段的不足， 控制方法运用中带有较多的经验因素。 对于车内噪声，采用结构声主动振动控制方法控制弹性壁板的振动可以减少噪声的传入，可达到 降噪目的。较早的关于结构振动发出噪声的有源控制的试验研究始丁7 0 年代。”研究者们在对人 型变压器的噪声进行控制过程中发现，用a n c 方法降低辐射声功率需要很多扬卢器。1 9 6 7 年，前苏联 学者a s k n y a z e y 发表了第一篇用振动控制方法降低辐射噪声的论文。1 9 8 8 年，n e l s o n 等用声源控 制了有限矩形板的辐射功率。1 9 8 9 年，h a n s e n 等比较了用振动源和声源控制矩形板声辐射的不同效 率。1 9 9 0 1 9 9 1 年，p a n 和h a n s e n 等用a v c 方法对矩形空间的的声传入进行了控制，既有理论分析， 又有试验研究。在美国、英国、日本等国家，a v c 的研究与应用取得了很大进展。 目前美国c r e f u l l e r 并u 澳大利亚的s d s n y d e r 在主动振动控制的研究方面处于领先地位，主要 倾向于采用次级振源进行结构声的主动控制，并己经在谐振结构噪声的主动控制中获得初步验证。 a v c 系统是声学、振动学、电子学、计算科学、数字信号处理技术、换能器学、计算机、集成电路 等多学科的综合运用，一般由传感器、控制系统、次级振动源构成。因而a v c 的研究包括控制理论、 控制机理、传感器、次级振动源的研究以及复杂系统的研制。 图1 3 给出了一般性振动控制原理。在板的一端有策动力f 作片j ，使板产生振动而辐射声音。 当策动力的频率与板的某个固有振动频率一致时将产生共振，辐射的噪音特别丈。用传感器抬取振 动信号，经控制器做滤波、移相和放大处理以后反馈给次级振动源。只要传感器和振动器不在土要 振动模式的节点或节线上，就可以调育到满足减振条件。对于次要振动模式，因为相移可能使振动 减小或变大，但总的振动是减弱的。初步实验结果表明，对加筋金属板的空气传声，采用主动振动控 制，在4 0 8 0 h z 频率之间可以获得l o 1 5 d b 的衰减。对于双层板，用主动振动控制方法，采用 l m s 算法的控制器在8 0 1 6 0 h z 频率之间隔声量可增加1 0 d b 。与传统的振动控制方法相比，a v c 系统重量轻，灵活可调，可随意改变系统的等效阻尼、等效质量、等效弹性系数，适合于机械上程 及航空航天领域的振动控制。在噪声控制工程中使用a v c 可以减少结构振动噪声的a n c 所需要声 源的个数，且针对性强，结构合理紧凑，性能好。a v c 系统不足之处是应用时比较复杂，尤其是针对复杂 结构的主动控制，不仅耍弄清物理系统，而且要设计控制电路。此外，需要各种特性的传感器、次级 振动源，还需外加电源。目前在实际应用中，综合运用a v c 系统和传统振动控制方法能得到较好的 控制效果。预计随着电子技术、传感器技术、换能器技术和控制理论的发展，a v c 系统的发展将 越来越快，应用也越来越广。 主动结构声学控制的优点是在中低频率时，能够更有效、更经济的控制结构卢辐射。a s a c 系 统是以降低辐射的声功率为目标，主要通过两种途径使结构辐射的声辐射降低即振动结构模态抑 制和声辐射模态抑制。在振动结构模态抑制中。主要是控制对振动贡献作用比较火的结构模态，使 得结构体的整体振动水平下降，从而达到降低结构体辐射的声功率的目的。对于声辐射模态抑制来 说，这是个以声辐射模态概念为基础，以振动结构体表面辐射的声功率是由前n 阶声辐射模态辐射 东南大学预上学位论文 的声功率决定的结论为基础，改变振动速度的分布形式，使得振动结构体变为弱辐射体，从而达到 降低辐射的声功率。自从f u i i e r 首先提出a s a c 以来，很多学者在a s a c 研究技术方面都取得了令 人所目的成就。这其中研究比较多的是误差传感器的研究和控制作动器的讨论以及卢辐射模态概念 的理解。因为不同的误著传感器影响着控制策略和控制算法。所以在a s a c 系统中误差传感器的设 计是很重要的。 图1 3 结构声主动振动控制原理 在早期a s a c 研究中，一般是用声学传感器( 如扬声器) 作为误差传感器。但是由于传声器一 般位于远场，在一些实际结构中难以实现。同时有学者提出用加速度传感器来代替声学传感器。但 是使用加速度传感器作为误差传感器时，同样也存在着不足：例如应用时加速度传感器的数目需要 很多，这样不仅会增加费用，而且也影响结构体原来的物理性质。 1 2 2 有源噪声控翩的国内研究现状 在我国，噪声有源控制的研究工作也取得了许多有价值的成果。如马大猷在室内声场的噪声有 源控制方面作了大量的研究口j ，得到国内外的高度评价；陈克安等”6 j 对于表面为弹性平板的封闭空 腔进行了a s a c 研究，通过采用三种控制策略：反射声功率最小、近场卢压平方和最小及有限点声 压平方和最小对控制效果进行了比较和分析。李海英等”“对封闭空间的声场研究发现，次级源及误 差传感器的布放对系统的降噪效果有显著影响。并用遗传算法对次级源和误差传感器的位置进行了 优化，并指出若次级源的位置不当，有可能使噪声增加。张建润等l l ”建立了多个压电陶瓷片对矩形 薄扳的动力学模型，优化次级力源参数。孙朝晖 1 9 - 2 0 等通过理论和实验分析了简支矩形板的次级振 源和误差传感器的选择和布放规律。研究结果表明，在次级振源和误差传感器的位置选择中，结构 模态振型间的相位关系与幅值同样重要：当采用传声器在声场中提取误差信号时，控制效果对误差 传声器位置的敏感程度较低。西北工业大学声学所在局部空间宽带噪声、水r 结构辐射噪声的a n c 方面进行了深入的研究。 国内对车厢内的噪声研究也很多，近2 0 年来，随着数值计算和信号处理技术的重大发展，声学 理论分析方法利测试分析手段也逐步完善，使得设计利试制阶段对车内噪声的预测和诊断以及降噪 措施的合理运用成为可能p 。“j 。 在理论分析方面，开始运用有限元、边界元等数值计算方法来解决传统的解析分析方法难以处 理的具有复杂边界的声场问题。英国南安普敦大学的t s v r 以及清华大学汽车系曾进行过发动机、 变速器的低噪声优化设计研究j 。 吉林工业大学在国内首先开展车辆内部噪声的有源控制研究口“。参考信号选用发动机支撑处加 速度宽带信号，声学部分为单次级源、单传声器布置。实验室测量稳态工况低频噪声总声压级最大 降低5 d b 。该系利用a n s y s 软件分析了载重汽车驾驶室在路面激励和发动机激励下产生的噪声， 该研究中的路面和发动机激励都是实车测试得到的。同济人学汽车工程系靳晓雄教授则根据轿车设 计图纸和其他设计参数对路面激励悬架系统、发动机激励、发动机激振至车身结构和车身内腔声振 特性建模方法和预测方法作了系统研究。后来，清华大学也开展了车内自适应有源消声的研究，取 4 第一章绪论 得了较好的效果“。 九十年代以来，各种声学分析软件推向市场，除n a s t r a n 软什外，美国宾夕法尼亚匹兹堡的 a n s y s 公司开发的有限元软件a n s y s 有独特的优势，它建立了流体和卢学单元库，考虑了结构与 空气( 流体) 相互作用的计算问题，使得结构声学耦合问题的建模分析更为方便快捷。由于该软件 具有强大的前后处理功能和有限单元分析能力，受到国内外用户的广泛欢迎，在汽车车内噪声预测 分析方面也有许多应用。1 9 9 3 年，比利时n i t 公司推出了第一套综合考虑各种声学问题、采用有限 元，边界元法相结合的大型声学分析软件s y s n o i s e ，大大推动了声学数值分析的实际应用。该软件 不仅能分析车内噪声也能分析车外噪卢。在低频段采用有限元( f e a ) 和边界元( b e a ) 法进行分 析，在高频段采用其独特的统计能量分析法( s e a ) 来进行噪声的预测，使得软件的适用范围更为 广泛。 在振动与声学试验分析方面，出现了振动模态分析、声强测试分析和振动强度分析等强有力的 试验分析手段对于准确研究结构振动与声学特性及主要噪声源的诊断起了较大的推动作用。 1 3 课题来源及其研究意义 本文是在国家自然科学基金( 5 0 3 7 5 0 2 7 ) 和教育部| 尊士点基金( 2 0 0 2 0 2 8 6 0 1 7 ) 的资助下对车厢 内的耦合声场的研究。 车厢内噪声问题直接关系到客车的乘坐质量、确定客车竞争能力甚至决定车型的成败。客车车 厢是一个典型的封闭空间，而封闭空间内噪声控制是一个在i = 业和民埘等许多方面都有巨大应用价 值的技术。典型例子还包括客机舱内噪声、封闭或半封闭车间内的机器噪声、宝内噪声、空间运载 火箭舱内可能对搭载货物及人产生损害的噪声等等。因此，虽然本项目以车厢内噪声控制为背景， 技术使用范围却远不止丁此，所以我们以下将在智能结构在封闭空间耦合噪声控制中的应用范畴讨 论问题，这是国际相关领域的研究热点之一。 在目前，随着更高性能和更轻结构的追求愈演愈烈，一般封闭空间内噪声的控制问题正变得越 来越尖锐，因为这种追求通常导致振动水平的增加和噪声隔离的减弱。当被动噪声控制技术不那么 有效时如在较低声频率范围或环境变化很大，有源噪声控制技术就是一个有吸引力的选择。 尝试将高性能的t h u n d e r 致动器应用到结构振动卢辐射有源控制中，它具有较高性能，可提供大 量程的位移激励，并具有一定被动隔振隔声特性。t h u n d e r 是在n m i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ( n a s a ) 主持下于1 9 9 6 年开发研制出来的，由f a c e i n t e r n a t i o n a l c o r p o r a t i o n 公司生产， 并荣获美国9 6 年”r & d1 0 0 a w a r d ”，被认为是当年晟有意义的科学技术进步之一。t h u n d e r 的发明是 智能材料一次飞跃性的发展。这种材料被广泛的应用在致动器、传感器、发声器。 1 。4 本文的主要工作 论文主要内容侧重于：对车厢内声模态及与厢壁振动模态的关系建模及分析；研究空厢内声- 嘲 耦合关系；模态辐射效率与结构模态之间关系：由规则形状空厢声学特征组合出非规则形状空厢声 学特征的近似方法及分析工具。 新一代大位移、高性能的t h u n d e r 致动器的应用研究。中间使用t h u n d e r 构成机敏双层薄壁， 由机敏壁构成实验车厢封闭空间，外层有机械或声的激励，控制目标是厢内耦合噪声。t h u n d e r 是 一有源致动元件，起到被动隔振和主动控制的功能，它本身也是柔性的。 针对复杂封闭空间的声模态的表达式没有确定的解析表达式可用，论文中采用f e m 方法来分析 系统的模态，计算声腔的固有频率和模态，提取与弹性板相接触的声腔表面的声压模态的数值解。 目前，有关板的研究也都是局限于单层薄板系统模型由两面弹性壁其他都是刚性壁组成，其中的 5 查塑奎堂堡堂垡丝苎 一面弹性壁尝试采用双层壁，利用a n s y s 软件求解双层板结构的模态，获得结构的同有频率，和模 态振型数值解。弹性板采用四边简支约束方式。 空腔与弹性板之间声振模态耦合系数的计算是不规则封闭空间有源消卢建模的关键。从a n s y s 中提取声模态、双层薄板的同有频率和各阶振型的数值解，利用模态综合法，将系统分为两个弹性 板和声腔3 个子结构，建立了各个子结构的运动方程，然后将各个子结构加以综合，得到空腔的声 压的表达式，同时给出了空腔与弹性板之间的卢振模态耦合系数和压电陶瓷与弹性板之间的压电耦 合系数的表达式。以全局时空声势能为目标函数，详细分析了各阶模态对卢场的影响并优化了 t h u n d e r 的位置。 措建了一个双层弹性板中间布置t h u n d e r 驱动器的实验模型，进行了双层弹性板的振动有源前 馈自适应滤波l m s 控制实验，获得了较好的试验结果：此试验的目的是要验证采 = jt h u n d e r 驱动器 以a n s c 方式进行双层壁车厢内噪声模型跟踪匹配控制的可行性。所成功进行的试验为进一步进行 a n s c 方式所要求的、控制振动壁面按减少腔内噪声场方式运动奠定了基础。 项目研究以车厢内噪声控制为背景，技术使用范同可以推广到所有封闭空间有源噪声控制相关 方面。 6 第一二章t h u n d e r 致动器 2 _ 1 前言 第二章t h u n d e r 致动器 t h u n d 职致动器( 义称为激振器、驱动器) 的研制成功极大的丰富了这个压电陶瓷激振器干 感 器产品家族。t h u n d e r r 在构成上也是由金属和压电陶瓷薄片组成，只是其生产加3 i i l _ - 艺特殊，造就 其独特的优良特性，它具有较大的输出位移量程和输出激励力，具有抗干扰性能高、鲁棒性能好、 可靠性高，表面具有不平整性等特点【2 8 1 。 2 2t h u n d e r 的结构及其优良特性 2 2 1t h u n d e r 的构成 近十年来，对压电陶瓷致动器的研究引起科学界广。泛的兴趣，相关方面的文章和产品都相当多。 压电陶瓷被广泛的应用于压力传感器、加速度传感器、致动器和烟检测器等，现在压电陶瓷技术开 始在推进燃料喷射和开启阀f 、j 上应用“。 多年来，人们迫切希望研制生产出一种高性能的致动器，用米控制飞机和潜艇的表面的振动以 及能够对飞机和潜艇的主动振动控制更有效。众所周知，单片集成电路的压电陶瓷致动器能产生较 人的压力，但是只有很小的应力。我们需要的是更大的输出位移，更高的应力，良好的柔韧性。 经过反复的努力尝试，终于研制出了结构更紧凑，具有更高激励力，更大的位移激励的致动器。 目前市场上可以看到的致动器有b i m o r p h s ，r a i n b o w ，p a t c h e s ，t h u n d e r 每种致动器都有其独特 的特性，具有独特的用途。目前t h u n d e r 在压电陶瓷致动器领域处于领先地位，当施加电压后， t h u n d e r 能产生较人的力激励和位移激励。典型的t h u n d e r 致动器是由金属和压电陶瓷薄片组成的 【州 新一代致动器t h u n d e r ，其名称来源于t h i nl a y e rc o m p o s i t e ! 丛i m o r p hf e r r o e l e c t r i cd r i v e r & s e n s o r 。它具有较高性能，可提供大晕程的位移激励，并具有一定被动隔振隔声特性。这主要来白丁 它独特的制造i 一艺： t h u n d e r 致动器由压电陶瓷薄片、金属底层材料、热金属粘结层和优良的金属上表层组成。典 型的t h u n d e r 由不锈钢、p z t 陶瓷和铝三层组成三明治式结构如图2 - 1 所示。通常用来作为底层的 金属材料有铝、不锈钢和铜，前提条件是使用“l a r c s i ”作为粘结齐j 。全部加工过程是在高压舱 内进行的，舱内温度3 2 5 c 压力2 4 1 3 k p a 。层与层之间涂上热金属粘接剂“l a r c t m s i ”，粘接薄 金属片到p z t 磁片上，然厉冷却到窒温，刨造一种预应力状态。冷却过程中“l a r c s i ”的圃化 温度是2 7 0 ( 2 ，不同粘接层热膨胀系数的著异导致复合层压紧并产生弯曲变形，晟终产生t h u n d e r 特殊的性质8 ”j 。 图2 - it h u n d e r 的结构 7 圈2 - 2t h u n d e r 的外形 东南大学硕士学位论文 正如图2 - 2 所示，t h u n d e r 致动器的成品外形呈现穹顶形弯曲，这主要是因为t h u n d e r 的陶瓷层 和金属层的热膨胀系数不同，在冷却到室温时冷却速度不同，还有个原冈就是材料在极化过程中 偶极旋转也能引起这样的穹益变形。在矩形结构中通常弯曲变形发生在两个方向上，如果长宽e b 较 大，认为变形主要发生在较大尺寸的方向上。我们注意到t h u n d e r 的变形只发生在p z t 覆盖的部分， 而边缘金属底层还是保持平直的，这样安装方便口“。 t h u n d e r 是在n a t i o n a l a e r o n a u t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ( n a s a ) 主持下丁1 9 9 6 年开发研制出 来的，由f a c ei n t e r n a t i o n a lc o r p o r a l i o n 公司生产，并荣获美国9 6 年”r & d1 0 0a w a r d ”，被认为是当 年最有意义的科学技术进步之一。t h u n d e r 的发明是智能材料一次飞跃性的发展。这种材料被广泛 的应用在致动器、传感器、发声器。 图2 3 施加电压方向与位移的关系 t h u n d e r 激振器传感器可以根据需要生产出不同的形状，可以是长方形的、方形的、圆盘形状 的，尺寸可以从几毫米到几厘米。即使在较苛刻的化学、温度环境下，t h u n d e r 都能保持较好的宽 带特性。 i j一旷 疆巧r r r 八 u 图2 - 4 论文中所采用的t h f o n d e r 的三种型号 t h u n d e r 呈现其他压电陶瓷无法比拟的优良输出特性。根据施加在t h u n d e r 上的电压极性不同， 它的输出位移变形相应的变大或变小。这也是t h u n d e r 为什么受到关注的原因。 通过试验已经证明，个别型号的t h u n d e r 致动器的最大的输出位移能够达到它厚度的3 0 倍，这 是一个重大的发现，没有其它的压电陶瓷能够像t h u n d e r 一样高效性低成本，而输出位移特性又 如此卓越。 2 2 2 论文中采用的t h u n d e r 论文中主要研究了如图2 。4 中所示的三个型号的t f u n d e r 激振器传感器。 这三种型号的t h u n d e r 激振器，传感器的有关参数见下表： 第二章t h u n d e r 致动器 表2 - 1t h u n d e r 的有关参数 型号规格尺寸p z t 厚度弦高最火施加电压悬臂安装典型位移集中力 ( m m ) ( r a m )( r a m )( v p p ) ( r a m )( n ) t h 5 c3 1 7 5 d * 0 4 8 2 6o 1 7 7 81 2 9 4 2 41 3 3 t h 6 r7 6 2 * 5 08 * 0 7 8 7 403 7 542 49 0 5 3 】2 1 3 3 t h 8 r6 3 5 + 1 2 7 * 0 4 8 2 60 2 0 3 238 3 4 8 0 1 9 86 7 悬臂安装典型位移是在频率为i h z 的条件下测得的。 2 2 3t h u n d e r5 c 和6 r 的特性 km m o s s i 和r p b i s h o p 对t h u n d e r5 c 和6 r 型号的产品进行了详细的测试分析【2 8 】。并给出 了它们各自的结构组成的详细参数，并对它们的位移特性和力特性展开了研究，获得许多有用的信 息。表2 - 2 ，2 - 3 给山了t h u n d e r5 c 和t h u n d e r6 r 的组成材料及各自材料的厚度。 表2 - 2t h u n d e r5 c 的详细参数 l a y e r sf o rm o d e l5 c ：d i a m e t e r3 1 7 5 c m t h i c k n e s s ( m m ) a l u m i n u ma l l o y2 0 2 4 一p e r f o r a t e d o 0 2 5 4 l a r c s i o 0 3 8 1 p z t - 3 1 9 5 h d 01 9 0 5 0 0 1 2 7 l a r c s i 00 3 8 l s t a i n l e s ss t e e l3 0 2 0 1 5 2 4 1 1 0 t a lm e a s u r e dt h i c k n e s s0 4 8 0 0 1 5 表2 - 3t h u n d e r6 r 的详细参数 l a y e r sf o rm o d e l6 r ：7 6 2 x 5 0 8 x o 0 7 9 c m t h i c k n e s s ( m m ) a l u m i n u ma l l o y2 0 2 4 一p e r f o r a t e d 0 ，0 2 5 4 l a r c s i o 0 3 8 1 p z t - 3 1 9 5 h d 0 3 8 1 0 0 2 5 4 l a r c ，s i 00 3 8 1 s 协i n l c s ss t e e l3 0 2 0 2 5 4 0 t b t a lm e a s u r e dt h i c k n e s s 07 6 2 0 0 2 8 k m m o s s i 和r rb i s h o p 采用了十个t h u n d e r5 c 试样，分别在频率为i h z 和6 0 h z 时，有载 荷和无载荷情况卜，不同的约束条件下测得位移和电压的关系，位移与力的关系，并给出详细的图 表形式。试样施加的最大电压4 5 0 v ( 峰峰值) ，再高的话将使试样去极化。 图2 5 是t h u n d e r5 c 位移与电压的关系。在自由状态下，测试频率为i h z ，没有负载，简支情 况下测得的。 当没有载荷情况下，最大位移o 1 7 r a m ，测点在试样的中心位置。电压和位移之间存在近似二次 方的关系，可能是由于试样形状的原因。t h u n d e r5 c 是圆片形状的，中心呈穹顶状拱起。 自由状态没有载荷作用f 试样可能发生跳动不太稳定。因此再在有载荷的情况f 、施加不同的 电压测得输出位移与电压的关系如图2 - 6 所示频率为1 h z 时，有负载的情况下。 集中力定义为当位移到达小于压电陶瓷片厚度的l o n 寸峰值而且所需要的力。实验中最大的施 j j ne g 玉, 为1 3 3 n 。施加如此大的力可能引起试样内部细微的断裂，而且认为这样的力为非面均布力。 实际应用中较小的点力和线力也可以。 9 东南大学硕士学位论文 在t h u n d e r5 c 试样上施加直流电，1 2 0 v 。，6 0 h z ，简支条件，获得图2 7 所示的位移与力的关 系。测量力时要考虑到试样原有的内力，负载要相应的增大。实验发现，在t h u n d e r 馓振器的谐振 频率以下，响应和施加电压的频率无关。 图2 - 5t h u n d e r5 c 位移与电压的关系 r “e 曲40砷1 i 掷t 怕 闰2 - 6t h u n d e r5 c 位移与力的关系 图2 7t h u n d e r5 c 位移与力的关系 1 0 ew#|i2j6 o 0 7 6 6 4 3 2 1 o 9 8 7 b 5 3 2 1 o裟嚣潍捻掰盟怒瓣糍麓 第二覃t h u n d e r 致动器 用同样的测量方法来测量t h u n d e r6 r ，所不同的是t h u n d e r6 r 的试样是矩形的，这种形状存 在更多的模态。另外，试件的压电陶瓷的厚度是t h u n d e r5 c 的两倍。结果发现，位移与电压之间呈 现非线性关系。需要指出的是，位移是在试样的中心点上测量的，试样有轻微的穹项状弯曲变形， 实际的运动是三维方向的。 t h u n d e r6 r 悬臂安装时，频率1 h z ，无负载的条件下获得如图2 。8 所示的电压与输出位移的关系。 图2 - 8t h u n d e r6 r 电压与输出位移的关系 ：至 1 l ：莩 f n o j i o 两端简支，中间施加载荷，t h u n d e r6 r 的展大的施加电压为9 0 0v ( p p ) ，最大的变形位移1 6 5 1 m m ， 而悬臂安装时最大的位移为3 2 m m 。 图2 - 9 的力与位移的关系曲线是在两端简支，有负载，频率1 h z 下测得的。 图2 - 9t h u n d e r6 r 力与输出位移的关系 2 3 国外关于t h u n d e r 的研究 至9 6 年t h u n d e r 致动器传感器的研制成功后，引起广泛的兴趣，在国外，对t h u n d e r 的研究 主要在探索t h u n d e r 的更大的实际应用潜力，尝试应用于隔振和主动控制方面。 在t a y l o r 和w a s h i n g t o n 对压电陶瓷致动器的力与电压的关系进行了详细的推导，并着重推导了 l l 口il816 东南丈学硕士学位论文 t h u n