一种基于压电声子晶体的主被动可控隔振装置的制作方法

本发明涉及一种基于压电声子晶体的主被动可控隔振装置，属于振动控制、声子晶体材料等技术领域。

背景技术：

隔振技术是当今振动控制研究领域的热点问题，其广泛应用于舰船设计、航空航天、精密制造与加工等领域，尤其是多工况和低频条件下的隔振技术更是振动控制领域亟待解决的问题。近年来，为突破传统隔振技术低频隔振的局限性，基于声子晶体带隙特性而衍生的隔振技术得到了广泛的关注，其表现出更多的优势，例如隔振频带宽、低频控制效果好以及无需锁死装置等。利用声子晶体的带隙特性进行振动控制的机理主要有两种，一种是利用局域共振型声子晶体中的局部共振带隙对中低频段的振动进行控制，但其局部共振带隙宽度窄，振动控制范围单一，使其在复杂工况条件下的隔振或隔声效果欠佳。另一种是利用Bragg型声子晶体中的Bragg带隙对高频段的振动进行控制，其带隙宽度较大，但其在小尺寸情况下难以实现低频段的隔振效果。目前，基于声子晶体的Bragg带隙和局部共振带隙特性而设计的隔振装置专利较多，但是都未能很好地解决被动声子晶体隔振的上述局限。

为突破当前声子晶体隔振技术的局限性，压电类、压磁类等智能材料被引入到声子晶体的设计中来，并成为主动型声子晶体隔振技术的研究热点。主动型声子晶体隔振结构可利用对压电材料的主动激励控制实现对不同频率、不同幅度振动的控制，同时其具有控制精度高、响应速度快，无需锁死装置等优点，这使其在复杂振动环境下具有更明显的应用优势。许振龙等人(CN104251275A)和杜成斌等人(CN104389935A)都提出了基于磁流变弹性体声子晶体的可控隔振装置，利用磁流变弹性体阻尼、刚度的电可控性对声子晶体的Bragg带隙范围进行调节，进而扩大了装置的中低频隔振范围，但其低频(2kHz以下)隔振效果欠佳，并且所需周期较大，制作工艺较为复杂。目前，利用压电声子晶体的主被动混合方式来实现低频可控隔振，同时实现高频段隔振效果的专利发明还没有相关发表。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决复杂工况和低频条件下的隔振问题而提供一种基于压电声子晶体的主被动可控隔振装置。

本发明的目的是这样实现的：包括连接底板、与连接底板固定连接的压电声子晶体隔振结构和加速度传感器、电端控制系统，所述压电声子晶体隔振结构是由压电材料散射体和被动材料基体交替排列而成的层状结构，每层压电材料散射体沿平行于振动的入射方向极化，且各层压电材料散射体按极化方向一致排列，每层压电材料散射体和被动材料基体之间设置有电极片，电极片接有电极引线。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.电端控制系统还包括依次连接的电荷放大器、控制电路硬件系统、信号发生器以及功率放大器，电荷放大器还与加速度传感器连接，功率放大器与对应的电极引线连接。

2.压电材料散射体的材料是压电类智能材料，被动材料基体的材料是树脂类聚合物材料。

3.压电材料散射体和被动材料基体的横截面形状均是圆形或多边形。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于一维压电声子晶体的设计思想，将主动隔振技术与被动隔振技术有机结合在一起。与传统隔振装置相比，本发明不但可以实现中低频范围的振动控制，还能对隔振频率和隔振幅度进行调节，同时还可以实现高频范围的隔振效果，这使得该装置更适用于多工况条件下和低频范围的隔振场合。此外，与传统基于弹簧系统的软式隔振装置相比，该装置为硬式隔振结构，在运输和航天发射时无需锁死装置，这为其在航天器、卫星系统上的振动控制应用提出了新的方法。

本发明作为主动隔振系统使用时，通过对压电声子晶体中压电组分的主动激励控制(幅度控制和相位控制)，可以在中低频范围获得可控的隔振效果；装置作为被动隔振系统使用时，通过利用声子晶体自身的Bragg带隙可以对高频范围的振动进行有效地阻隔。该装置将低频振动的主动控制技术与高频振动的被动控制技术有机结合，扩大了智能类材料声子晶体的应用方向，为当前多工况条件下和低频范围的隔振技术提出了新的思路。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图

图2为本发明被动工作情形的高频隔振效果图。

图3为本发明主动工作情形的中低频可控隔振效果图。

图4为本发明主动工作情形的宽带隔振效果与主动激励电压的关系。

图中：1—压电材料散射体，2—被动材料基体，3—驱动电极片，4—连接底板，5—加速度传感器，6—电极引线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明是一种基于压电式声子晶体的主被动可控隔振装置，包括压电声子晶体隔振结构、加速度传感器5、连接底板4以及电端控制系统，所述的声子晶体隔振结构与连接底板、连接底板与加速度传感器为硬性连接，如胶接或螺栓连接，其中压电声子晶体隔振结构由压电材料散射体(压电主动材料组分)1和被动材料基体(被动材料组分)2交替排列粘接而成，压电散射体沿平行于振动的入射方向极化，且各散射体按极化方向一致排列，压电散射体由夹在结构中的电极片和引线进行主动驱动控制，这样就组成了主被动一体式的隔振结构。电端控制系统则由软硬件系统共同组成，包括前端的电荷放大器，中间部分的A/D、D/A转换器、单片机控制系统、软件控制程序以及末端的信号发生器和功率放大器。加速度传感器应具有质量轻、体积小、灵敏度高以及量程大等特点，它应与底板硬性连接(胶接或者螺栓连接)用于拾取待控制结构的入射振动信号，底板则用于连接声子晶体隔振结构与待控制结构，使振动信号尽量多的传入隔振结构中。这样，隔振装置在主动状态下工作时，首先由加速度传感器拾取待控制结构的振动信号并传入电端控制系统中，控制系统通过单片机系统计算出合适的电信号，并由信号发生器和功率放大器输出到压电声子晶体隔振结构中，以产生用来抵消对应待控制振动的中低频主动激励带隙，同时，结构在被动状态工作时可作为传统的声子晶体结构，利用自身其的Bragg带隙对高频段的振动进行有效地阻隔。

进一步的，所述的层状压电声子晶体隔振结构的隔振频率与隔振幅度可由压电散射体的主动控制进行调节。

进一步的，所述的压电声子晶体散射体和基体为横截面为圆形或多边形的层状结构，电极片为同形状的薄片结构。

进一步的，所述的压电声子晶体散射体材料为压电类智能材料，基体材料为树脂类聚合物材料，电极片为导电性能良好的金属材料。

下面结合具体参数介绍本发明的一实施例：

压电声子晶体隔振结构的组分材料分别为压电陶瓷PZT4和环氧树脂，电极片材料为紫铜，其中PZT4材料沿厚度方向极化。PZT4的材料参数为：密度ρ₁＝7500kg/m³，压电常数d₃₃＝289×10^-12C/N，开路柔顺系数自由介电常数开路状态纵波声速c_1l＝4023m/s，环氧树脂材料参数为：密度ρ₂＝1250kg/m³，纵波声速c_2l＝2050m/s，紫铜材料参数为：密度ρ₃＝8900kg/m³，纵波声速c_3l＝4700m/s。各组分材料的尺寸参数应根据被动隔振带隙的频率范围而定，本实施例中保持PZT4与环氧树脂尺寸一致，参数为：圆形横截面直径d＝40mm，厚度h₁＝10mm，铜电极片横截面直径与PZT4一致，厚度h₃＝0.02mm。隔振结构的周期数应根据具体隔振要求而定，本实施例中选为4周期结构，各组分材料由环氧树脂胶接而成。

为实现压电声子晶体隔振结构与待控制结构的同振动连接，装置中使用了连接底板结构，作为具体的实施例，底板材料为硬铝，密度ρ₄＝2700kg/m³，杨氏模量E＝6.85×10¹⁰N/m²，圆形横截面直径d₄＝80mm，厚度h₄＝10mm，声子晶体结构与底板胶接。

装置中的加速度传感器的作用是拾取待控制振动信号，应尽量减小加速度传感器对待控制振动产生影响，所以加速度传感器应具有体积小、质量轻、灵敏度高以及量程大等特点。作为具体的实施例，加速度传感器选用BK公司的4374型号压电加速度传感器，其灵敏度为1.533pC/g，量程为0-26kHz，加速度传感器与底板胶接。

电端控制系统部分应包括电荷放大器、硬件控制系统、信号发生器以及功率放大器，用于对振动电信号的作出读取、计算、以及输出等操作。

本发明的主被动工作情形是：

1.被动工作情形：当装置中压电声子晶体隔振结构处于被动状态，即无电压激励时，此时压电声子晶体中存在Bragg带隙，Bragg带隙的位置与晶格尺寸和材料参数等有关。在一维压电声子晶体中，第一Bragg带隙中心频率一般位于c/2a(c为声子晶体中纵波平均声速，a为晶格常数)附近。在本实施例中，4周期的压电声子晶体隔振结构的第一Bragg带隙范围为25k-94kHz，如图2所示，此时隔振结构可以对带隙范围内的振动产生大约-70dB的衰减，进而达到高频隔声的效果。

2.主动工作情形：当装置中压电声子晶体隔振结构处于主动状态，即存在电压激励时，此时压电声子晶体中存在中低频主动带隙，带隙的位置由激励电压的调节进行控制。在本实施例中，当待控制振动的幅度为1×10^-4mm时，通过理论计算，声子晶体的激励电压幅度为111V时，可以在500Hz频率附近产生低频带隙，如图3所示，带隙可以对振动产生-60dB的衰减，从而达到隔振的效果；类似地，当对压电声子晶体的主动激励调节为547V时，可在2kHz频率处产生低频带隙，如图4所示，带隙内振动衰减-60dB。图4为装置主动工作时主动激励带隙与激励电压的关系，可见，当声子晶体隔振结构的主动控制电压在0-3000V之间进行调节时，其可在500Hz-20kHz的宽带范围内对振动进行有效地阻隔，平均振动衰减约为-50dB。

综上，本发明利用声子晶体的主被动混合控制手段，克服了传统隔振技术中表现出的隔振频率单一，低频隔振效果欠佳的缺点。同时，相比于传统质量-弹簧-阻尼系统的软式结构隔振器，这种硬式结构隔振装置在航天发射和运输时具有无需锁死装置的优点，以上优势使得所述装置可广泛应用于各种复杂振动环境下的振动控制场合，尤其可作为航天器、精密机床、精密仪器等设备的隔振底座、隔振平台等。