专利名称：用于振动和声辐射控制的主动/被动分布式吸振器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种吸振器，更具体地说，涉及一种用于控制振动和声辐射的主动/被动分布式吸振器。
背景技术：
主动和被动降噪控制技术已经为人们普遍知道，并通常用于降低和/或控制诸如航空器等的振动体中的振动以及伴随的声辐射。在许多情况下，主动降噪技术充分降低了振动和噪音，但是以昂贵而复杂的控制系统为代价。同样地，利用被动降噪技术降低振动和噪音已为人们所公知，但这些被动系统一般体积大而笨重，并且在低振动频率范围内没有效。
基本上，主动振动控制系统利用传感器探测来自振动体的振动或噪音。传感器将振动或噪音转换成信号，然后转化并放大该信号。所转化的信号然后反馈给促动器(或扬声器)，该促动器将所转化的信号提供给振动体，从而降低振动或噪音。主动控制系统在诸如低于1000Hz的较低频率时通常是有效的。
为了正确地利用主动控制系统，选择适当的传感器和致动器对于主动控制系统的功能性是关键的。也即，如果选择不适宜的传感器或致动器，主动控制系统将不会正确地转化和放大信号，并因此不会充分降低振动体的振动和噪音。对主动控制系统的功能同样关键的是将传感器和致动器相对于彼此以及相对于和振动相关的振动结构正确地定位在振动体上。例如，如果传感器和致动器没有正确地定位，所转化的信号就可能不会正确地放大以便消除振动体上的振动。而且，具有能够转化信号的正确的反馈电路非常重要，因为这种电路决定了振动控制及其频率范围的有效性。
与主动控制系统相比，被动阻尼系统通常没那么复杂和昂贵。然而，这种阻尼系统体积大并且一般仅在大于500Hz的较高频率时有效。正是在这些较高频率下，被动阻尼系统的尺寸可与振动体的振动波长相比。
在振动控制系统的实践中结合主动和被动振动系统也是常见的。然而，这种混合的主动/被动动态振动控制系统提高了衰减作用，该衰减作用通过控制力消耗施加给系统的能量的情况下由被动系统实现的。
点调整的吸振器是衰减振动体振动的另一种方法。然而，点吸振器仅控制单点处的一种频率，因此其功能局限于控制大面积振动体的振动。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种分布式主动吸振器，以及分布式被动吸振器。
本发明的另一目的是提供一种分布式主动吸振器，该吸振器包括检测振动用的传感器，用于获得控制信号的机构，以及利用控制信号实现吸振器的前馈和/或反馈控制的机构。
根据本发明，提供一种具有多个共振层的分布式主动吸振器。在其中一个实施例中，第一层包括主动弹性层，优选具有较低的单位面积刚度。第二层为质量层，并被粘结至主动弹性层的每个波状部分的最顶部上。于是共振层包括主动弹性层和质量层的结合。多个共振层然后可以一个定位于另一个的顶上，这些共振层可具有相同的或者变化的尺寸和形状的不连续的质量体(这些质量体不相连并且不形成整体“层”)。在另一实施例中，主动或被动振动层包括弹性材料，例如泡沫、玻璃纤维、尿烷、橡胶、或类似材料，并且质量层分布在弹性材料内或者固定至弹性材料的表面上。所述质量层可由不同尺寸、厚度或形状的不连续的质量体部分构成。此外，诸如聚偏二氟乙烯(PVDF)、压电陶瓷或其它机电装置之类的致动器可嵌入所述弹性材料内。
主动弹性层具有的低刚度使其沿着与其主平面垂直的方向运动。主动弹性层还可被电致动以在与其主平面垂直的方向引起运动。这种附加特性允许控制器引入和/或改变质量层的运动并因此提高整个系统的动态特性。这种结合的两层可以具有取决于主结构和刚度的任何共振频率，优选地，共振频率接近主结构的共振频率。
主动弹性层优选为弯曲的聚偏二氟乙烯(PVDF)层；但是，它同样可以是压电陶瓷，PZT橡胶，机电装置等。此外，主动弹性层还可由完全弯曲的PVDF构成，以便波纹完全环绕并形成支撑质量层的管状结构。主动弹性层包括位于其表面上的电极，因此当在第一和第二电极之间施加电压时，所述的主动弹性层被电激励。这种电激励产生电场。本发明进一步考虑到主动弹性层为压电材料，其在电场的影响下机械地收缩和膨胀。为此，当主动弹性层在电场的影响下机械地收缩和膨胀时，质量层两相对侧的两平面之间的距离发生变化。
优选地，质量层的重量不超过振动结构总重的大约10％，质量层的厚度与振动结构单位面积的重量成比例。然而，质量层的重量可能会超过振动结构总重的10％。本发明还考虑了这样一种质量层，其在振动结构具有较大振幅的模态分布之处比在振动结构具有较小振幅的模态分布之处更大。
根据振动体的模态分布，质量层还可以具有厚度不变的恒定质量或厚度变化的恒定质量。优选的是，所述质量层局部地匹配振动结构的变化响应特性，特别是当质量层的厚度变化时。
质量层还可以沿着装置的轴向离散，以便易于匹配振动结构的变化响应。
在其它实施例中，主动弹性层包括粘结于每侧的塑料片，从而防止主动弹性层的轴向运动。
相应地，DAVA可机械和电调整以降低不想要的振动和/或噪音。第一层由低刚度的主动材料制成并允许致密材料制成的第二层运动。具有多共振频率的多个层的层或多个不连续的层被构造成整体地改变动能的分配。此外，本发明的DAVA控制振动结构的整个区域或大部分区域的多频振动，并可被电激励。
参照附图，根据以下对本发明优选实施例的详细描述，将会更好地理解本发明的上述和其它目的、方面和优点，其中图1为本发明第一实施例的分布式主动吸振器(DAVA)的示意图；图2示出了在电激励下DAVA的主动弹性层的运动；图3示出了在机械激励下DAVA的主动弹性层的运动；图4示出了与DAVA的电极连接的示意图；图5为用于测量与点吸振器相比较的DAVA的性能的试验装置；图6为图5所示的试验装置的结果，该试验装置采用100克重的6英寸分布式吸振器(未被致动)，100克重的点吸振器，和100克重的分布式质量层；图7为曲线图，该曲线图表示图5的模拟装置的结果；图8为采用本发明的DAVA进行的主动控制试验；图9为用于本发明的控制器和试验装置的布局；图10为利用恒定质量分布的DAVA的主动控制试验的结果；
图11为具有最佳的变化质量分布的DAVA；图12为具有质量层的吸振器剖视图，该质量层具有厚度变化的质量体；图13为具有不连续质量体的质量层(不像图12中那样为整体的)的吸振器剖视图，该不连续的质量体在不同位置厚度不同；图14为具有多孔质量层的DAVA，该质量层允许在DAVA的与受到阻尼的结构相对的一侧的振动声音或其它振动输入透入弹性层，并被弹性层和质量层的结合所阻抑，此外，图14的结构可用于降低来自顶部质量层的不想要的声辐射；图15为具有不连续质量体的吸振器剖视图；在不同的质量层中该不连续的质量体具有不同的尺寸和形状；图16为主动或被动弹性层所支撑的质量层，该主动或被动弹性层包括布置成管状的PVDF或弹性材料。
具体实施例方式
本发明的分布式主动吸振器(DAVA)优选地限制为能阻抑结构所受振动的质量体。通常，本发明的DAVA重量不超过所述结构总重的10％；然而，在应用中，DAVA的重量会超过所述结构的总重的10％。对于具有最大运动并因此可能具有潜在较大模态分布的区域，与具有较小运动的区域相比，希望DAVA的质量比较大。而且，如果分布式吸振器在这个区域中的局部共振接近于扰动的激发频率，那么DAVA的效果更大。对于其它区域，共振频率可能会高于或低于该激发频率。局部地，DAVA具有与公知的点吸振器大约相同的共振频率，使得局部分配的质量为总质量的一部分，为此，局部刚度为整体刚度的一部分。本发明的DAVA为分布式系统，它控制振动结构的整个区域或大部分区域中的多频振动，并且优选可被电激励。
图1为本发明第一实施例的分布式主动吸振器(DAVA)的示意图。在该优选实施例中，本发明的设计采用两层结构。第一层14为单位面积刚度较低并且可电激励的主动弹性层，优选厚度为10μm的聚偏二氟乙烯(PVDF)。第一层14也可以是压电陶瓷、PZT橡胶、金属、机电装置等。主动弹性层14也可以是如虚线15所示的具有嵌入的电致动器(例如层14)的弹性材料(例如泡沫)。诸如吸声泡沫、橡胶、尿烷、吸声玻璃纤维之类的几乎所有材料都可以使用，电致动器可以是PVDF、PZT橡胶、金属(具有与弹簧钢同样量的弹力)、聚合物(具有与塑料同样量的弹性或弹力)、压电陶瓷、或其它机电装置。
为了例示，以下的说明书中使用主动弹性层14。然而，应很好地理解的是，任何上述材料和振动控制领域公知的其它材料或多层材料都可同等地与本发明一起使用。而且，为了简洁起见，在以下的说明书中用同样的数字表示同样的元件。
仍参照图1，主动弹性层14优选为弯曲的(例如波面)以增加运动幅度并减少该系统的刚度。在本发明的实施例中，主动弹性层14的重量轻且抗弯曲，优选具有与波纹纸板相同的结构特征。第二层16为分布式质量层(例如，吸振器层)，该层可以具有不变的厚度并可由铅制薄板构成。然而，应理解的是，所述质量层16的质量分布可以包括沿着结构12的整个区域或大部分区域在质量层16中的一般形状的变化的质量体或不连续的质量体，当实施本发明时，可采用其它的适当薄板材料例如钢、铝、铅、复合玻璃纤维材料等。在采用变化的质量分布的实施例中，变化的质量分布将改变DAVA的局部特性从而理想地匹配基础结构的局部变化的响应特性。还应理解的是，DAVA不限于主动弹性层和质量层这样的两层系统，而是可以采用这里所描述的有创造性构思的多层系统，例如，具有至少一个主动弹性层和至少一个质量层的三层系统或多层系统。
质量层16被设计为占结构12重量的10％，质量层16的厚度直接取决于结构12的单位面积重量。例如，对于钢梁或钢板，容易计算均匀铅层的最大厚度，以下忽略主动弹性层14的重量
hm/hp＝(ρb/ρm)*10％＝78000/11300*10％＝7％因此，对于6.35mm的钢梁，本发明DAVA的质量层16的最大厚度为0.44mm。这是假定DAVA覆盖结构12(例如钢梁)表面的整个区域或大部分区域。由于这种重量限制，主动弹性层14，例如弯曲的PVDF层应该具有非常低的刚度。这对于低频的控制特别有用。例如，采用1mm厚的质量层16(由铅制成)，2mm厚的主动弹性层14的刚度为9e+5N/m，以便获得1000Hz的设计共振频率。然而，如前所述，DAVA能够控制振动结构的整个区域或大部分区域的多频振动。
如上文的简要描述，应很好地理解，本发明的其它实施例可包括多层主动弹性层14和质量层16。例如，可将至少两个主动弹性层14与至少两个质量层16交错堆叠。在本发明的其它实施例中，每个主动弹性层14可独立调整，每个质量层16可具有不同的质量以便控制振动结构的不同频率。当然，本发明的实施例不限于上述示范性实例，并且可同等地包括更多或更少的主动弹性层14(被调整为控制不同频率)以及包括更多或更少的质量层16(具有不同质量)。
优选地，在例如主动弹性层14的致动器每侧，具有充当电极17的两层银制薄层。当在这两电极17(该电极可置于主动弹性层的任何地方，优选在其两侧)之间施加电压时，在主动弹性层14内产生电场。主动弹性层14优选为压电材料，在电场的影响下可机械地收缩和膨胀。
图2示出了电激励下的主动弹性层14的运动。图2还可表示两块塑料薄板18上的点，图1所示的主动弹性层14在这些点被环氧树脂胶合，并且这些点接触结构12和质量层16(其可以为铅或其它适当材料)。主动弹性层14两侧的两块塑料薄板18阻止任何轴向移动。线30表示静止的主动弹性层14，线32表示施加负电压时的主动弹性层14。而且，线34表示施加正电压时的主动弹性层14。从图2清楚可见，当将电压施加于主动弹性层14时，主动弹性层14的长度改变，结果，位于质量层16每侧的两平面之间的距离发生改变。DAVA的结构将主动弹性层的平面内运动变换为平面外运动。图2夸大了主动弹性层14在不同应力配置下可能弯曲的样式，实际上，主动弹性层14的运动较小，因此假定为线性运动。
为了简化分析，应该理解，诸如主动弹性层14(见图1)这样的波状元件构成了多个弹簧。这些弹簧在没有质量层16的情况下易被压缩，但是一旦采用质量层16，它们就不易被压缩。而且，一旦采用质量层16，那么质量层16就分布在多个弹簧上。
图3示出了机械激励下的主动弹性层14的运动。具体说，线40表示静止的主动弹性层14，线42表示负载荷施加于其上的主动弹性层14。此外，线44表示正载荷施加于其上的主动弹性层14。当DAVA受到机械力约束时，主动弹性层14的长度不变；但是，主动弹性层14的形状发生改变。注意，由于忽略了质量层16的剪切力，所以在模拟试验中不考虑质量层16的抗弯刚度。
着重注意的是，单位面积的刚度较低；但是，分布在振动结构的扩展区域的整个DAVA的刚度较高。还应重点注意，DAVA的刚度(和质量)以及因此获得的共振频率可根据DAVA的特定应用进行调节；但是，抗弯刚度取决于主动弹性层14的波状部分的空间波长和幅度，这样较大的波长降低了法向的抗弯刚度。还要注意，DAVA在垂直方向的抗弯刚度极高并且优选类似于蜂窝构造。而且，DAVA的横向刚度在局部较小，整体上DAVA的刚度与具有同样质量的点吸振器相同。因此，DAVA在整体上非常耐挤压，虽然主动弹性层14的单块板很柔软。
主动弹性层14的横向刚度和因此得到的共振频率可通过主动弹性层14的高度、波状主动弹性层14的波长、主动弹性层14的厚度、以及主动弹性层14的电极之间的电分流进行调节。具体说，增加主动弹性层14的厚度可降低DAVA的横向刚度。为了具有与振动结构(像在本发明中)的扩展区域共形的(conformal)装置，这种厚度不能增加很多。可改变的第二个参数是主动弹性层14的波长，因为较长的波长降低主动弹性层14的横向刚度。由于所述波长相对于扰动的波长应该保持较小，这种参数变化也受到限制，否则DAVA可能会失去其分布式特性。
主动弹性层14的厚度是另一个参数，该参数可以调节以便影响DAVA的刚度。例如，较薄的主动弹性层14会降低主动弹性层14的刚度。改变主动弹性层14横向刚度的最后的方案就是利用主动弹性层14的压电特性。例如，电分流可轻微改变主动弹性层14的刚度。因此，当将主动输入提供给主动弹性层14时，主动弹性层14受到控制从而表现为好像其机械刚度变小或变大似的。
通过沿着其主方向(PVDF具有一个方向，在主动激励下沿该方向的应变较大，该方向为吸振器以及基础结构的主振动方向)裁切PVDF片材或者上述的其它类似片材能够制造DAVA。然后，优选在PVDF片材的边缘上去除1-2mm的银电极。在优选实施例中，丙酮是去除银电极17的非常好的溶剂。第三步是，安装与每个电极17相连的连接器。图4为连接DAVA的电极的示意图。具体说，在主动弹性层14一端选择两个区域来支承铆钉20。这些区域应只在一侧具有一个电极17。每个区域除去一个电极17，这样铆钉20仅与一个电极17接触。在这些区域切割直径稍小于铆钉20的孔，每个铆钉20的顶部焊至金属线22上以便该铆钉可利用铆钳正确定位。在实施例中，附加的塑料片24可以设置在主动弹性层14的背面，以便提供更坚固的连接。然后利用本领域公知的铆钳将铆钉20置于铆钉孔内。另一金属线(未示出)连至另一电极上，然后这两根金属线焊至电连接器上。建立这种连接的精度很重要，因为非常高的电压可驱动DAVA的PVDF主动部分。本领域技术人员要理解的是，在本发明的实践中可使用许多其它形式的电连接。
然后，假定所述结构的振动要被阻尼，主动弹性层可优选地加工成波纹状至适当规格。这可通过多种方式实现。其中一个优选方法就是考虑在一组校准的钢销之间设置PVDF并使其固定数天的一段时间。塑料片(未示出)可粘至PVDF的任一侧(顶部和底部)以便易于将PVDF粘结至要被阻尼振动的结构中，并易于将质量体粘至PVDF上(例如在塑料片固定至波状结构之后，可将胶水或其它适当接合材料均匀涂布于塑料片上)。此外，塑料片可用于将PVDF与振动结构和/或所应用的质量体电隔离。而且，波状PVDF可定位于泡沫或其它弹性材料中。这可以通过将弹性材料沉积于PVDF的表面上，或将PVDF插入弹性材料中而获得。如上所述，也可用其它的致动器材料来代替PVDF(例如金属、压电陶瓷等)。PVDF也可完全弯曲以便使波纹围绕其自身以形成支承所述质量体的管状结构。在一些被动应用中，诸如塑料或弹簧钢之类的其它材料可用来构造像波状弹性层那样的管。
图5示出了用来测量与点吸振器相比较的DAVA的性能的试验装置。这种相同试验的目的还在于调节并验证这种模拟过程。噪音发生器40提供0-1600Hz频带的白噪声信号。然后该信号在放大器42处被放大并通过升压变压器44。变压器44的输出用来驱动PZT，该PZT然后激励一支撑梁。激光速度计46测量沿着该梁的法向速度，其输出由数据采集系统48(例如个人电脑、采集卡和相关软件)获得。然后用个人电脑50后处理这些数据。
图6表示梁(beam)的均方速度。该数据可与梁的平均动能相关，并通过将每点的均方速度相加并除点的数目(例如23)进行计算。均方速度是按励磁的电压来标准化的，并表示100Hz至1600Hz。这种频带不包括梁在40Hz时的第一模式。图6中的所有线除了50都表示具有相同质量(例如，局部和分布式吸振器为100g)的振动控制系统。线50表示只有梁的测量结果，这样可按顺序观察梁的第二至第六模式。线52表示具有100g的点吸振器的梁的状态。该吸振器的共振频率为850Hz，并影响第五模式。该模式被分成具有较小峰值的两个共振。注意，虽然点吸振器在其连接点处的振动降低了，但它实际上增加了梁的均方速度。随着更佳的调整(吸振器的共振频率为1000Hz时)，这些峰值会稍微移向轴右侧并集中于1000Hz。线54表示具有DAVA的梁的状态。在这个试验中，DAVA用作被动装置。可以看出，DAVA带来的衰减与点吸振器不同。几乎在所有的频率，DAVA为梁提供比点吸振器更佳的整体衰减，特别是在模态的共振峰值处。类似的结果在图7的模拟装置中示出。图6的线50，52，54与图7的线50，52，54相同。第三、第四和第六模式也可获得显著的降低。注意，点吸振器可获得相对较小的降低。图6中的线55和图7中的线55表示的附加质量仅表明共振频率轻微变化并仅增加一点阻尼。相同重量的分布式质量几乎不会提供和DAVA一样多的振动衰减。于是可以看出，利用动态效应(反作用力)来控制在概念上与点吸振器类似的梁振动，DAVA在整个分布区域发生作用，因此改善了其性能。
图6和7的模拟清楚地示出了两种类型的吸振器，例如点吸振器和本发明的DAVA之间的区别。例如，点吸振器在振动结构的单一频率和单个点处减少响应方面非常有效。能量正好被转移至不同频带并且产生两个新的共振。然而，DAVA没有这种缺陷，对于梁的所有共振频率梁的均方振动能量被减小，而且不出现新的共振。因此DAVA每次潜在地能够控制不同频率的多种模式。这种特性用于阻尼诸如板这样的常见致密结构非常有用。
图8示出了利用本发明DAVA进行的主动控制试验。该控制系统采用三个用作误差传感器的加速计60，通带过滤器64，和前馈LMS控制器62(在C40DSP板上实施)。振动测量再次利用激光速度计46来进行。扰动还是用于实现控制器62的相同DSP产生的白噪音。通过控制具有DAVA主动部分的梁，控制器62试图使误差传感器信号最小。控制器的所有输入和输出用通带过滤器64过滤。控制算法为振动控制领域公知的LMS算法，为了在已知一组输入的情况下使误差信号最小，该算法优化一组N个自适应滤波器。所述算法可用来模拟线性系统。可采用梯度法来获得与系统输入的N个过去值相关的最佳重量。用于梯度搜索的误差信号是系统的真实输出与自适应滤波器输出之间的差别。
图9示出了控制器与测试DAVA性能的试验装置的布局。在该试验中，干扰信号也可用作基准信号并且通过估算DAVA与图8的每个误差传感器(加速计)60之间的传递函数而不得不被过滤。这些传递函数是系统利用LMS算法进行识别获得，控制器软件利用DAVA上的主动输入使误差传感器位置处的振动最小。这种主动控制试验用的不同参数在表1中表示。
表1
表1主动控制用的参数误差传感器60分别定位在距梁中心-7.5″，-1.5″，5.5″处。利用激光速度计对每英寸梁进行振动测量(例如总共23点)。
均方速度可以将每点处响应的速度幅值的平方相加并取平均值来进行计算。因此在所述梁中均方速度与总振动能量成比例并表示在图10中。具体说，图10示出了具有本发明DAVA的主动控制试验(恒定质量体分布)。线70表示没有任何装置与其连接的梁的状态，因此代表用于比较的基线。线72表示连接有用作被动装置(也即没有施加控制信号)的DAVA的梁的状态。被动DAVA的结果表明梁的总能量在所有共振频率下都衰减良好。对于100-1600Hz的频带，在这种被动构造中均方速度可降低10dB。因此该结果说明了DAVA的两个主要被动方面即，同时控制整个梁范围内的振动控制和多频控制。这应该与传统的点吸振器形成对比，点吸振器一般仅控制单一频率的单点处的振动。采用主动控制，均方速度可额外衰减3dB。由DAVA进行主动控制的梁的状态由线74表示。主动系统的性能是很善于降低共振峰值，例如在600Hz时实现20dB的降低，600Hz处的峰值是控制之前的最显要峰值。在共振之间，主动控制增加了振动(术语称为控制溢出)，这可利用更好的控制器和更多的误差传感器容易地进行校正。采用主动控制，所述结构具有非共振状态，DAVA显著增加了系统的阻尼。由于PVDF以及吸振器本身的响应，在400Hz以下不会获得主动控制。其它主动元件例如电磁致动器将降低这种操作的主动频率。
为了增加DAVA的效率，优化质量分布。也即，为了增加衰减，质量层16优选沿着梁的整个区域或大部分区域的长度改变。变化的质量分布将改变DAVA的局部特性从而理想地匹配基础结构的局部变化的响应特性。然而，因为梁/DAVA沿着该梁的响应很复杂，所以有时必须获得最佳方法来选择质量分布。
图11示出具有最佳的变化质量分布的DAVA。每部分DAVA的顶部的标记指的是弹性PVDF片14相对于压电驱动补片(扰动)的极性。注意，优化过程中使用的梁响应非常依赖扰动位置，DAVA的最大反作用性动态效应发生在与扰动相对的方向上。质量层16的厚度可改变，同时质量保持恒定。质量的改变可以是连续元件或图11所示的不连续的部分。
在另一种构造中，可使用具有变化质量层特性的多共振质量层。图12示出了这种系统的一种布置，该系统具有两个共振质量层150和152，这两层被嵌入作为弹性材料154的泡沫中。应当理解，质量层可以为连续的或不连续的部分。这种装置的优点是，具有两种共振并因此具有更宽频率范围的振动控制。图12示出了在质量层152较薄的位置质量层150具有较大厚度。改变质量层150或152的厚度将提供具有不同共振特征的吸振器，沿着Z轴在相同的相对位置相对彼此改变质量层150和152的厚度可允许两种不同共振同时进行。
在图13所示的另一构造中，质量层160，162和164是分段的并位于诸如泡沫的弹性材料166中的不同深度。深度的不同改变了支承每个质量体的弹性材料的刚度。由于嵌入质量体的多种深度以及由此得到的弹簧刚度，这种布置使所述装置产生多个共振频率。多个共振频率在所述装置有效的范围内产生频带非常宽的频率。注意，所嵌入的不连续的质量体可以为一般形状。此外，上述的不同材料可用于弹性系统(例如，橡胶、玻璃纤维絮、弹性金属、尿烷等)。图13示出了可使用的许多不同质量层，该质量层可以是不连续的(也即，分段的)，该质量层可具有不同厚度的部分。这些层160，162，164可以按受控方式制成以便在特定位置调整在特定频率，但更优选的是，可以按随机方式施加从而获得适于多个共振频率的减震装置。此外，图13所示的装置可如下文所述的既可用于主动振动控制又可用于被动控制。
在图12和13所示的实施例的变型中，不仅电磁致动器，而且诸如弯曲的压电聚合物和陶瓷之类的主动元件都可嵌入弹性材料中从而施加作用力来改变质量体元件的运动。当这种装置与前面所述的电控方法结合使用时，其性能提高。尤其，主动控制，与弹性层内以一种或多种水平变化的质量体相结合，会使得振动阻尼在许多应用中显著提高。
图14示出了所述装置的另一实施例，其中质量层170由多孔材料(例如带孔的铅或钢等)构成。采用这种布置，吸振器不仅控制在弹性材料174下的基础结构的振动，还能够吸收易在其表面发生的声波，所述声波经由孔172传导。这个实施例防止质量层170像声源那样作用(也即，在某些应用中，所述质量体用的整体“层”从阻尼结构传递声信号，该声信号经弹性材料发射至周围环境)。此外，除了来自所述结构(位于弹性层174下面)的振动由吸振器阻尼之外，来自周围环境的振动或声信号也可能通过所述的孔并被吸振器阻尼。如上文结合附图12和13所描述的，图14的构造可用于主动和被动装置(主动装置为那些包括嵌入的PVDF或压电陶瓷或在所施加的电压作用下可膨胀或收缩的其它材料；被动装置仅包括质量层174和弹性材料174(但该弹性材料也已被嵌入弹簧材料(例如金属等)))。此外，图14的构造还可与图13和15所示的被嵌入弹性材料的一个或多个平面内的不连续的质量体结合使用，该不连续质量体的尺寸、形状和重量可以变化。
图15示出了一种吸振器，其具有嵌入弹性材料184中的不连续的质量层180和182。图15示出采用不同尺寸和形状的质量体。这些质量体可随机分布以便实现广泛范围的共振频率的阻尼，或者它们可按规定的图案施加从而将吸振器的特定位置处的频率响应调整至特定频率。一些质量体可以是滚珠轴承类型的球体，同时其它的可以是扁平的薄矩形。质量体的形状将以不同方式影响不同共振频率的响应度，制造者可以根据需要对其进行控制。
图12-15所示的吸振器可通过多种技术制成，最简单的是施加一层泡沫，沉积一层整体的或不连续的质量体，之后重复进行多次所述的泡沫和质量层工艺。可选择地，质量层可在弹性材料的制造过程中嵌入该弹性材料中。另一方案是，可在选定的位置处裁切弹性材料，将质量体部分由切口插入弹性材料中。一旦插入，所述材料的弹性会将所述质量体固定在位并封闭切口。
图16所示了DAVA或吸振器，其中主动弹性层由PVDF或类似塑料等制成的管190构成，分别用于主动或被动应用。由于管状形状为弯曲波状形的完全扩展，并沿着吸振器的平面保持曲率，电激励仍给所述质量体提供正常的主动输入。然而，采用管状构造，管的直径可更容易地调节并且由于被泵送至管内和管外的液体粘滞损失，管尺寸做成为DAVA或吸振器提供阻尼。
虽然根据一个单一的优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员应认识到，在附随的权利要求的宗旨和范围内，本发明可以借助于其变型来实施。
权利要求
1.一种用于在振动结构的扩展区上控制振动和声辐射的吸振器，包括沿着振动结构的区域分布的分布式弹性元件；以及与该分布式弹性元件相关的质量体，该质量体与所述振动结构间隔开。
2.根据权利要求1所述的吸振器还包括弹性材料，所述分布式弹性元件被嵌入所述弹性材料内。
3.根据权利要求2所述的吸振器，其中，所述弹性材料选自吸声泡沫、吸声玻璃纤维、玻璃纤维絮、分布式弹簧材料、尿烷及橡胶构成的组。
4.根据权利要求1所述的吸振器，其中，所述分布式弹性元件选自聚偏二氟乙烯、压电陶瓷、金属、聚合物及机电装置构成的组。
5.根据权利要求2所述的吸振器，其中，所述弹性材料为橡胶，所述分布式弹性元件为聚偏二氟乙烯。
6.根据权利要求2所述的吸振器，其中，所述弹性材料为固体尿烷，所述分布式弹性元件为聚偏二氟乙烯。
7.根据权利要求2所述的吸振器，其中，所述弹性材料为泡沫或分布式弹簧材料，所述分布式弹性元件为聚偏二氟乙烯。
8.根据权利要求1所述的吸振器，其中，所述分布式弹性元件沿着至少一维具有波形。
9.根据权利要求1所述的吸振器，其中，所述的质量体被粘结至所述分布式弹性元件的表面。
10.根据权利要求1所述的吸振器，其中，所述质量体由分布式不连续的质量体部分构成。
11.根据权利要求10所述的吸振器，其中，至少两个所述不连续的质量体部分，相对于彼此是，尺寸、形状和厚度这三方面中的至少一方面不同。
12.根据权利要求10所述的吸振器，其中，所述的不连续的质量体部分被嵌入所述弹性材料内。
13.根据权利要求10所述的吸振器，其中，所述的不连续的质量体部分在至少两个不同平面中被嵌入所述弹性材料内。
14.根据权利要求10所述的吸振器，其中，所述的不连续的质量体部分包括在所述弹性材料的表面上的至少一个质量体部分，和被嵌入所述弹性材料内的另一个质量体部分。
15.根据权利要求11所述的吸振器，其中，所述的两个不连续的质量体部分在不同的平面被嵌入所述弹性材料内。
16.根据权利要求11所述的吸振器，其中，所述的两个不连续的质量体部分中的第一个位于所述弹性材料的表面上，所述的两个不连续的质量体部分中的第二个被嵌入所述弹性材料内。
17.根据权利要求1所述的吸振器，其中，所述的分布式弹性元件包括一个或多个管状元件。
18.根据权利要求17所述的吸振器，其中，所述的一个或多个管状元件由聚偏二氟乙烯(PVDF)构成。
19.根据权利要求17所述的吸振器，其中，所述的一个或多个管状元件由一种材料组成，该材料选自金属和塑料构成的组。
20.根据权利要求1所述的吸振器，其中，所述的质量体是带孔的。
21.根据权利要求20所述的吸振器，其中，所述的质量体由金属构成。
22.根据权利要求21所述的吸振器，其中，所述的金属选自铅和钢构成的组。
23.根据权利要求20所述的吸振器，其中，所述质量体中的孔的量足以降低或消除从所述质量层的顶部发出的声振动。
24.根据权利要求20所述的吸振器，其中，所述质量体中的孔的量足以容许来自周围环境的噪音经由所述质量层透入所述分布式弹性元件。
25.一种用于在振动结构的扩展区控制振动和声辐射的分布式主动吸振器(DAVA)，包括主动弹性层，其包括被嵌入弹性材料内的分布式致动器，所述主动弹性层沿着振动结构的区域分布；与该主动弹性层的弹性材料相关的多个不连续的质量体部分。
26.根据权利要求25所述的DAVA，其中，所述的不连续质量体部分在所述弹性材料的区域均匀分布。
27.根据权利要求25所述的DAVA，其中，所述的不连续的质量体部分在所述弹性材料的区域非均匀分布。
28.根据权利要求25所述的DAVA，其中，至少两个所述不连续的质量体部分，相对于彼此是，尺寸、形状和厚度这三方面中的至少一方面不同。
29.根据权利要求25所述的DAVA，其中，所述的弹性材料包括至少一种材料，该材料选自吸声泡沫、吸声玻璃纤维、玻璃纤维絮、分布式弹簧材料、尿烷和橡胶构成的组。
30.根据权利要求25所述的DAVA，其中，所述的被嵌入的分布式致动器选自聚偏二氟乙烯、压电陶瓷、金属和机电装置构成的组。
31.根据权利要求25所述的DAVA，其中，所述的弹性材料为橡胶，所述的分布式致动器为聚偏二氟乙烯。
32.根据权利要求25所述的DAVA，其中，所述的弹性材料为固体尿烷，所述的分布式致动器为聚偏二氟乙烯。
33.根据权利要求25所述的DAVA，其中，所述的弹性材料为泡沫或分布式弹簧材料，所述的分布式致动器为聚偏二氟乙烯。
34.根据权利要求25所述的DAVA，其中，所述的分布式致动器沿着至少一维具有波形。
35.根据权利要求25所述的DAVA，还包括设置在所述分布式致动器上的电极。
36.根据权利要求25所述的DAVA，其中，所述多个不连续的质量体部分被嵌入该弹性材料内。
37.根据权利要求36所述的DAVA，其中，所述的不连续的质量体部分在至少两个不同平面被嵌入所述弹性材料内。
38.根据权利要求25所述的DAVA，其中，所述的不连续的质量体部分包括在所述弹性材料的表面上的至少一个质量体部分，和被嵌入所述弹性材料内的另一质量体部分。
39.根据权利要求28所述的DAVA，其中，所述的两个不连续的质量体部分在不同平面被嵌入所述弹性材料内。
40.根据权利要求28所述的DAVA，其中，所述两个不连续的质量体部分中的第一个位于所述弹性材料的表面上，而所述两个不连续的质量体部分中的第二个被嵌入所述弹性材料内。
41.根据权利要求25所述的DAVA，其中，所述的分布式弹性元件包括一个或多个管状元件。
42.根据权利要求25所述的DAVA，其中，所述的一个或多个管状元件由聚偏二氟乙烯(PVDF)构成。
43.根据权利要求25所述的DAVA，其中，所述的一个或多个管状元件由一种材料构成，该材料选自金属和塑料组成的组。
44.根据权利要求25所述的DAVA，还包括设置在所述弹性材料的表面上的质量层。
45.根据权利要求44所述的DAVA，其中，所述的质量层包括多个穿过该质量层的孔。
46.根据权利要求45所述的DAVA，其中，所述质量体中的孔的量足以降低或消除从所述质量层的顶部发出的声振动。
47.根据权利要求45所述的DAVA，其中，所述质量体中的孔的量足以容许来自周围环境的噪音经由所述质量层透入所述分布式弹性元件。
48.根据权利要求44所述的DAVA，其中，所述的质量层选自铅和钢构成的组。
49.一种用于在振动结构的扩展区控制振动和声辐射的吸振器，包括由于弹性材料形成的弹性层，所述主动弹性层沿着振动结构的区域分布；与所述主动弹性层的弹性材料相关的多个不连续的质量体部分。
50.根据权利要求49所述的吸振器，其中，至少两个所述不连续的质量体部分，相对于彼此是，尺寸、形状和厚度这三方面中的至少一方面不同。
51.根据权利要求49所述的吸振器，其中，所述的弹性材料包括至少一种材料，该材料选自吸声泡沫、吸声玻璃纤维、玻璃纤维絮、分布式弹簧材料、尿烷、和橡胶组成的组。
52.根据权利要求所述的吸振器，其中，所述的多个不连续的质量体部分被嵌入所述弹性材料内。
53.根据权利要求52所述的吸振器，所述的不连续的质量体部分在至少两个不同的平面被嵌入所述弹性材料内。
54.根据权利要求52所述的吸振器，其中，所述的不连续的质量体部分包括在所述弹性材料的表面上的至少一个质量体部分，和被嵌入所述弹性材料内的另一质量体部分。
55.根据权利要求50所述的吸振器，其中，所述的两个不连续的质量体部分在不同的平面被嵌入所述弹性材料内。
56.根据权利要求50所述的吸振器，其中，所述的两个不连续的质量体部分中的第一个位于所述弹性材料的表面上，所述的两个不连续的质量体部分中的第二个被嵌入所述弹性材料内。
57.根据权利要求49所述的吸振器，其中，所述的分布式弹性元件包括一个或多个管状元件。
58.根据权利要求57所述的吸振器，其中，所述的一个或多个管状元件由聚偏二氟乙烯(PVDF)构成。
59.根据权利要求57所述的吸振器，其中，所述的一个或多个管状元件由一种材料构成，该材料选自金属和塑料组成的组。
60.根据权利要求49所述的吸振器，还包括设置在所述弹性材料的表面上的质量层。
61.根据权利要求60所述的吸振器，其中，所述的质量层包括多个穿过该质量层的孔。
62.根据权利要求61所述的吸振器，其中，所述质量体中的孔的量足以降低或消除从所述质量层的顶部发出的声振动。
63.根据权利要求61所述的吸振器，其中，所述质量体中的孔的量足以允许来自周围环境的噪音经由所述质量层透入所述分布式弹性元件。
64.根据权利要求60所述的吸振器，其中，所述质量层选自铅和钢构成的组。
65.一种用于在振动结构的扩展区控制振动和声辐射的吸振器，包括分布在所述振动结构的整个所述扩展区的弹性层；设置在所述弹性层上的质量体，所述质量体与所述振动结构相隔的距离为所述弹性层的厚度，所述质量体具有多个穿过所述质量体的孔。
66.根据权利要求65所述的吸振器，其中，所述质量体中的孔的量足以降低或消除从所述质量层的顶部发出的声振动。
67.根据权利要求65所述的吸振器，其中，所述质量体中的孔的量足以允许来自周围环境的噪音经由所述质量层透入所述分布式弹性元件。
68.根据权利要求65所述的吸振器，其中，所述质量层选自铅和钢构成的组。
69.根据权利要求65所述的吸振器，其中，所述弹性层包括分布式主动元件。
70.根据权利要求69所述的吸振器，其中，所述分布式主动元件为聚偏二氟乙烯(PVDF)。
71.根据权利要求65所述的吸振器，还包括分布在所述弹性层中的多个质量体部分。
72.根据权利要求71所述的吸振器，其中，所述多个质量体部分在多个不同平面分布在所述弹性层中。
73.一种用于在振动结构的扩展区控制振动和声辐射的吸振器，包括位于整个所述振动结构的所述扩展区的分布式弹性元件，所述分布式弹性元件包括多个管状部件；设置在所述分布式弹性元件上的质量体，所述质量体与所述振动结构相隔的距离为所述分布式弹性元件的厚度。
74.根据权利要求73所述的吸振器，其中，所述的质量体具有多个穿过该质量体的孔。
75.根据权利要求73所述的吸振器，其中，所述的分布式弹性元件为聚偏二氟乙烯(PVDF)。
76.根据权利要求73所述的吸振器，其中，所述的分布式弹性元件选自塑料和金属构成的组。
全文摘要
一种用于控制扩展的振动和声辐射的主动/被动吸收器，主要包括两层。第一层具有较低的单位面积刚度，这种低刚度允许该层沿着与其主平面垂直的方向运动。第二层主要为质量层。这两层的结合具有与其中一个主结构接近的共振频率，所组合系统的动态特性形成主动/被动吸振器；但是，第一层可被电致动以在与其主平面垂直的方向引起运动。这种附加特性引起和/或改变了质量层的运动并因此提高了该主动/被动吸振器系统的动态特性。该主动/被动吸振器可具有多个质量层和多个弹性层，它们交替堆叠。此外，质量层可以是连续的或不连续的，并且质量层中具有厚度和形状不同的部分和/或片段。
文档编号H01L41/08GK1799151SQ200480015335
公开日2006年7月5日 申请日期2004年5月5日 优先权日2003年5月5日
发明者克里斯托弗·R·福勒, 皮埃尔·E·康布 申请人:弗吉尼亚科技知识产权公司