一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法
【专利摘要】本发明公开一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法，第一步：在板结构上均匀分布压电作动器；第二步：设计电路网络，构成压电网络板；第三步：计算最优电感值L，压电网络板隔声低谷不会出现，压电网络板的隔声性能得到改善。第四步：检验压电网络板的隔声性能；本发明的优点为：压电网络中压电作动器的位置无需优化，各压电作动器通过电路连接，协同工作，降低了对单个作动器性能的要求更低，具有更高的能量转换效率。通过压电作动器之间的电路实现电能在各压电作动器之间流动，提供了一条新的电路通道，能够整体上改变结构的能量分布，从而整体上改变板壳结构的隔声性能。
【专利说明】一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于噪声控制领域，具体涉及一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方 法。
【背景技术】
[0002] 板壳结构在航空航天、汽车和船舶等领域得到广泛应用。板壳结构属于轻质结构， 能够显著降低系统的总质量，但是轻质结构如果对振动敏感，会增加系统的辐射噪声，降低 系统的隔声性能，而辐射噪声的增加会降低舰船、潜艇等的隐身性能，减小其战场生存能 力，增加汽车、飞机等对周围环境的噪声污染；隔声性能的降低将减弱汽车、飞机等的舒适 性，因而板壳结构的声福射和隔声问题一直备受关注。
[0003] 板壳结构的声辐射和隔声问题与结构的振动以及声学特性密切相关，因此，板壳 结构的噪声抑制可以通过抑制结构振动或改善结构声学特性实现，目前采用的技术有"敷 设粘弹性阻尼的板和加筋板的振动机理研究[D].大连：大连理工大学，2001"，提出了在 结构表面铺设粘弹阻尼层，以及"阻振质量块对板结构振动与声辐射的影响[J].振动与冲 击，2004, 22 (4) : 76-79"所述的添加阻振质量，还有"多层板的隔声特性研究[J].南京大学 学报：自然科学版，2005, 41 (1):91-97"所述的多层板或夹芯板设计等，这些方法的共同缺 点是会显著增加结构的重量，控制效果有限。
[0004] 随着智能材料的备受关注，基于智能材料的新兴振动噪声控制技术迅速发展。
[0005] 压电材料是一种智能材料，其特殊功能称为压电效应，能够实现机械能与电能之 间的相互转换。压电材料具有体积小、质量轻、适用频带宽以及机电转换效率高等优点，因 而在振动、噪声控制领域得到广泛应用，形成了压电主动控制技术、压电分支阻尼振动控制 技术等压电控制技术。
[0006] 压电主动控制具有效果好、精度高、适用能力强等优点。但是，主动控制需要设计 复杂的控制系统，不仅增加系统重量而且会消耗大量电能；外部能量的引入将降低原闭环 系统的稳定性；在高频时易出现控制溢出现象，致使被控结构大幅振动。另外，压电主动控 制技术的控制效果与压电片在结构表面的黏贴位置直接相关，因而针对不同的结构，或同 一结构的不同振动模态需要分别分析最优的压电片粘贴位置，现有技术见"智能结构的压 电片位置优化及主动控制研究[J].控制工程，2013, 03:529-532"。上述因素给压电主动控 制的推广对来了很多不便，严重制约了其在航空航天等领域的应用。
[0007] 压电分支阻尼技术以被动控制为主，其优点是控制系统简单，具有可控线性阻尼 等。压电分支阻尼技术的不足之处是对压电材料和电学元件要求过高，如在低频振动控制 时要求很大的电感值，压电作动器承受较大载荷等；控制效果明显依赖于压电材料的粘贴 位置，为了达到最好的控制效果需要对压电片的黏贴位置进行优化；多模态控制效果不易 实现等。
【发明内容】
[0008] 本发明针对铺设粘弹阻尼层、添加阻振质量或多层板设计来提高隔声性能等方法 会显著增加结构质量，控制效果有限，以及压电分支阻尼技术对单个压电作动器要求高，控 制效果严重依赖压电作动器的位置等问题，提供了一种改善板壳结构隔声性能的压电网络 方法。
[0009] 具体实施步骤如下：
[0010] 第一步：在板结构上均匀分布压电作动器；
[0011] 所述压电网络包含至少两个压电作动器，压电作动器均匀固定在基体板表面或镶 嵌于基体板内。
[0012] 第二步：设计电路网络，构成压电网络板；
[0013] 各压电作动器之间通过电路连接成一个整体，具体为：每一个压电作动器上方均 通过两条相交的导线相连，将导线交点固连压电作动器上极，同时压电作动器下极接地；任 意2个相邻的压电作动器之间连接特定的电路单元，特定的电路单元中必须包含电感，同 时也可包含电阻，电感与电阻采用串联或者并联的方式连接。在基体板上构建压电网络后 获得的机电耦合系统称为压电网络板。压电网络为板结构中的能量流通提供了一条额外的 通道。
[0014] 第三步：计算最优电感值；
[0015] 电感的最佳取值范围U由下式确定：
【权利要求】
1. 一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法，其特征在于：通过下述步骤实现： 第一步：在板结构上均匀分布压电作动器； 第二步：设计电路网络，构成压电网络板； 各压电作动器之间通过电路连接成一个整体，具体为：每一个压电作动器上方均通过 两条相交的导线相连，将导线交点固连压电作动器上极，同时压电作动器下极接地；任意2 个相邻的压电作动器之间连接电路单元，电路单元包含电感；构成压电网络板，压电网络为 板结构中的能量流通提供了一条额外的通道； 第三步：计算最优电感值； 平面声波以入射角e斜入射压电网络板时，电感的最佳取值范围Ln由下式确定：
其中：Dt为压电网络板均匀化处理后的等效机械抗弯刚度；gt为压电网络板均匀化处 理后的等效机电耦合系数；Ct为均匀化处理后压电网络板上、下表面单位面积的电容；Ctl为 声波速度； 当电感值取集合Ln中任一值时，压电网络板不会出现隔声低谷，与普通板相比隔声性 能得到改善； 确定最优电感值后，按照第二步设计的电路网络连接，压电网络板设计完成； 第四步：检验压电网络板的隔声性能； 隔声性能用传声损失评价，传声损失越大表不隔声性能越好；压电网络板的传声损失 由下式计算：
其中：P0为空气密度，Pt为压电网络板均匀化处理后的等效密度，j为虚数单位，《 为圆频率。
2. 如权利要求1所述一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法，其特征在于：所述 第一步中压电网络包含至少两个压电作动器，压电作动器固定在基体板表面或镶嵌于基体 板内。
3. 如权利要求1所述一种改善板壳结构隔声性能的压电网络方法，其特征在于：所述 的电路单元还包括电阻，电阻与电感采取串联或者并联的方式。
【文档编号】H04R3/02GK104363548SQ201410457979
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】易凯军, 李琳, 李超 申请人:北京航空航天大学