通過抵消體積速度實現(xiàn)結(jié)構(gòu)聲有源控制

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1、通過抵消體積速度實現(xiàn)結(jié)構(gòu)聲有源控制*南昌航空大學(xué)啟動基金（No.EA20106211）摘要以簡支梁為例，本文提出一種新的壓電式傳感器和作動器的設(shè)計方法研究結(jié)構(gòu)聲有源控制。通過在梁正反面分別布置一組相同形狀的矩形PVDF和PZT作為傳感器和作動器，然后通過對PVDF傳感器的輸出信號設(shè)計相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)，使加權(quán)后輸出信號之和等于體積速度。并對這組PZT作動器的控制輸入電壓也進行相應(yīng)的加權(quán)，使其既能抵消簡支梁的體積速度而又不增加結(jié)構(gòu)的振動水平。最后通過數(shù)值計算分析了這種傳感器和作動器的控制效果。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)聲有源控制體積速度壓電式傳感器/作動

2、器中圖分類號:TB535.1文獻標(biāo)識碼:A文章編號：VolumeVelocityCancellationforActiveStructuralAcousticControlAbstractWithanexampleofsimplysupportedbeam,itispresentedanewpiezoelectricsensor/actuatorstrategyforactivestructuralacousticcontrolsystem.AnarrayofrectangularsegmentsofPVDFfilmandPZTatt

3、achedonthefrontandbacksurfaceofthebeamaretakenassensorandactuatorrespectively.TheoutputsignalsofthePVDFfilmsaremultipliedbyappropriateweightssothattheweightedcombinationsoftheoutputsdirectlyleadtothevolumevelocityofthebeam.TheinputcontrolofeachPZTactuatorisdrivenbythesa

4、mecontrolinputvoltagebutwithdifferentappropriateweights,sothatthecancellationofthevolumevelocitycanbeachievedwithoutcausingincreasesinthevibration.Finally,optimalcontrolsimulationsareperformedtovalidatetheproposedpiezoelectricsensor/actuator10strategy.Keywords：activestr

5、ucturalacousticcontrol;volumedisplacement;piezoelectricsensors/actuator前言近年來，通過設(shè)計壓電式模態(tài)傳感器實現(xiàn)結(jié)構(gòu)聲有源控制（ActiveStructuralAcousticControl，ASAC）的研究越來越引起關(guān)注[1~3]。由于聲功率為振動結(jié)構(gòu)表面法向速度的函數(shù)，表面法向速度的分布不同對聲功率的貢獻不同。所以在ASAC系統(tǒng)中，合理的壓電式傳感器應(yīng)該只測量對結(jié)構(gòu)聲輻射起主要貢獻的結(jié)構(gòu)振動。Johnson等[4]提出通過抵消體積速度（VolumeVelocit

6、y）來控制結(jié)構(gòu)的聲輻射，并取得了良好的控制效果。在此前發(fā)表的論文中，作者對此進行了大量的理論和實驗研究[5~10]。ASAC中另一個重要問題就是次級力源的數(shù)目和位置的選擇。由于對振動結(jié)構(gòu)施加了次級力源，因此在控制過程中有可能會激發(fā)出一些新的振動模態(tài)，在降低噪聲的同時有可能使結(jié)構(gòu)的振動能量增加，這一直困擾著ASAC研究的進展。為了克服這一問題，本文提出來一種新的傳感器和作動器設(shè)計方法，使其既能降低振動體的聲輻射又不增加結(jié)構(gòu)的振動水平。其基本思路為：通過在振動梁正反面上布置分別一組相同形狀的矩形PVDF薄膜和壓電陶瓷（PZT）作為傳感器和

7、作動器。首先通過對各個PVDF薄膜的輸出設(shè)計加權(quán)系數(shù)，測量其體積速度。然后對各個PZT作動器的控制電壓也進行加權(quán)，使這組PZT作動器僅控制傳感器觀測到的振速分布，而不影響其它未控制的振動分布。最后本文對這種傳感器和作動器策略的控制效果進行數(shù)值計算和分析。1．基本理論假設(shè)有一鑲嵌在無限障板中的簡支梁，長度為Lx，寬度為Ly，厚度為h，，忽略其在寬度方向上響應(yīng)的變化，根據(jù)振動分析理論，其振動的法向速度v(x)可以通過結(jié)構(gòu)模態(tài)（振型函數(shù)）進行展開，10（1）式中：Am為結(jié)構(gòu)模態(tài)的第m階模態(tài)速度。M表示所取最大模態(tài)序數(shù)。根據(jù)參考文獻[4,7]

8、可知，體積速度H為振動結(jié)構(gòu)法向速度在整個梁表面上的積分，即（2）把式（1）代入式（2）得（3）從式（2）和（3）可以發(fā)現(xiàn)，體積速度H也可以認(rèn)為是振動結(jié)構(gòu)的表面速度分布在活塞形（piston-type）速度分布上的投影。從