压电振动与噪声抑制智能结构在航空航天中的应用

赵晓梅，应用化学 2011000217

摘要：具有减振降噪功能的压电智能结构是智能材料与结构的一个重要分支。在航空航天领域存在一些典型结构，如飞机机舱、空间站、卫星太阳能帆板和通讯天线以及直升机旋翼等，其振动与辐射噪声造成很多不利影响。为了研究这些结构的振动与噪声控制方法，制作了几个实验模型如大型薄壁复合材料圆桶、柔性梁、钢架及旋翼系统模型，通过压电传感器、驱动器布置数量和位置的优化，采用不同的控制算法，在基于个人计算机的测控平台上进行了振动控制实验，取得了明显的减振降噪效果。

关键词：振动；主动控制；智能结构；压电材料；噪声抑制；测控系统。

介绍

在未来的飞机上，智能材料结构是一项关键技术。智能材料的应用极大地改变了飞机的制造方法、维护，以及飞机舱的保护，并在减少飞机舱的重量起着重要的作用。还可以改进飞机性能、降低成本和保证飞行安全。SMS的广泛应用是下一代飞机制造的显著地特征，对于SMS的减震是一个重要的分支。正如我们所知，在机舱内存在许多震动和噪音，被动的用经典的古典音乐对震动和噪音的抑制，并没有起到很大的抑制效果。所以采用主动控制，具有很多优点，是现在日益强调的重点。

在飞机里有一些典型的结构，像飞机客舱、空间站、卫星太阳能帆板和通讯天线以及直升机旋翼。这些结构都会产生震动，而且振动会危害一些精密的仪器设备，船上一些结构工作疲劳也会导致的器件损坏。因此，控制噪音和振动已经成为一个有挑战性的研究领域。

压电陶瓷器件，具有重量轻、低耗能、易实实和高响应频率的特性被普遍应用在SMS[1]上，特别是在振动震动控制领域上的应用。在研究抑制震动的方法和原理上，建立了4个实验测试系统。测量系统和相关电路，振动目标由一个很薄的壁贝壳、桁架、柔性梁导风叶片和转子风叶组成的。 主动控制的算法实现了C++语言。本文讲述了的4个典型振动、噪声抑制智能结构的实验方法及生产试验。

1、 振动和噪声抑制的薄壁壳

振动和噪声会使飞机上的乘客感到不舒服,同时还会危害精密仪器。 产生噪音的原因有两个：发动机和气动载荷 。为了研究和控制噪音震动的方法，建立了一个很薄的壁壳实验系统，如图1所示。压电陶瓷驱动器作为高电压放大振动的外壳，产生辐射噪声，压电传感器用于测量振动信号、声控液位计用来检测这些噪音。通过电荷放大器，滤波器和A/D转换器，模拟信号转换器被转移到发送控制器。适应控制算法已经完成，控制输出信号送到D / A转换器，然后在转移到功率放大器，去激励压电致动器的模态，使阻力增加,从而消除振

动和噪声振动所产生的辐射。结果控制显示在图2（a）论证了振动波用不受控制的壳壁压电传感器，图2（b）显示控制壳在y轴和e，代表壳壁的分别控制信号，控制振动信号。

有关功率谱图分别表示在图2(c,d)。我们还可以看出，它的的振动的幅度,降低了20分贝。 用一个声音噪声降低液位计测量降低了8分贝。还发现，功率u和自适应滤波器的顺序N非常重要。总的来说，N值越大则效果越好， u是一种影响融合率的参量。然而，当它是不适当的选择时，这个系统是发散的。一些其他的方式也是热门研究,有可能对D / A转换器产生干扰。

2、振动绝缘的黄铜管桁架

发动机的振动往往由传送到另一个部分的结构连接引起的。但是一些精密仪器需要低振动水平平台。因此,绝缘的振动变得越来越重要。图3显示桁架由薄壁黄铜管固定在地基。电磁励磁机的使用使桁架振动。这样做的目的是为了保持构架结构的中心在低振动水平。试验和测量系统组成的振动隔离是由吉利时DAS1800测得的高速信号和一台电脑测试的作比较。使用了两个自适应滤波前馈控制的自适应搜索算法和控制策略。实验证明,这两种方法都有效。图4显示的结果是前控制策略的结果。很明显,积极控制提供了大约90%绝缘的振动。振动绝缘, 一个最佳的选择是搭配的传感器与执行器。在这种情况下,一个积极的位置反馈方法也具有较强的实用价值。

3.振动控制中一个灵活的空间结构

柔性梁是太空宇宙结构结构灵活的一个典型的形式，比如通讯天线，太阳能板，其特点是固有低频率、低阻尼和高模式密集。受到激发时，振动由外部干扰引起。为了控制振动，建立了振动控制实验系统，如图5。实验系统包括2个电荷放大器、2个功率放大器、2个 A / D转换器和计算机数据采集卡。两组传感器和执行器采用粘结柔性梁的模态，曲率最大的位置是两种方式中的第一个。梁的尺寸是：1300mm×80mm×1.2 mm，玻璃纤维和环氧树脂制成的。研究发现,前两个模式,过程中使用的频率为0.6HZ和6.2HZ,频率的大小在实验中又重要的作用。实验的目的是压制两种振动模式中的第一个。众所周知，通过振动理论, 定位反馈的控制增加模态刚度、反馈速度的控制增加相对的增加模态阻尼。 实验分为两个过程：(1)通过对受激发的柔性梁的弯曲位移、梁的自由振动观察；(2)受激发的光束通过一个脉冲看到振动的抑制效果。结果显示在图6， 图6(a)是两个过程之前和之后的控制周期的瞬态的比较。图6(b)显示之间的比较,瞬态自由振动信号的控制和不可控的光束。图(c)和(d)显示的振动响应一个脉冲输入与无控制。很明显表明,主动控制可以提高振动模态阻尼和减少振动速率。

4.直升机旋翼叶片振动控制中

直升机的振动比普通飞机的振动更明显。方法有很多,如高谐波控制(HHC)、独特的叶片控制(IBC)[2、3]和H∞控制[4]，都被广泛的应用于直升机的振动控制。但是一种基于自适应转子叶片无倾斜和间距的控制的链接最近刚提出。在自适应控制中，一个关键问题就是如何转移旋转叶片和直升机机身之上的信号。众所周知，该控制器及能源通常是固定在直升飞机的舱体上，需要将测量信号送到控制器上，当电源供给和控制信号发送到所需要的转子需要叶片振动其抑制。传统的信号的传输方法，引线和滑环有许多缺点，例如,它是不可靠的并且要求更多的服务项目；而远程测量和控制系统是不适合的，因为成本高并发症多及无法传送能量。这样，一个非接触式透射法克服了以上的缺陷。显示在图7。在这个系统中，被测的信号由高频信号调节，并通过磁力硬币传送到报警机上，然后再对原始信号进行解调处理。用同样的方法，控制信号从机身到旋翼叶片被传送。该系统正在研究中。

5.总结

本文的研究的目的是，对航天航空等领域几种典型的结构产生的振动和噪声，找方法来抑制。四个模型模拟的结构的振动太大，所以做一些精确的实验。不能工作，导致人不舒服。实验结果表明，该控制策略和发展比如高压放大器、电荷放大器、滤波器都是有效的。然而,基于压电振动主动控制系统有一些缺点:(1).虽然压电陶瓷在响应频率和体重是可取的,。但是它不能提供大的功率，大的形状变化，在能量耗散和长度差异上有效的制动器，这是非常必要的；(2).适当的控制,特别是多端输入，多端输出(MIMO)系统难以实现；(3).测控系统基于一个个人计算机和数据采集卡是不现实的，因为它的规模比较巨大，降低它的大小是未来研究的一门学科。

参考文献

[1] Smyser CP, Chandrashekhara K. Robust vibration control of composite beamsusing

piezoelectricdevices andneural networks. Smart Mater Struct, 1997, 6:178～18

[2] Nguyen K, Chopra I. Applications for higher har-monic control( HHC) to hingelessrotor

system. Ver-tica, 1990, 14:5～56

[3] HammondCE. Windtunnel results showing rotor vi-bratory loads reduction using higher

harmonic blade pitch. JAmHeli Soc, 1983,28: 10～15

[4] Tani J, ChenGG, Gui HW, et al. Activecontrol of bending-twisting coupled vibration of a

plate using piezoelectric film. In: Abstracts 1st US-Japan. WorkshoponSmart Materials andStructures, 1995.15