專利名稱：新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隔振降噪系統(tǒng)，尤其是一種在潛艇、航空航天、微納米儀器設(shè)備隔振等領(lǐng)域具有廣泛應用的新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及其使用方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的主、被動隔振降噪裝置主要是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的阻尼、協(xié)調(diào)彈簧、阻尼與質(zhì)量之間的關(guān)系通過提高消耗振動能量來實現(xiàn)控制振動之目的。被動控制的添加阻尼結(jié)構(gòu)又分為自由阻尼結(jié)構(gòu)、約束阻尼結(jié)構(gòu)和嵌入式阻尼結(jié)構(gòu)。而傳統(tǒng)的振動控制辦法有兩種一種是用隔振器將振動著的設(shè)備與地基隔開，防止設(shè)備的振動傳向地基，屬于積極隔振；另一種是用隔振器將振動著的地基與設(shè)備隔開，防止地基的振動傳向設(shè)備，屬于消極隔振。這兩種振動控制辦法都需要設(shè)計人員通過調(diào)整合理的彈簧和阻尼大小來完成結(jié)構(gòu)的振動控制。然而當環(huán)境條件發(fā)生變化時，隔振效果也就隨之變化，因此就出現(xiàn)了使用傳感器和作動器對振動進行控制的智能結(jié)構(gòu)。目前結(jié)構(gòu)振動的智能控制問題主要分為兩類，其一是主動控制阻尼結(jié)構(gòu)，就是利用壓電材料控制黏貼在構(gòu)件上粘彈性材料的變形，從而達到提高結(jié)構(gòu)的阻尼，來實現(xiàn)對振動系統(tǒng)的控制；而另一種是用壓電傳感器和作動器對結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)或動態(tài)控制。但由于傳統(tǒng)的電制伸縮材料的壓電常數(shù)低、應變量小、密度高等缺陷，無法實現(xiàn)對機械結(jié)構(gòu)振動的精確控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種隔振頻率范圍寬、精度高、 耗能少，能實現(xiàn)對機械結(jié)構(gòu)振動的精確隔離的新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及其使用方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，包括由上向下依次設(shè)置的反饋壓電傳感器元件、上絕緣過渡層、上柔性電極、執(zhí)行器單元、下柔性電極、下絕緣過渡層和壓電傳感器元件，所述反饋壓電傳感器元件、執(zhí)行器單元和壓電傳感器元件均通過線路與控制器相連。根據(jù)需要，整個結(jié)構(gòu)可以是上下對稱的也可以是非對稱的。所述執(zhí)行器單元包括由若干層電活性聚合物壓電薄膜串聯(lián)組成的電場型電活性聚合物件，每層電場型電活性聚合物的上下表面分別與上柔性電極和下柔性電極連接。所述反饋壓電傳感器元件和壓電傳感器元件可以是壓電陶瓷也可以是電場型電活性聚合物。所述電活性聚合物壓電薄膜均可以采用PVDF樹脂。所述上柔性電極和下柔性電極均可以采用石墨柔性電極。所述電活性聚合物壓電薄膜層數(shù)的設(shè)置，根據(jù)被控制對象振動的振幅來確定，即電場型電活性聚合物件在最大控制電壓的作用下變形量要大于被控對象的振幅，而且有 10% -50%的變形儲備?？刂破饕袠O高的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)運算控制能力，如美國國家儀器公司OT 的計算機控制系統(tǒng)。一種新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的使用方法，將所述的復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)做成小塊牢固無間地貼在潛艇表面，控制器分別控制每塊執(zhí)行器單元反相變形能控制潛艇的聲輻射，這個復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)就會像真空帶一樣隔絕振動的設(shè)備和傳播媒質(zhì)，使?jié)撏んw與海水之間無能量傳遞，實現(xiàn)降低或消除水下運載器三維結(jié)構(gòu)的聲輻射。本發(fā)明充分利用某些聚合物(如PVDF)材料質(zhì)量輕、在電場作用下變形大，驅(qū)動電壓低、聲透射吸收性能好、反應速度快和不易疲勞損壞等優(yōu)點，提出一種新型智能多層復合結(jié)構(gòu)隔振消聲系統(tǒng)，主要由機械和控制兩部分組成，其機械部分是由電場型電活性聚合物為作動器的夾芯、壓電材料為傳感器以及電活性聚合物與傳感器之間的絕緣材料為過渡層構(gòu)成一種多層夾芯復合結(jié)構(gòu)，當其中一塊傳感器感知到外界振動時，由控制器部分根據(jù)不同的控制目標及其控制算法給涂覆在電場型電活性聚合物表面的柔性電極加上控制電壓， 使電場型電活性聚合物的執(zhí)行器反相變形從而實現(xiàn)控制振動傳遞之目的，而另一塊壓電蒙皮作為反饋元件，“監(jiān)督”執(zhí)行機構(gòu)的“任務”完成情況，實現(xiàn)對精密機械結(jié)構(gòu)智能隔振目的。 當將這種結(jié)構(gòu)做成小塊牢固無間地貼在水下戰(zhàn)艦表面上，這個系統(tǒng)就會像真空帶一樣隔絕振動的設(shè)備和傳播媒質(zhì)，使?jié)撏んw與海水之間無能量傳遞，實現(xiàn)降低或消除水下運載器三維結(jié)構(gòu)的聲輻射之目的，特別是對于困擾振動噪聲控制領(lǐng)域的低頻隔振降噪問題，最終實現(xiàn)該發(fā)明特有的主動隔振降噪功能。從而實現(xiàn)潛艇真正的悄聲匿跡，完成其隱藏在海底游動的彈道導彈發(fā)射基地的任務。該系統(tǒng)在隔振、降噪、消聲的準確性和穩(wěn)定性等方面都較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢，在潛艇、航空航天、微納米儀器設(shè)備隔振等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。本發(fā)明的設(shè)計方法完全不同于傳統(tǒng)的隔振降噪，本發(fā)明跳出了傳統(tǒng)的設(shè)計理念由大量消耗振動能量方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃佑性锤粽穹绞絹磉_到控制振動降低噪聲輻射之目的。不僅能完成中高頻系統(tǒng)的隔振消聲，而且對低頻系統(tǒng)也行之有效。由于該復合結(jié)構(gòu)在隔振、降噪、消聲的準確性和穩(wěn)定性等方面都較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢，可為水下運載器、精密儀器、高速列車的主動隔振降噪設(shè)計提供強有力的技術(shù)支持。由于偏氟乙烯樹脂壓電材料除了具有易彎曲、能夠與被測物體表面充分粘合、可以任意裁剪、可以制成多孔表面(吸聲性能好)、壓電電壓常數(shù)高(比PZT高10 20倍)、 應變量大(可超過4% )、密度低(只有PZT的1/4)、響應頻率寬(具有從0. IHz到IOMHz 寬泛)的優(yōu)點，同時還具有出色的鐵電、與水聲阻抗匹配良好和大電致伸縮等性能，正是這些奇異特性賦予了該材料在微驅(qū)動領(lǐng)域的應用潛力，是非常理想的主動式聲納傳感器和水下運載器的隔振消、吸聲材料。本發(fā)明充分利用某些聚合物如偏氟乙烯基電活性聚合物 (PVDF)具有質(zhì)量輕、在電場作用下可發(fā)生大變形、驅(qū)動電壓低、反應速度快、不易疲勞損壞、 易與水形成良好的聲阻抗匹配等優(yōu)點，將新型電場型活性聚合物的力學性能與壓電材料的力學性能相結(jié)合，設(shè)計出新型智能復合隔振消聲結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。本發(fā)明利用美國國家儀器公司OT的計算機控制系統(tǒng)對新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的機械部分進行控制。本發(fā)明實施時利用多層壓電薄膜串聯(lián)方式完成較厚壓電作動器制作，用柔性粘結(jié)膠和柔性電極允許層間有一定的變形而不能脫落，根據(jù)控制對象的載荷和振幅要在作動器上施加一定的初始偏置電壓。


圖1新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)圖；圖2新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)控制圖；圖3多層壓電薄膜的串聯(lián)及電路接線。其中1.反饋壓電傳感元件，2.上柔性電極，3.上絕緣過渡層，4.電場型電活性聚合物件，5.下絕緣過渡層，6.壓電傳感元件，7.下柔性電極。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。如圖1-3所示，一種新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，包括由上向下依次設(shè)置的反饋壓電傳感器元件1、上絕緣過渡層3、上柔性電極2、執(zhí)行器單元4、下柔性電極7、下絕緣過渡層5和壓電傳感器元件6，所述反饋壓電傳感器元件1、執(zhí)行器單元4和壓電傳感器元件6均通過線路與控制器相連。所述執(zhí)行器單元包括由若干層電活性聚合物壓電薄膜串聯(lián)組成的電場型電活性聚合物件4，電場型電活性聚合物件的上下表面分別與上柔性電極2和下柔性電極7連接。所述電活性聚合物壓電薄膜均可以采用PVDF樹脂。所述柔性電極2為均可以采用石墨柔性電極。所述電活性聚合物壓電薄膜層數(shù)的設(shè)置，根據(jù)被控制對象振動的振幅來確定，即電場型電活性聚合物件在最大控制電壓的作用下變形量要大于被控對象的振幅，而且有 10% -50%的變形儲備。所述控制器采用美國國家儀器公司M的計算機控制系統(tǒng)。本發(fā)明主要是為減少水下艦艇的隔振消聲和高精密儀器設(shè)備隔振降噪而設(shè)計的， 它是由電活性聚合物(如PVDF樹脂)為執(zhí)行器的夾芯、壓電材料為傳感器的“蒙皮”以及夾芯與蒙皮之間的絕緣材料為過渡層構(gòu)成的一種多層夾芯復合結(jié)構(gòu)，具體見圖1。當其中一塊蒙皮傳感器感知到外界振動時，由控制器根據(jù)不同的控制目標及其控制算法給涂覆在電活性聚合物表面的柔性電極加上控制電壓，使執(zhí)行器變形從而實現(xiàn)隔振目標之要求，而另一塊壓電蒙皮作為反饋元件，“監(jiān)督”執(zhí)行機構(gòu)的“任務”完成情況。當要求反饋壓電板的加速度(或位移)為零時，該機構(gòu)就在兩傳感器之間實現(xiàn)了精確隔振，新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)控制見圖2。當將這種結(jié)構(gòu)做成小塊牢固無間地貼在水下戰(zhàn)艦或其它聲輻射比較強烈的設(shè)備上，這種結(jié)構(gòu)就會像真空帶一樣隔絕振動的設(shè)備和傳播媒質(zhì)，實現(xiàn)降低噪聲輻射之目的，特別是對于困擾振動噪聲控制領(lǐng)域的低頻噪聲控制問題。由于這種新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)具有隔振頻率范圍寬、精度高、耗能少，而在水下潛艇、精密儀器、大型飛機等高科技領(lǐng)域有廣闊的應用前景。實施辦法黏貼工藝，為克服各層間變形的不一致性，粘結(jié)一般用粘結(jié)性能良好的柔性粘結(jié)膠，比如高性能的AB膠，允許層間有一定的變形，但不能脫落。電場型電活性聚合物件由多層電活性聚合物壓電薄膜制作，一般來說，PVDF壓電薄膜的制作工藝中有一道工序就是極化，如果壓電薄膜作的太厚，極化電壓就要特別的高， 而往往一層薄膜是不能實現(xiàn)補償結(jié)構(gòu)表面的振動。這里采用多層薄膜串聯(lián)的方式，在不增加極化電壓的同時實現(xiàn)多層薄膜組成后的作動器，完成結(jié)構(gòu)振動表面的位移補償，要按照圖3實現(xiàn)多層壓電薄膜的串聯(lián)及電極的接線。壓電薄膜層數(shù)的設(shè)置，要根據(jù)被控制對象振動的振幅來確定，一般整個PVDF在最大控制電壓作用下的變形量要大于被控對象的振幅，而且有10% -50%的變形儲備。柔性電極，PVDF壓電薄膜的電極也要用柔性電極(如石墨柔性電極)，允許電極隨 PVDF壓電薄膜一起的變形。反饋壓電傳感器元件和壓電傳感器元件可以是壓電陶瓷也可以是電場型電活性聚合物件?？刂朴布娐?，采用美國國家儀器公司OT的計算機控制系統(tǒng)，根據(jù)控制對象的載荷和控制變形，要在作動器上施加一定的初始偏置電壓，來為PVDF提供初始的極化電荷， 通過機械部分和控制部分的有機組合，最終實現(xiàn)該發(fā)明特有的主動隔振降噪功能。
權(quán)利要求
1.一種新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于包括由上向下依次設(shè)置的反饋壓電傳感器元件、上絕緣過渡層、上柔性電極、執(zhí)行器單元、下柔性電極、下絕緣過渡層和壓電傳感器元件，所述反饋壓電傳感器元件、執(zhí)行器單元和壓電傳感器元件均通過線路與控制器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于所述反饋壓電傳感器元件和壓電傳感器元件均為壓電陶瓷或電場型電活性聚合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于所述執(zhí)行器單元包括由若干層電活性聚合物的壓電薄膜串聯(lián)組成的電場型電活性聚合物件，電場型電活性聚合物件的上下表面分別是上柔性電極和下柔性電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于所述上柔性電極和下柔性電極均是能隨執(zhí)行器元件變形而不脫落的電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于所述電活性聚合物壓電薄膜層數(shù)的設(shè)置，根據(jù)被控制對象振動的振幅來確定，即電場型電活性聚合物件在最大控制電壓的作用下變形量要大于被控對象的振幅，而且有10% -50%的變形儲備。
6.一種如權(quán)利要求1所述的新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的使用方法，其特征在于將所述的復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)做成小塊牢固無間地貼在潛艇表面，控制器分別控制每塊執(zhí)行器單元反相變形能控制潛艇的聲輻射，這個復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)就會像真空帶一樣隔絕振動的設(shè)備和傳播媒質(zhì)，使?jié)撏んw與海水之間無能量傳遞，實現(xiàn)降低或消除水下運載器三維結(jié)構(gòu)的聲輻射。
全文摘要
本發(fā)明提出一種新型智能隔振降噪復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及其使用方法，包括由上而下依次設(shè)置的反饋壓電傳感元件、上絕緣過渡層、上柔性電極、執(zhí)行器單元、下柔性電極、下絕緣過渡層和壓電傳感元件，反饋壓電傳感元件、執(zhí)行器單元和壓電傳感元件均通過線路與控制器相連。當其中一塊傳感器感知到外界振動時，由控制器根據(jù)不同控制目標及控制算法給涂覆在電活性聚合物表面電極加上控制電壓，使執(zhí)行器反相變形控制振動傳遞，而另一塊反饋壓電傳感元件作為反饋元件起監(jiān)督作用。將這種結(jié)構(gòu)做成小塊牢固無間地貼在潛艇表面，控制執(zhí)行器反相變形能控制潛艇的聲輻射。本發(fā)明能完成高、中、低頻系統(tǒng)隔振消聲，在潛艇、航空航天、精密儀器設(shè)備隔振領(lǐng)域有廣泛應用前景。
文檔編號H04R1/28GK102413401SQ20111028821
公開日2012年4月11日 申請日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者修瑤瑤, 梁森 申請人:青島理工大學