Page 121 - 应用声学2019年第4期

第 38 卷 第 4 期 胡吉英等： 应用长度极化压电陶瓷 33 模态的半主动减振技术研究 581

33模态应用在结构的振动控制中，应能得到更好的
0 引言
效果。因此，本文提出了利用沿长度方向极化压电
压电换能材料作为一种智能材料广泛应用在 材料的 33 模态实现半主动减振。利用一个粘贴有
形状控制 [1] 、驱动力/位移最大化 [2] 、探伤检测 [3] 、 压电片的横梁模型来进行分析，在压电片上连接 33
模态过滤 [4] 和能量收集 [5] 等系统中，因此压电阻抗 模态对应的最佳分流电路，并将得到的减振效果与
技术成为众多研究者所关心的热点 [6−7] 。早在1979 31模态的减振效果进行比较。利用梅森等效电路进
年，Forward [8] 首先在光学系统中提出应用压电分 行理论分析，并用有限元方法进行验证。研究发现
压电材料的33 模态在振动控制方面确实比 31 模态
流阻尼技术来进行振动抑制。之后，基于压电分流
阻尼的半主动减振技术在结构振动控制和噪声消 具有更高的效率。此外，通过对工作在 33 模态的压
除中得到更多的应用。在振动控制领域，通常是将 电片在几何结构和位置的优化，提出一个针对多模
连有分流电路的压电传感器粘贴在主体结构上，而 态减振的组合设计，对结构的前三个模态起到了很
主体结构可以是横梁 [9] 、振动器 [10] 、平板 [11] 或壳 好的减振作用。而且，与31模态相比，横梁前三阶模
体 [12] 。 态的振动抑制效果均有约6 dB的增益。
在最近几年中，很多研究聚焦在有效分流电路
1 模型描述
的设计和实现上，其中 Lin 等 [9] 在1991年首次引进
了R-L的串联电路。当主体结构引起压电元件伸缩 如图 1 所示，本文利用一个横梁进行分析。横
时，基于正压电效应，由结构振动产生的一部分机 梁的一端施加有一个沿厚度方向的正弦位移 u 的
械能会被压电元件转化为电能，并通过连接的阻性 激励，而另一端保持自由状态。在横梁上粘贴一片
元件 R 以焦耳热的形式耗散掉，其中电感元件 L 在 压电片，它的作用是将横梁振动的机械能转化为电
将分流电路的工作频率调节到主体结构的振动频 能。通过在横梁的一端进行位移激励，横梁开始振

率中起到重要作用。1996 年，Wu [13] 提出了 R-L 的 动，这会引起压电片在沿着它的长度方向产生伸缩
并联电路，在之后的研究中被广泛应用，其中，同样 变化，基于正压电效应，在压电片的两个电极间会产
用电感器 L 调节频率和用电阻器 R 来消耗能量，但 生电压差，当压电片连有分流电路时，就会形成闭合
R-L的并联电路的优势在于可以单独调节R 或L而
z
对另一个参数不会产生影响来达到最佳的分流条 y I
件，避免了在 R 和 L 之间重复调节。不管是 R-L 的 x
l
串联电路或 R-L 的并联电路，它们都只能抑制振动 t
T Z shunt V
的单频模态。随后，为了抑制结构的多模态振动，提 T w
出和改善了一些分流电路，例如阻塞电路 [14] 、负电
u
容电路 [15] 和转换分流电路 [16] 。通过在压电元件上
(a) 31വগ
连接对应的最佳分流电路，在目标频率附近对结构
振动有很好的抑制效果。这些电路大部分需要一些 V
I
x
简单的电子无源元件，在维持振动抑制系统稳定性 Z shunt
y z
上有不可替代的优势。
l
到目前为止，由于结构及极化简单的原因，压 t
电分流阻尼技术更多的是应用沿厚度方向极化压 w
T T
电材料的31模态，并在半主动振动控制领域取得了
丰富的成果。例如，在文献[17–18]中，通过有限元方 u (b) 33വগ
法，利用优化算法对应用31模态的压电片的位置和
图 1 贴有分流压电片的横梁简化模型
几何结构进行优化，提高抑制主体结构振动的效率。
Fig. 1 Configuration of the steel beam with a
然而，值得注意的是，与31模态相比，压电材料的33 piezoelectric plate and a shunt circuit bonded to
模态具有更高的压电耦合因子，如果将压电材料的 the piezoelectric plate