压电分流声子晶体杆带隙调控研究

压电型声子晶体具有弹性波带隙特性,可用于噪声与振动控制。该文通过在环氧树脂杆上周期地布置含有负电容的压电分流单元,构造了压电声子晶体杆结构。为拓宽带隙,对此结构设计了3种元胞配置,运用传递矩阵法计算其带隙特性,并采用遗传算法对分流电路参数进行优化。理论与仿真结果表明,改变元胞中不同谐振频率的压电分流单元的个数,可以获得多个局域共振带隙,增强带隙可调谐性;运用算法优化可得到带隙调谐时分流电路参数值的最佳匹配,实现多个带隙的合并进而形成宽带,在不改变原有结构的基础上拓宽带隙。     

精密机械结构的自适应压电分流阻尼抑振

为提高压电分流阻尼系统对多模态振动的抑制能力,提出了一种基于负阻抗变换器的频率自适应模拟电感电路.并应用于压电分流电路的设计,使压电分流电路能适应结构振动频率的变化而一直处于谐振状态,从而达到最佳的阻尼抑振效果,并研究了分流电路构型和各元件阻抗对抑振效果的影响.将此电路应用于典型精密机械结构--硬盘驱动器磁头驱动臂的多模态振动响应抑制,取得了良好的抑振效果,结构的前3阶稳态响应传递函数的幅值分别降低了8.15 dB、12.06 dB和2.11 dB.     

状态开关型多模态压电分流抑振技术

研究了状态开关型多模态压电分流阻尼系统的抑振原理和实现方法.搭建了以金属氧化物半导体场效应晶体管为主体的状态开关型多模态压电分流电路,设计出一种频率自适应控制器,能跟随结构振动频率变化而实时改变脉冲控制信号的输出时刻和持续时间,使该状态开关型压电分流电路对结构各阶模态的振动响应都有较好的抑制效果.应用该状态开关型压电分流电路,进行了一个柔性悬臂梁的多模态振动响应抑制实验,使悬臂梁的前5阶弯曲模态的稳态响应幅值分别降低了7.72 dB、3.97 dB、1.23 dB、5.03 dB和4.14 dB,验证了所研制的状态开关型压电分流阻尼系统的自适应多模态抑振性能.     

周期性压电分流阵列板带隙特性研究

将带有分流电路的压电片周期性地粘贴到薄板表面形成二维压电分流阵列结构,该结构不仅具有声子晶体的带隙特性,还可以通过分流电路实现带隙调控。该文运用有限元法计算了二维压电分流阵列结构的带隙特性,研究了含有谐振单元及负电容的混合电路中不同电路参数对带隙的影响。此外,通过调节电感及负电容,可以将布喇格带隙和局域共振带隙进行耦合,拓宽带隙,实现宽频振动控制。     

压电分流阻尼电路设计的极点配置方法

针对作为被动控制的压电分流阻尼电路提出极点配置方法。对压电分流阻尼系统建立机电耦合方程,考虑模态位移为输出量,得到系统极点的特征方程。运用主导极点与虚轴的距离对系统动态响应衰减有着关键作用这一特性,确立优化目标,然后求解出压电分流阻尼电路参数的最优值。最后通过数值仿真对所设计的优化方法进行检验,并与传统传递函数优化法进行比较。仿真结果表明,运用极点配置方法设计的压电分流电路有着良好的抑制振动的效果,这验证了极点配置方法的有效性。     

压电复合材料薄壳结构振动主动控制

对表面粘贴压电元件的复合材料薄壳结构的应变驱动原理、振动控制方程进行了分析。建立了自适应控制系统，对粘贴了压电材料的玻纤／环氧圆柱壳的振动进行了主动控制实验。结果表明，压电自适应壳结构能对薄壳的振动进行有效抑制，同时使壳体噪声辐射得到显著衰减。     

压电泵振动放射噪声的研究

压电泵的动力源是由压电陶瓷片及金属放大片所组成的压电振子，产生振动及噪声是这种泵所不可避免的必然现象．该文对压电泵振动放射噪声进行了研究。首先提出了由振动量计算合成声压的理论模型；然后开发了压电振子的振动及振动产生放射噪声测试的试验装置，并利用这种装置适时跟踪测试了压电泵的振动与噪声；最后把理论计算与试验测试进行了比较，其结果证明了振动量计算合成声压理论的正确性。     

硬盘读写头驱动臂的压电分流阻尼抑振

针对读写头驱动臂的振动响应限制了硬盘驱动器性能提高的问题,进行了硬盘读写头驱动臂的压电分流阻尼抑振实验.在考虑驱动臂自身阻尼的情况下,根据结构振动方程和分流电路机械阻抗方程,建立了耦合有压电分流电路的驱动臂系统的传递函数,以传递函数的极大值最小化为目标进行分流电路的参数优化,采用LM-BP网络建立优化参数和结构动力学参数间的非线性映射关系.实验证明,参数优化后的压电分流阻尼系统能有效抑制驱动臂的振动响应,使其1阶稳态响应降低了28.70 dB.     

微驱动器的压电-弹性耦合分析(英文)

压电弹性耦合结构是实现MEMS微流体驱动的一种重要方式,掌握压电-弹性振动的耦合机理是微流体驱动协调控制的关键。针对压电与硅膜耦合微驱动结构,基于压电效应和弹性薄板理论,采用Rayleigh-Ritz能量法建立了周边固支边界条件下,弹性振动硅膜与压电驱动膜片耦合振动的理论模型,推导并计算了该微驱动结构的耦合振型及谐振频率。基于激光测振仪进行了该压电微驱动结构的振动测试实验,经实验模态分析获得了实测的谐振频率。理论计算结果与实验测试结果的对比分析表明,两者基本相符,验证了理论分析模型的正确性,为MEMS微流体的驱动与控制提供了一定的理论基础和实验依据。     

电流传输器模拟电感的设计及其在振动控制中的应用

通过电流型运算放大器组成第二代电流传输器与RC元件实现模拟电路的设计,由此搭建压电分流阻尼系统控制机械结构振动.通过软件仿真测试模拟电感电路设计的正确性,并以根部粘贴压电陶瓷片的固支梁结构为例,对该结构的第三阶模态振动控制进行了实验研究和分析,结果表明:所设计的新型压电分流电路具有良好的减振效果.     

压电分流阻尼系统中压电元件形状与布局优化

根据压电方程和材料力学方程推导出机电耦合情况下压电元件表面电荷计算公式,以此为优化目标,对压电分流阻尼抑振系统中的压电元件形状和位置/布局进行了优化分析。在考虑了压电元件附加质量和附加刚度的影响下,采用ANASYS的APDL语言对四边固支弹性薄铝板进行参数化建模,根据压电元件的模态应变来计算电荷数量。使用拓扑优化方法得到对应于各阶模态的压电元件最优形状,并针对采用单片和多片压电元件的情况,进行了对应于结构各阶振型的布局优化。根据分析结果,提出了压电分流阻尼系统的压电元件形状和位置/布局优化的基本原则。将分析结果应用于一四边固支薄板的振动响应抑制实验,取得了良好的抑振效果,分流电路闭合后第1阶和第5阶模态响应的幅值分别降低了52.9%与62.6%,验证了压电元件形状和位置/布局优化的有效性。     

中国微米纳米学会－微型压电振动发电机谐振频率调节技术的研究

具有高能量密度的微型压电振动发电机可以无限、持续地为无线传感器网络提供能量。为了适应环境振源频率的变化,提高压电振动发电机的能量转换效率,采用理论建模和数值分析的方法,研究了旁路电容调节振动发电机固有频率的关键技术。建立压电电容与压电层杨氏模量的力学模型,分析压电电容对压电发电机固有频率的影响规律,提出了单晶片和双晶片压电梁的电容频率调节配置方案;分别研究厚度比、长度和宽度对开路、闭路刚度比及固有频率比的影响特性,对结构参数进行了优化配置。     

Optimization and implementation of multimode piezoelectric shuntdamping systems

Piezoelectric transducer (PZT) patches can be attached to a structure in order to reduce vibration. The PZT patches essentially convert vibrational mechanical energy into electrical energy. The electrical energy can be dissipated via an electrical impedance. Currently, impedance designs require experimental tuning of resistive circuit elements to provide optimal performance. A systematic method is presented for determining the resistance values by minimizing the H₂ norm of the damped system. After the design process, shunt circuits are normally implemented using discrete resistors, virtual inductors and Riordian gyrators. The difficulty in constructing the shunt circuits and achieving reasonable performance has been an ongoing and unaddressed problem in shunt damping. A new approach to implementing piezoelectric shunt circuits is presented. A synthetic impedance, consisting of a voltage controlled current source and a digital signal processor system, is used to synthesize the terminal impedance of a shunt network. A two-mode shunt circuit is designed and implemented for an experimental simply supported beam. The second and third structural modes of the beam are reduced in magnitude by 22 and 18 dB     

方体压电谐振器共振频率电调谐技术

受环境因素的影响,压电谐振器的共振频率会发生漂移。调谐技术因采用特定的手段主动调节共振频率而得到广泛应用,但传统附加质量块、激光烧蚀等机械调谐技术费时费力,灵活性不好。针对方体压电谐振器该文提出了一种激励信号幅值调谐和直流调谐的电调谐方法,可精密调节谐振器的共振频率。设计了一种基于ZYNQ系列主控芯片的数字化测控电路,实现了振子扫频激励、输出信号的幅值相位检测,为激励信号幅值调谐和直流调谐提供了实验硬件平台。实验结果表明,激励信号幅值调谐的共振频率变化范围为347.850～348.000 kHz,直流调谐的调节范围为347.720～347.820 kHz。该技术为压电谐振器共振频率精密调节提供可靠的理论与实践途径。     

含分流电路Galfenol声子晶体的带隙与减振性能

利用Galfenol的逆磁致伸缩效应并通过分流元件调整其声子晶体带隙,以实现有效减振具有重要现实意义。基于磁致伸缩本构方程、Armstrong模型、法拉第定律、传递矩阵法和Bloch定理,推导了含分流电路的Galfenol有效弹性模量表达式,并建立其声子晶体振动模型。模型计算结果与实验结果对比表明,该模型能提供有效弹性模量随频率和分流电容变化的合理数据趋势,并能预测Galfenol参数随应力变化的非线性特性。分析了该声子晶体在开路下,其布喇格带隙(BBG)衰减常数峰值和截止频率随应力的变化规律,确定了器件减振的最佳工作点;分析了该声子晶体在不同分流电容和应力下的BBG、共振带隙(RBG)及其共振公共带隙(RCBG)特性,结果表明,较小分流电容、较大磁机耦合因子和较大电感可显著提高器件减振性能。     

压电超材料主动控制分流电路设计

为进一步优化压电声学超材料分流电路设计,提出了一种基于零极点配置的主动控制电路,总结出零极点配置的一般规律,直接通过调节零点和极点设计相关传递函数,并利用微控制器加以实现。由于数字控制器能够利用计算机进行远程控制,因此可以更灵活地调节超材料带隙。该方法降低了模拟电路的复杂度,摆脱了模拟电路需要手动调整参数的限制,为超材料的智能控制提供了新的思路,更便于实际应用。实验结果表明,压电超材料在低频模态范围内均有超过14 dB的衰减,由此证明了结构所用主动控制电路的有效性。     

压电结构测控系统中的电压衰减接口设计

针对压电智能结构在减振降噪领域的应用,基于NI 6343数据采集卡设计了一种无源10×衰减接口,扩大了输入电压范围,解决了基于NI 6343数采卡搭建压电测控实验系统的设计方案。该文首先分析建立了压电元件输出阻抗模型,在此基础上讨论了测试系统负载效应对压电元件输出电压的影响,最后设计了10×接口电路,并分析讨论了其幅频、相频特性。仿真和实验结果表明,所设计的10×接口可以用于直接测量采集的大多数压电元件的输出电压信号,且在1 000 Hz以内均有较高的幅值测量精度。