基于主动压电-阻尼材料的噪声控制

　　随着现代社会的迅速发展,降噪减振(特别是噪声控制)已成为环境保护的一个重要问题。传统的降噪方法已不能有效地处理飞机、潜艇、车辆、机床等产生的噪声污染。多年来,人们运用被动阻尼成功地减少了结构的振动,但由于受温度和频率的影响,此方法操作范围很窄。针对这种情况,本文作者提出采用主动阻尼和被动阻尼混合的处理方法,所用的材料是主动压电-阻尼复合材料(Active piezoelec-tric-damping composites简称APDC)。APDC是由嵌入粘弹性基体的压力-陶瓷条材组成的[1],这样一旦压力-陶瓷条材被电动启动,就能控制直接固定在振动结构上的基体的压缩阻尼特性。文中建立了用有限元模型(FEM)来模拟APDC制动器、麦克风和三维附件的实验系统。

　　1　系统的组成

　　图1是用APDC膜片来控制从金属板辐射到三维附件的声音的实验系统简图[2]。系统中用的薄方形铝板的尺寸为19.6cm×19.6cm×0.04cm。这个边缘固定的金属板即为尺寸为19. 6cm×19.6cm×41cm的附件的一个具有弹性的面,附件的其它5个面都是用厚为1.25cm的玻璃树脂材料组成的。在这块金属板的中央固定了一块APDC膜片,其尺寸为3cm×3cm×0.0312cm,被做成15%~25%的PZT纤维质嵌在软硬聚合树脂基片中,具有银-氧环电极。金属板由放在附件外离金属板大约5 cm处的一个电磁扬声器激励;作为一个噪声源存在的电磁扬声器由动态信号发生仪发出的信号经放大器放大后激励;安放在附件内距离金属板中心0.1 m的麦克风作为声音传感器,监测附件内的声音压力水平;将APDC膜片作为制动器;用个人计算机、信号调理电路以及A/D与D/A转换器对检测到的信号进行分析处理。

　　2　控制方法及理论分析

　　2·1　控制方法

　　图1所示系统的控制原理为:动态信号发生仪发出的信号经过放大器放大后,作为噪声源激励电磁扬声器工作。这样一方面声音通过金属板辐射进三维附件内,麦克风就会检测到附件内的声音压力,并产生一个与声音压力水平相关的信号;另一方面金属板结构发生弯曲,固定在金属板中央的APDC膜片会响应结构的弯曲。麦克风信号经过信号调理电路和A/D转换器,转换成0~5 V的电压信号,通过接口电路进入个人计算机。计算机显示出此信号的波形,然后利用信号的分析和处理方法,设计出与此信号极性相反、强度相等的信号[3],通过D/A转换器和放大器之后,加到APDC膜片上。APDC接收到电信号后,就会被电动启动,控制直接固定在金属板上的基体的压缩阻尼特性。金属板的结构振动得到了控制,此信号也会在三维附件内产生一个与原来的声音压力幅值相等、相位相差180°的声音压力,这样两者相互抵消,可达到有效控制噪声的目的。