[发明专利]一种流体及其诱发振动和噪声的控制技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种流体及其诱发振动和噪声的控制技术，该技术具有控制涡脱落强度、减小流动阻力、增加升力、减轻结构疲劳振动破坏和提高疲劳寿命、降低噪声等特点。适用于航空航天飞行器、水上和水下航行器、流体驱动设备、流体机械、管道输运设备等。

背景技术

流固耦合作用广泛地见诸于工程实际中，目前有被动和主动两种形式的多种控制技术。被动控制技术通常以改变结构的几何形状，增加表面突起、护罩及近尾流稳定器来实现。主动控制技术既有通过独立的外界作动器(如开环控制)，也有通过有反馈环路的作动器(如闭环控制)来改变流固耦合的状态，大多数是以控制涡脱落为目的的。其中：有电子控制形式的，它能改变系统动力学特性，被直接用于结构振动的控制。也有用电磁作动器形式的，把它安装在圆柱体的两端产生横向振动，通过反馈系统直接控制圆柱体的振动；把它安装在柱体内部，对柱体施加作用力，利用声音信号去控制流场。也有把热线信号反馈到扬声器的形式直接控制涡脱落和结构振动。

发明内容

本发明的目的是提供一种流体及其诱发振动和噪声的控制技术，以在结构表面采用压电陶瓷作动器产生一个局部的扰动，以达到控制流固耦合，控制涡的脱落、减小流动阻力，提高升力，改善流体诱发的结构振动，缓解结构疲劳破坏、提高疲劳寿命和减小噪声的目的。

为实现上述目的，本发明提供的流体及其诱发振动和噪声的控制技术，主要由压电陶瓷作动器、振动测量装置(如激光振动器)、流体测量装置(如热线仪)和反馈控制系统组成；

其中，压电陶瓷作动器是由热膨胀系数不同的材料粘合在一起，底层为金属片(如不锈钢片)，中间是压电陶瓷片，顶层是铝片，经加热处理(加热处理为公知技术)制成压电陶瓷作动器，该压电陶瓷作动器设置在结构体中；

压电陶瓷作动器的上方为结构体的表面，该表面为扰动表面层，该扰动表面层由一振动测量装置测量其振动信息，在结构体的周围设置有流体测量装置；

振动测量装置和流体测量装置均连接至反馈控制系统；

当流体流过结构体时，流体与结构体表面相互作用产生涡脱落，从而引起结构体振动，振动测量装置测量到的结构体表面的振动，以及流体测量装置测量到的来流速度等信息通过反馈控制系统中的调节器，既可转化为控制器的反馈信号，也可转化为监控信号，再由PID(比例-积分-微分)控制器发出作动信号经放大器输送到压电陶瓷作动器，即施加电压使压电陶瓷作动器变形，产生所需要的振幅和频率，带动扰动表面上下波动从而获得所期望的扰动效果，最终起到抑制涡的脱落、减小流动阻力，提高升力，改善流体诱发的结构振动，缓解结构疲劳破坏、提高疲劳寿命和减小噪声的作用。

本发明的振动测量装置为激光测振器；流体测量装置为热线仪(包括监控热线和反馈热线)。

本发明所提到的结构体的截面可以是方形、矩形、圆形、机翼形和其它非规则形状。本发明控制的目标可以是流场、振动、噪声和它们的任意组合。

与传统的形式相比，本发明的优点在于：

1)本发明采用压电陶瓷作动器比常规的压电作动器可以产生更大的扰动，从而能够更全面地控制流体涡脱落及其诱发的振动；

2)压电陶瓷作动器嵌入结构体内部，既无干扰，又不增加体积，在工程结构上比其它作动器，如扬声器和电磁作动器更容易实施；

3)压电陶瓷作动器工作时不产生任何噪声；

4)使用闭环主动控制器时，消耗能量很少，扰动幅度小(大概是结构振动振幅的5％)，而且几乎完全能够消除涡脱落，抑制结构振动；

5)很容易获得紧凑和独立的智能结构系统。

附图说明

图1是本发明流体控制系统示意图；

图2是一种代表结构体的剖视示意图；

图3是压电陶瓷作动器未通电状态时的结构示意图；

图4是压电陶瓷作动器通电状态时的截面剖视图；

图5是实施本发明前后结构振动振幅变化实例图；

图6是实施本发明前后来流速度变化实例图；

图7是实施本发明前后电压变化图；

图8是实施本发明前流场显示实例图；

图9是实施本发明后流场显示实例图。

附图中主要标记说明：

1-结构体，2-扰动表面层，3-激光振动器，4-监控热线，5-反馈热线，6-反馈控制系统，7-压电陶瓷作动器，701-铝片，702-热溶粘合剂，703-压电陶瓷片，704-金属片。

具体实施方式