[发明专利]基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置

说明书

本发明公开了一种基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置，其技术方案为：包括压电自感知驱动单元、压电能量单元和控制模块，所述控制模块包括信号提取单元、相位补偿单元、极值检测单元、能量回收单元和开关单元；压电自感知驱动单元的输出端分别连接信号提取单元、开关单元的一端，开关单元的另一端与压电自感知驱动单元的输入端、极值检测单元相连；信号提取单元依次连接相位补偿单元、极值检测单元；压电能量单元与能量回收单元相连。本发明利用压电材料对振动能量进行回收，可以实现无开关延时、宽频带、自感知的半主动振动控制。

技术领域

本发明涉及振动与噪声控制领域，尤其涉及一种基于能量回收的自感知宽频带结构振动与噪声控制装置。

背景技术

压电材料的高频响应特性与机电耦合特性使其在结构的智能化和振动噪声控制中得到了广泛的应用。近年来，人们对各种各样的控制方法进行了大量的研究。其中主动方法与被动方法研究的较多，理论也较成熟。主动控制虽然具有较好的控制效果，但一般需要传感器、驱动器、功率放大器等信号处理系统以及功放等外部设备，不仅成本高，而且系统较为庞大复杂，降低了系统的可靠性，难以实现系统的小型化、轻量化，因此在可靠性、质量和体积都具有较高要求的航空航天系统中难以得到具体应用。被动控制方法是通过在压电元件表面电极之间串联适当的外部分支电路，来耗散或吸收由于结构振动产生的机械能。被动控制比较简单，易于实现，但缺点是分支电路中的电感和电阻参数对环境变化适应能力差，对于低频振动往往需要较大的电感等，虽然可以用运算放大器组成较大的电感，但是运算放大器需要电源供电，即需要外界供电，因此其通用性受到了很大的限制。

为了克服以上两种传统控制方法中的不足，人们相继提出了多种不同的半主动或半被动的振动控制方法。最近几年，随着开关并联技术的发展，一种基于非线性同步开关阻尼技术的半主动振动/噪声控制方法得到了发展。这种方法也被称为SSD技术(SSD:Synchronized Switch Damping即同步开关阻尼)，在电路中串联电感和开关等一些简单的电子元件使得压电元件上的电能被快速消耗或实现电压翻转，从而达到振动/噪声控制的目的。与传统的控制方法相比，这种新方法的控制系统简单，仅仅开关工作需要外界能量，因此控制所需要的外界能量很小，不需要精确的结构振动模型，且控制效果比较稳定，适合于宽频带的振动控制。

在以往的研究中，基于非线性同步开关阻尼技术的半主动振动控制方法根据开关连接方式大致分为三种，开关将压电材料短路(SSDS技术)，开关将压电材料与电感相连(SSDI技术)，开关将压电材料与电感和电压源相连(SSDV技术)。

专利号为CN 101488033A、名称为“基于能量回收的结构振动与噪声控制装置”的中国发明专利公开了一种基于能量回收的结构振动与噪声控制装置，包括压电驱动单元、压电能量单元、压电传感单元和系统电路。该发明的装置不需要外界能量供给，利用压电材料对振动能量进行回收，为基于非线性的同步阻尼开关技术的半主动控制方法提供电源，并且可以实现SSDS、SSDI和SSDV技术。但该发明需要压电传感单元提供振动位移传感信号，不能实现自感知技术，即将压电传感单元和压电驱动单元合二为一，从而省去压电传感单元。

2009年全国压电和声波理论及器件技术研讨会暨2009年全国频率控制技术年会发表的名为“能量自给的自感知半主动振动控制”论文,其首次提出了利用自感知技术实现结构的半主动振动控制,还有2010年南京航空航天大学博士论文“基于压电材料的振动能量回收电路及其应用研究”也论述了该技术。但是，该技术中控制策略电路的设计存在不足,只能针对一个特定结构振动进行有效减振，即对一个特定的振动频率进行减振；如果换一个结构，就必须通过更换控制电路上的元器件(电容电阻)来改变滤波器的参数，从而实现减振的目的。同时，即使针对一个特定结构进行减振，由于自感知技术传感出来的信号与实际的位移信号可能有所偏差，即有相位差，会导致开关控制信号与位移的极值有延时，最终影响振动效果，如图5所示。从图5可以清楚的看出如果开关控制信号不在位移极值点处开启,延迟越大,振动控制效果越差。

发明内容