賀巖松，李耀光，沈 旺，徐中明，趙 勤

(1.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030； 2.汽車噪聲振動和安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039)

前言

近20年來，由于計算機(jī)、控制和傳感器技術(shù)在工程中的廣泛應(yīng)用，基于智能材料與結(jié)構(gòu)的振動和噪聲控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，通過外接分流電路，很容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)低頻振動和噪聲輻射的控制，這種被動壓電分流阻尼技術(shù)，相對于利用壓電材料逆壓電效應(yīng)的主動控制及傳統(tǒng)的被動阻尼材料控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、低價、輕質(zhì)和魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)，在不引起大的質(zhì)量和成本增加的情況下，可有效抑制振動進(jìn)而降低噪聲[1-3]。文獻(xiàn)[4]中提出基于壓電元件的壓電分流阻尼振動噪聲控制技術(shù)，文獻(xiàn)[5]中對其進(jìn)行了里程碑式的定量分析，國外學(xué)者在這方面的研究比較深入，取得了很多可供借鑒的成果[6-8]；國內(nèi)航空航天領(lǐng)域及科研院所的學(xué)者也對此開展了一系列的研究：文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[9]中對基于壓電分流的懸臂梁和矩形板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較全面的研究；文獻(xiàn)[10]中對具有壓電分流電路薄板的吸聲特性進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)分析，表明調(diào)節(jié)分流電路參數(shù)可明顯提高薄板1階模態(tài)處的吸聲系數(shù)和吸聲帶寬。

以上研究大都是以獨(dú)立的梁或板殼結(jié)構(gòu)為對象進(jìn)行振動噪聲控制，而對結(jié)構(gòu)-空腔受激勵后產(chǎn)生的振動噪聲問題研究的比較少。本文中針對車內(nèi)噪聲控制情況，將汽車乘坐室簡化為彈性板與5個剛性壁組成的封閉矩形空腔，以系統(tǒng)的1階模態(tài)為研究對象，對壓電元件(PZT)的布局位置進(jìn)行分析與優(yōu)化，組成壓電智能板。針對汽車車內(nèi)噪聲產(chǎn)生的兩個主要原因：空氣傳播噪聲和結(jié)構(gòu)振動輻射噪聲[11]，選取不同的激勵方式進(jìn)行模擬，利用RL串聯(lián)型壓電分流電路，對壓電智能板系統(tǒng)1階模態(tài)響應(yīng)進(jìn)行減振降噪控制，取得了較為明顯的效果。

1 壓電智能板/空腔模型的建立

1.1 空腔模型的建立

按照圖1理論的簡化空腔模型，設(shè)計加工出彈性板/矩形腔結(jié)構(gòu)模型：彈性板選用汽車車身領(lǐng)域中的典型薄鋁板，尺寸為700mm×500mm×1.1mm；5個剛性壁由厚度為12mm的鋼化玻璃組成，形成的矩形腔內(nèi)壁尺寸為600mm×450mm×500mm。鋁板通過螺栓緊固于鋼架上，鋼架壁與鋼化玻璃的外壁通過強(qiáng)力膠進(jìn)行密封貼合，模擬鋁板的固支邊界條件。為防止聲泄漏，所有縫隙用橡皮泥封嚴(yán)。

本文中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究所選用的壓電片型號為PZT-5H，尺寸分別為100mm×25mm×0.5mm和50mm×29.5mm×0.5mm。鋁質(zhì)薄板和壓電元件的材料屬性如表1所示。

1.2 PZT位置優(yōu)化及粘貼

根據(jù)壓電分流阻尼的能量轉(zhuǎn)換原理，在結(jié)構(gòu)振動輻射的過程中，最大化壓電元件極化表面上儲存的電荷量可使減振降噪效能最優(yōu)。壓電元件極化表面的電荷量為

表1 鋁板與壓電元件的材料特性

(1)

式中：d31、E11分別為原電陶瓷的壓電常數(shù)和彈性模量；si、ε(x)i+ε(y)i分別為壓電元件離散后第i個單元的面積和x、y方向的應(yīng)變和。

有限元劃分網(wǎng)格時將其分為大小相等的單元，則每個單元的面積為定值。選定特定規(guī)格參數(shù)的壓電元件后，壓電常數(shù)d31和彈性模量E11也為定值。可以看出，壓電元件的應(yīng)變是誘發(fā)其表面產(chǎn)生電荷的直接因素，應(yīng)變量越大，產(chǎn)生的電荷越多，從而轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)機(jī)械能越多。對于研究的受控薄板，要使其1階模態(tài)響應(yīng)得到更好地抑制，就應(yīng)在其表面x、y方向的模態(tài)應(yīng)變和最大位置處進(jìn)行壓電片粘貼。

由于壓電片的厚度遠(yuǎn)小于被控薄板的厚度，假設(shè)二者之間的粘貼為理想粘貼，則壓電片變形與粘貼位置處薄板變形相同。仿照實(shí)驗(yàn)布置情況建立帶空腔彈性板的有限元模型，如圖2所示。

對帶空腔彈性板分別進(jìn)行計算和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，模態(tài)振型和頻率吻合很好，所研究的1階模態(tài)振型如圖3所示，頻率分別為43.54和46.759Hz，相對誤差僅為-6.88%。

利用建立的有限元模型進(jìn)行帶空腔彈性板的模態(tài)應(yīng)變分析，結(jié)果如圖4所示。

由模態(tài)應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)，彈性板應(yīng)變最大位置分布在振型峰值與邊界處。因此，在利用壓電分流阻尼進(jìn)行減振降噪的控制中，對于目標(biāo)模態(tài)，按照帶空腔彈性板振型峰值和邊界處位置進(jìn)行壓電片的布片。薄板的第1階固有模態(tài)響應(yīng)，其振型的凸峰只有1個，且峰值位置與薄板中心重合，根據(jù)模態(tài)應(yīng)變圖,以彈性板中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，得到的布片中心位置為：(0,0)，(0,-202.5),(0，202.5),(-277,0),(277,0)。由于PZT制作有規(guī)格限制，選取的單個壓電片面積太小，通過增加壓電元件的數(shù)量盡可能多地覆蓋應(yīng)變最大處，將薄板結(jié)構(gòu)更多的振動變形機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，盡可能多地減振降噪。

實(shí)驗(yàn)中在彈性板中間峰值位置采用3片100mm×25mm×0.5mm的壓電片沿寬度方向緊密對接形成壓電組，盡量保證變形的連續(xù)性，因?yàn)?階模態(tài)應(yīng)變只有1個峰值，3個壓電片應(yīng)變性質(zhì)相同，即上下極化表面產(chǎn)生的電荷極性相同，將其正負(fù)極分別并聯(lián)起來；在4個邊界位置采用50mm×29.5mm×0.5mm的單一壓電元件粘貼。由于薄鋁板和壓電元件的銀質(zhì)電極均為良導(dǎo)體，為防止二者在粘貼中直接接觸，在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苽渲羞x用厚度為40μm的制造電容用的絕緣紙將二者隔離，既保證了機(jī)械變形的傳遞和較小的面內(nèi)附加剛度，又滿足了絕緣要求。粘貼壓電元件過程中采用的粘接劑為502瞬干膠。

2 壓電分流阻尼減振降噪實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇在壓電智能板背面中心安裝1個B&K1332單向加速度傳感器，測試壓電智能板的振動信號作為輸出，并在距離矩形腔底板中心高205mm處安裝1個B&K4189傳聲器測量內(nèi)部聲壓信號，進(jìn)行控制前后的空腔內(nèi)部聲壓對比。壓電智能板系統(tǒng)的瞬態(tài)減振降噪特性實(shí)驗(yàn)中采用江蘇聯(lián)能LC系列沖擊錘輸入脈沖激勵；穩(wěn)態(tài)減振降噪特性實(shí)驗(yàn)中分別采用揚(yáng)聲器聲音激勵和激振器振動激勵。使用LMS多通道分析儀進(jìn)行信號采集和分析，分析軟件為LMS-Test Lab 9A。

(2)

選用無焊接面包板SYB-118，按照上述參數(shù)搭建壓電分流電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 力錘激勵

力錘上安裝1個壓電力傳感器進(jìn)行輸入信號的測量，實(shí)驗(yàn)選取定點(diǎn)激勵。調(diào)諧分流電路，控制前后帶空腔壓電智能板系統(tǒng)對力錘脈沖激勵信號的響應(yīng)見圖5。

2.3 揚(yáng)聲器激勵

采用LMS多通道分析儀發(fā)出帶寬為0～1 000Hz的隨機(jī)白噪聲信號，輸入至B&K YE2706型功率放大器，驅(qū)動高保真揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲音激勵，模擬汽車發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工作噪聲，通過前圍板透射和輻射產(chǎn)生車內(nèi)噪聲的情況。揚(yáng)聲器安裝在矩形腔上面，距離壓電智能板中心高度為0.34m。另外采用1個B&K4189傳聲器測量矩形腔外距離壓電智能板中心高0.278m處的聲壓信號作為輸入信號，采樣時間為8s，采樣頻率為2 048Hz。壓電分流阻尼電路被動控制前后，帶空腔壓電智能板系統(tǒng)對揚(yáng)聲器輸入白噪聲聲音激勵的響應(yīng)見圖6。

2.4 激振器激勵

采用LMS多通道分析儀發(fā)出帶寬為0～1 000Hz的隨機(jī)白噪聲信號，經(jīng)YE5871A功率放大器放大后驅(qū)動JZK-5型強(qiáng)力電動式激振器產(chǎn)生振動激勵，模擬由發(fā)動機(jī)或路面激勵引起車身結(jié)構(gòu)振動進(jìn)而產(chǎn)生車內(nèi)輻射噪聲的情況。激振器頂桿上安裝有壓電式力傳感器，拾取振動作為輸入信號，將頂桿與壓電智能板連接為一體，采樣時間為8s，采樣頻率為2 048Hz。壓電分流阻尼電路被動控制前后，帶空腔壓電智能板系統(tǒng)對激振器輸入振動激勵的響應(yīng)如圖7所示。

由于振動激勵引起空腔內(nèi)聲壓頻譜產(chǎn)生較多毛刺，信噪比較差，很難觀察到清晰效果，而空腔內(nèi)聲音幾乎都是壓電智能板振動引起的輻射噪聲，這里用聲壓頻響函數(shù)代替聲壓頻譜來觀察降噪效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對于采用RL串聯(lián)分流電路的帶空腔壓電智能板結(jié)構(gòu)的第1階模態(tài)，分流電路閉合前后，根據(jù)減振降噪實(shí)驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)，可以計算出不同激勵時，控制前后1階模態(tài)頻率處壓電智能板系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)幅值及空腔內(nèi)聲壓級的變化，如表2所示。

表2 系統(tǒng)振動與聲壓響應(yīng)幅值降低量 dB

由表2可以看出：通過壓電元件的粘貼位置選擇和RL串聯(lián)分流阻尼電路的搭建，電路閉合后，壓電智能板/空腔模型所受各種激勵方式下的響應(yīng)都得到了衰減。與開路時相比，壓電智能板振動的頻響函數(shù)幅值分別降低了2.58、0.98和6.75dB；空腔內(nèi)部聲壓對于力錘激勵和激振器振動激勵的響應(yīng)幅值分別降低了1.66和6dB，對于揚(yáng)聲器激勵的響應(yīng)則不明顯，但有略微下降。通過橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，3種激勵方式中，激振器激勵板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度最大，引起的壓電智能板的變形程度最大，振動響應(yīng)和空腔內(nèi)聲壓響應(yīng)的降低量也最大，揚(yáng)聲器激勵則相反，由于揚(yáng)聲器與壓電智能板相隔一段距離，激勵能量在空間上有較多損失，壓電智能板被激勵起來的振動比較小，振動響應(yīng)和空腔內(nèi)聲壓響應(yīng)的降低量也最小，這是由于壓電分流阻尼減振降噪的效果與壓電元件正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為分流電路電能量的相對多少(即能量轉(zhuǎn)化率)有關(guān)，它與壓電智能板的應(yīng)變量大小密切相關(guān)。對于更高頻率的結(jié)構(gòu)振動和腔內(nèi)噪聲響應(yīng)，參照對彈性智能板1階模態(tài)的減振降噪研究方法，選取不同的壓電片布置位置，都可使該頻率及其臨近范圍內(nèi)的振動和噪聲得到有效衰減。

4 結(jié)論

針對汽車乘坐室簡化模型的1階約束模態(tài)，以最大化壓電元件極化表面電荷量為目標(biāo)，通過模態(tài)計算與實(shí)驗(yàn)，確定了壓電元件的最優(yōu)布置，利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，搭建RL串聯(lián)分流電路。模擬汽車車內(nèi)噪聲產(chǎn)生的不同途徑，選取不同的激勵方式，進(jìn)行了帶空腔壓電智能板結(jié)構(gòu)的減振降噪研究。

與開路時相比，分流電路閉路后壓電智能板系統(tǒng)的頻響函數(shù)幅值和空腔內(nèi)聲壓在1階模態(tài)頻率處都有所降低，并且外界激勵越強(qiáng)烈，效果越明顯。說明采用壓電分流阻尼電路抑制壓電智能板的振動進(jìn)而減少板的輻射噪聲，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)減振降噪的方法可行。相對于傳統(tǒng)阻尼減振降噪，該方法具有輕量化、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，為降低汽車車內(nèi)噪聲提供了新的發(fā)展途徑。

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