鄧尚久

（湖北建藝風(fēng)工程設(shè)計(jì)有限公司， 湖北 荊州 434000）

0 引言

壓電材料是一種新型的智能材料，它具有正、逆壓電效應(yīng)，即在受到外界荷載激勵(lì)時(shí)會(huì)在材料表面會(huì)形成正負(fù)相反的電荷，電荷量的大小與外界施加激勵(lì)成正比，當(dāng)外界激勵(lì)消失時(shí)，材料又處于不帶電狀態(tài)?；趬弘姴牧溪?dú)特的正逆壓電效應(yīng)，將其作為傳感器與作動(dòng)器，直接布置在結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行振動(dòng)控制，縮減了振動(dòng)控制時(shí)的中間環(huán)節(jié)，從而大幅提高控制效率。

1 壓電材料的分類及特點(diǎn)

從壓電材料被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其種類也得到了極大地豐富。目前主要包括壓電陶瓷、壓電單晶、壓電聚合物、壓電纖維復(fù)合材料等。其中壓電陶瓷與壓電纖維復(fù)合材料作為兩種重要的智能控制材料在振動(dòng)控制中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，1954 年B·Jaffe 等人發(fā)現(xiàn)了具有良好的壓電性能鋯鈦酸鉛固溶體（PZT），由于其加工方便、價(jià)格低廉、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)的被廣泛的應(yīng)用于大功率換能器、寬帶濾波器和各類壓電傳感器[1]。目前國(guó)內(nèi)外利用壓電陶瓷（PZT）進(jìn)行減振控制方面的研究也已取得較為豐富的成果[2-3.]。

壓電纖維復(fù)合材料是1996 年由美國(guó)國(guó)家航空在基于復(fù)合材料的原理制作而成，因其壓電性能好，柔韌性高被廣泛地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。Fiore 和Daniel 等將壓電纖維復(fù)合材料用于單層和雙層復(fù)合材料板的振動(dòng)主動(dòng)控制模擬實(shí)驗(yàn)上，結(jié)果表明壓電纖維復(fù)合材料對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)有較明顯的減振效果；Agrawal 和Brij 等利用壓電纖維復(fù)合材料的壓電效應(yīng)，對(duì)船體的彎曲振動(dòng)進(jìn)行了主動(dòng)控制，結(jié)果表明，壓電復(fù)合材料能較好的減小船體的彎曲振動(dòng)。

2 壓電材料基本工作原理及壓電方程

在利用壓電材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制時(shí)，基于壓電材料的正逆壓電效應(yīng)，其即可以作為傳感器，同時(shí)也是作動(dòng)器。利用壓電材料的正壓電效應(yīng)可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，從而將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的電信號(hào)?？刂破鞲鶕?jù)反饋的電信號(hào)，結(jié)合控制算法計(jì)算出所需的控制電壓，再將給壓電材料施加電場(chǎng)，基于壓電材料的逆壓電效應(yīng)使得材料產(chǎn)生變形，從而抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的減振控制。

壓電材料的用途與使用的環(huán)境不同，會(huì)造成壓電材料的機(jī)械邊界條件和電學(xué)邊界條件發(fā)生變化。

第一類壓電方程

第二類壓電方程

第三類壓電方程

第四類壓電方程

在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中主要是通過(guò)第一、二類壓電方程相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行理論分析。

3 基于壓電材料的減振控制方法

由于壓電智能材料優(yōu)良的壓電效應(yīng)，使其具有優(yōu)良傳感特性的同時(shí)也具備十分突出的驅(qū)動(dòng)特性，結(jié)合相應(yīng)的控制策略，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的在外界荷載作用下的減振降噪。依據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中是否存在外界能量輸入，可以將結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制大體分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制三類。

壓電被動(dòng)控制，是將壓電材料植入被控結(jié)構(gòu)內(nèi)部。在結(jié)構(gòu)受外界荷載作用發(fā)生變形時(shí)，壓電材料利用其正壓電效應(yīng)，感受結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)變，并將結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過(guò)外部電路將能量輸送出去，以此來(lái)耗散或吸收由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能[4]。

壓電主動(dòng)振動(dòng)控制，是利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)，將布置在結(jié)構(gòu)內(nèi)部或者表面的壓電智能材料作為被控結(jié)構(gòu)的傳感器和作動(dòng)器。當(dāng)結(jié)構(gòu)在外界荷載作用下發(fā)生振動(dòng)變形時(shí)，傳感將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。電壓信號(hào)通過(guò)控制器產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)再經(jīng)功率放大器作用于作動(dòng)器，由作動(dòng)器發(fā)生變形產(chǎn)生控制力，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。

壓電半主動(dòng)控制是在壓電主動(dòng)振動(dòng)控制和壓電被動(dòng)振動(dòng)控制的基礎(chǔ)上演變而來(lái)。該控制方法中的能量供給，不再是直接將能量輸入到作動(dòng)器，產(chǎn)生控制力，而是將能量用于半主動(dòng)控制的回路中，通過(guò)改變置于被控構(gòu)件內(nèi)部壓電元件的參數(shù)，以改變系統(tǒng)的剛度、阻尼、慣性等結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的目的。

4 結(jié)論

由上述的介紹可知，壓電智能材料由于其良好的傳感驅(qū)動(dòng)特性在機(jī)械、航空航天中取得了豐碩的研究成果，同時(shí)其良好耐用性與高效性在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域也是一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)，尤其是壓電纖維復(fù)合材料（MFC）。