通过抵消体积速度实现结构声有源控制

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1、通过抵消体积速度实现结构声有源控制*南昌航空大学启动基金（No.EA20106211）摘要以简支梁为例，本文提出一种新的压电式传感器和作动器的设计方法研究结构声有源控制。通过在梁正反面分别布置一组相同形状的矩形PVDF和PZT作为传感器和作动器，然后通过对PVDF传感器的输出信号设计相应的加权系数，使加权后输出信号之和等于体积速度。并对这组PZT作动器的控制输入电压也进行相应的加权，使其既能抵消简支梁的体积速度而又不增加结构的振动水平。最后通过数值计算分析了这种传感器和作动器的控制效果。关键词：结构声有源控制体积速度压电式传感器/作动

2、器中图分类号:TB535.1文献标识码:A文章编号：VolumeVelocityCancellationforActiveStructuralAcousticControlAbstractWithanexampleofsimplysupportedbeam,itispresentedanewpiezoelectricsensor/actuatorstrategyforactivestructuralacousticcontrolsystem.AnarrayofrectangularsegmentsofPVDFfilmandPZTatt

3、achedonthefrontandbacksurfaceofthebeamaretakenassensorandactuatorrespectively.TheoutputsignalsofthePVDFfilmsaremultipliedbyappropriateweightssothattheweightedcombinationsoftheoutputsdirectlyleadtothevolumevelocityofthebeam.TheinputcontrolofeachPZTactuatorisdrivenbythesa

4、mecontrolinputvoltagebutwithdifferentappropriateweights,sothatthecancellationofthevolumevelocitycanbeachievedwithoutcausingincreasesinthevibration.Finally,optimalcontrolsimulationsareperformedtovalidatetheproposedpiezoelectricsensor/actuator10strategy.Keywords：activestr

5、ucturalacousticcontrol;volumedisplacement;piezoelectricsensors/actuator前言近年来，通过设计压电式模态传感器实现结构声有源控制（ActiveStructuralAcousticControl，ASAC）的研究越来越引起关注[1~3]。由于声功率为振动结构表面法向速度的函数，表面法向速度的分布不同对声功率的贡献不同。所以在ASAC系统中，合理的压电式传感器应该只测量对结构声辐射起主要贡献的结构振动。Johnson等[4]提出通过抵消体积速度（VolumeVelocit

6、y）来控制结构的声辐射，并取得了良好的控制效果。在此前发表的论文中，作者对此进行了大量的理论和实验研究[5~10]。ASAC中另一个重要问题就是次级力源的数目和位置的选择。由于对振动结构施加了次级力源，因此在控制过程中有可能会激发出一些新的振动模态，在降低噪声的同时有可能使结构的振动能量增加，这一直困扰着ASAC研究的进展。为了克服这一问题，本文提出来一种新的传感器和作动器设计方法，使其既能降低振动体的声辐射又不增加结构的振动水平。其基本思路为：通过在振动梁正反面上布置分别一组相同形状的矩形PVDF薄膜和压电陶瓷（PZT）作为传感器和

7、作动器。首先通过对各个PVDF薄膜的输出设计加权系数，测量其体积速度。然后对各个PZT作动器的控制电压也进行加权，使这组PZT作动器仅控制传感器观测到的振速分布，而不影响其它未控制的振动分布。最后本文对这种传感器和作动器策略的控制效果进行数值计算和分析。1．基本理论假设有一镶嵌在无限障板中的简支梁，长度为Lx，宽度为Ly，厚度为h，，忽略其在宽度方向上响应的变化，根据振动分析理论，其振动的法向速度v(x)可以通过结构模态（振型函数）进行展开，10（1）式中：Am为结构模态的第m阶模态速度。M表示所取最大模态序数。根据参考文献[4,7]

8、可知，体积速度H为振动结构法向速度在整个梁表面上的积分，即（2）把式（1）代入式（2）得（3）从式（2）和（3）可以发现，体积速度H也可以认为是振动结构的表面速度分布在活塞形（piston-type）速度分布上的投影。从