新型智能隔振降噪複合結構系統的製作方法

2023-05-13 13:11:11 1

專利名稱：新型智能隔振降噪複合結構系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種隔振降噪系統，尤其是一種在潛艇、航空航天、微納米儀器設備隔振等領域具有廣泛應用的新型智能隔振降噪複合結構系統。
背景技術：
傳統的主、被動隔振降噪裝置主要是通過調整結構的阻尼、協調彈簧、阻尼與質量之間的關係通過提高消耗振動能量來實現控制振動之目的。被動控制的添加阻尼結構又分為自由阻尼結構、約束阻尼結構和嵌入式阻尼結構。而傳統的振動控制辦法有兩種一種是用隔振器將振動著的設備與地基隔開，防止設備的振動傳向地基，屬於積極隔振；另一種是用隔振器將振動著的地基與設備隔開，防止地基的振動傳向設備，屬於消極隔振。這兩種振動控制辦法都需要設計人員通過調整合理的彈簧和阻尼大小來完成結構的振動控制。然而當環境條件發生變化時，隔振效果也就隨之變化，因此就出現了使用傳感器和作動器對振動進行控制的智能結構。目前結構振動的智能控制問題主要分為兩類，其一是主動控制阻尼結構，就是利用壓電材料控制黏貼在構件上粘彈性材料的變形，從而達到提高結構的阻尼，來實現對振動系統的控制；而另一種是用壓電傳感器和作動器對結構進行靜態或動態控制。但由於傳統的電制伸縮材料的壓電常數低、應變量小、密度高等缺陷，無法實現對機械結構振動的精確控制。

實用新型內容本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種隔振頻率範圍寬、精度高、耗能少，能實現對機械結構振動的精確隔離的新型智能隔振降噪複合結構系統。為實現上述目的，本實用新型採用下述技術方案一種新型智能隔振降噪複合結構系統，包括由上向下依次設置的反饋壓電傳感器元件、上絕緣過渡層、上柔性電極、執行器單元、下柔性電極、下絕緣過渡層和壓電傳感器元件，所述反饋壓電傳感器元件、執行器單元和壓電傳感器元件均通過線路與控制器相連。根據需要，整個結構可以是上下對稱的也可以是非對稱的。所述執行器單元包括由若干層電活性聚合物壓電薄膜串聯組成的電場型電活性聚合物件，每層電場型電活性聚合物的上下表面分別與上柔性電極和下柔性電極連接。所述反饋壓電傳感器元件和壓電傳感器元件可以是壓電陶瓷也可以是電場型電活性聚合物。所述電活性聚合物壓電薄膜均可以採用PVDF樹脂。所述上柔性電極和下柔性電極均可以採用石墨柔性電極。所述電活性聚合物壓電薄膜層數的設置，根據被控制對象振動的振幅來確定，即電場型電活性聚合物件在最大控制電壓的作用下變形量要大於被控對象的振幅，而且有 10% -50%的變形儲備。所述控制器要有極高的數據採集和數據運算控制能力，如美國國家儀器公司OT的計算機控制系統。將所述的複合結構系統做成小塊牢固無間地貼在潛艇表面，控制器分別控制每塊執行器單元反相變形能控制潛艇的聲輻射，這個複合結構系統就會像真空帶一樣隔絕振動的設備和傳播媒質，使潛艇殼體與海水之間無能量傳遞，實現降低或消除水下運載器三維結構的聲輻射。本實用新型充分利用某些聚合物(如PVDF)材料質量輕、在電場作用下變形大，驅動電壓低、聲透射吸收性能好、反應速度快和不易疲勞損壞等優點，提出一種新型智能多層複合結構隔振消聲系統，主要由機械和控制兩部分組成，其機械部分是由電場型電活性聚合物為作動器的夾芯、壓電材料為傳感器以及電活性聚合物與傳感器之間的絕緣材料為過渡層構成一種多層夾芯複合結構，當其中一塊傳感器感知到外界振動時，由控制器部分根據不同的控制目標及其控制算法給塗覆在電場型電活性聚合物表面的柔性電極加上控制電壓，使電場型電活性聚合物的執行器反相變形從而實現控制振動傳遞之目的，而另一塊壓電蒙皮作為反饋元件，「監督」執行機構的「任務」完成情況，實現對精密機械結構智能隔振目的。當將這種結構做成小塊牢固無間地貼在水下戰艦表面上，這個系統就會像真空帶一樣隔絕振動的設備和傳播媒質，使潛艇殼體與海水之間無能量傳遞，實現降低或消除水下運載器三維結構的聲輻射之目的，特別是對於困擾振動噪聲控制領域的低頻隔振降噪問題，最終實現該實用新型特有的主動隔振降噪功能。從而實現潛艇真正的悄聲匿跡，完成其隱藏在海底遊動的彈道飛彈發射基地的任務。該系統在隔振、降噪、消聲的準確性和穩定性等方面都較傳統的結構有明顯的優勢，在潛艇、航空航天、微納米儀器設備隔振等領域具有廣泛的應用前景。本實用新型的設計完全不同於傳統的隔振降噪，本實用新型跳出了傳統的設計理念由大量消耗振動能量方式轉變為主動有源隔振方式來達到控制振動降低噪聲輻射之目的。不僅能完成中高頻系統的隔振消聲，而且對低頻系統也行之有效。由於該複合結構在隔振、降噪、消聲的準確性和穩定性等方面都較傳統的結構有明顯的優勢，可為水下運載器、 精密儀器、高速列車的主動隔振降噪設計提供強有力的技術支持。由於偏氟乙烯樹脂壓電材料除了具有易彎曲、能夠與被測物體表面充分粘合、可以任意裁剪、可以製成多孔表面(吸聲性能好)、壓電電壓常數高(比PZT高10 20倍)、 應變量大(可超過4% )、密度低(只有PZT的1/4)、響應頻率寬(具有從0. IHz到IOMHz 寬泛)的優點，同時還具有出色的鐵電、與水聲阻抗匹配良好和大電致伸縮等性能，正是這些奇異特性賦予了該材料在微驅動領域的應用潛力，是非常理想的主動式聲納傳感器和水下運載器的隔振消、吸聲材料。本實用新型充分利用某些聚合物如偏氟乙烯基電活性聚合物(PVDF)具有質量輕、在電場作用下可發生大變形、驅動電壓低、反應速度快、不易疲勞損壞、易與水形成良好的聲阻抗匹配等優點，將新型電場型活性聚合物的力學性能與壓電材料的力學性能相結合，設計出新型智能複合隔振消聲結構系統。本實用新型利用美國國家儀器公司OT的計算機控制系統對新型智能隔振降噪複合結構系統的機械部分進行控制。本實用新型實施時利用多層壓電薄膜串聯方式完成較厚壓電作動器製作，用柔性粘結膠和柔性電極允許層間有一定的變形而不能脫落，根據控制對象的載荷和振幅要在作動器上施加一定的初始偏置電壓。
圖1新型智能隔振降噪複合結構圖；圖2新型智能隔振降噪複合結構控制圖；圖3多層壓電薄膜的串聯及電路接線。其中1.反饋壓電傳感元件，2.上柔性電極，3.上絕緣過渡層，4.電場型電活性聚合物件，5.下絕緣過渡層，6.壓電傳感元件，7.下柔性電極。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。如圖1-3所示，一種新型智能隔振降噪複合結構系統，包括由上向下依次設置的反饋壓電傳感器元件1、上絕緣過渡層3、上柔性電極2、執行器單元、下柔性電極7、下絕緣過渡層5和壓電傳感器元件6，所述反饋壓電傳感器元件1、執行器單元和壓電傳感器元件 6均通過線路與控制器相連。所述執行器單元包括由若干層電活性聚合物壓電薄膜串聯組成的電場型電活性聚合物件4，電場型電活性聚合物件的上下表面分別與上柔性電極2和下柔性電極7連接。所述電活性聚合物壓電薄膜均可以採用PVDF樹脂。所述柔性電極2為均可以採用石墨柔性電極。所述電活性聚合物壓電薄膜層數的設置，根據被控制對象振動的振幅來確定，即電場型電活性聚合物件在最大控制電壓的作用下變形量要大於被控對象的振幅，而且有 10% -50%的變形儲備。所述控制器採用美國國家儀器公司M的計算機控制系統。本實用新型主要是為減少水下艦艇的隔振消聲和高精密儀器設備隔振降噪而設計的，它是由電活性聚合物(如PVDF樹脂)為執行器的夾芯、壓電材料為傳感器的「蒙皮」 以及夾芯與蒙皮之間的絕緣材料為過渡層構成的一種多層夾芯複合結構，具體見圖1。當其中一塊蒙皮傳感器感知到外界振動時，由控制器根據不同的控制目標及其控制算法給塗覆在電活性聚合物表面的柔性電極加上控制電壓，使執行器變形從而實現隔振目標之要求， 而另一塊壓電蒙皮作為反饋元件，「監督」執行機構的「任務」完成情況。當要求反饋壓電板的加速度(或位移)為零時，該機構就在兩傳感器之間實現了精確隔振，新型智能隔振降噪複合結構控制見圖2。當將這種結構做成小塊牢固無間地貼在水下戰艦或其它聲輻射比較強烈的設備上，這種結構就會像真空帶一樣隔絕振動的設備和傳播媒質，實現降低噪聲輻射之目的，特別是對於困擾振動噪聲控制領域的低頻噪聲控制問題。由於這種新型智能隔振降噪複合結構具有隔振頻率範圍寬、精度高、耗能少，而在水下潛艇、精密儀器、大型飛機等高科技領域有廣闊的應用前景。實施辦法黏貼工藝，為克服各層間變形的不一致性，粘結一般用粘結性能良好的柔性粘結膠，比如高性能的AB膠，允許層間有一定的變形，但不能脫落。電場型電活性聚合物件由多層電活性聚合物壓電薄膜製作，一般來說，PVDF壓電薄膜的製作工藝中有一道工序就是極化，如果壓電薄膜作的太厚，極化電壓就要特別的高，
5而往往一層薄膜是不能實現補償結構表面的振動。這裡採用多層薄膜串聯的方式，在不增加極化電壓的同時實現多層薄膜組成後的作動器，完成結構振動表面的位移補償，要按照圖3實現多層壓電薄膜的串聯及電極的接線。壓電薄膜層數的設置，要根據被控制對象振動的振幅來確定，一般整個PVDF在最大控制電壓作用下的變形量要大於被控對象的振幅，而且有10% -50%的變形儲備。柔性電極，PVDF壓電薄膜的電極也要用柔性電極(如石墨柔性電極)，允許電極隨 PVDF壓電薄膜一起的變形。反饋壓電傳感器元件和壓電傳感器元件可以是壓電陶瓷也可以是電場型電活性聚合物件。控制硬體電路，採用美國國家儀器公司OT的計算機控制系統，根據控制對象的載荷和控制變形，要在作動器上施加一定的初始偏置電壓，來為PVDF提供初始的極化電荷， 通過機械部分和控制部分的有機組合，最終實現該實用新型特有的主動隔振降噪功能。
權利要求1.一種新型智能隔振降噪複合結構系統，其特徵在於包括由上向下依次設置的反饋壓電傳感器元件、上絕緣過渡層、上柔性電極、執行器單元、下柔性電極、下絕緣過渡層和壓電傳感器元件，所述反饋壓電傳感器元件、執行器單元和壓電傳感器元件均通過線路與控制器相連。
2.根據權利要求1所述的新型智能隔振降噪複合結構系統，其特徵在於所述反饋壓電傳感器元件和壓電傳感器元件均為壓電陶瓷或電場型電活性聚合物。
3.根據權利要求1所述的新型智能隔振降噪複合結構系統，其特徵在於所述執行器單元包括由若干層電活性聚合物的壓電薄膜串聯組成的電場型電活性聚合物件，電場型電活性聚合物件的上下表面分別是上柔性電極和下柔性電極。
4.根據權利要求3所述的新型智能隔振降噪複合結構系統，其特徵在於所述上柔性電極和下柔性電極均是能隨執行器元件變形而不脫落的電極。
5.根據權利要求3所述的新型智能隔振降噪複合結構系統，其特徵在於所述電活性聚合物壓電薄膜層數的設置，根據被控制對象振動的振幅來確定，即電場型電活性聚合物件在最大控制電壓的作用下變形量要大於被控對象的振幅，而且有10% -50%的變形儲備。
專利摘要本實用新型提出一種新型智能隔振降噪複合結構系統，包括由上而下依次設置的反饋壓電傳感元件、上絕緣過渡層、上柔性電極、執行器單元、下柔性電極、下絕緣過渡層和壓電傳感元件，反饋壓電傳感元件、執行器單元和壓電傳感元件均通過線路與控制器相連。當其中一塊傳感器感知到外界振動時，由控制器根據不同控制目標及控制算法給塗覆在電活性聚合物表面電極加上控制電壓，使執行器反相變形控制振動傳遞，而另一塊反饋壓電傳感元件作為反饋元件起監督作用。將這種結構做成小塊牢固無間地貼在潛艇表面，控制執行器反相變形能控制潛艇的聲輻射。本實用新型能完成高、中、低頻系統隔振消聲，在潛艇、航空航天、精密儀器設備隔振領域有廣泛應用前景。
文檔編號H04R1/28GK202334863SQ201120361850
公開日2012年7月11日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者修瑤瑤, 梁森 申請人:青島理工大學