一种基于压电-声学黑洞效应的结构宽频减振降噪装置

本发明涉及结构主被动振动控制领域，特别是涉及一种压电-声学黑洞复合式结构宽频减振降噪装置。

背景技术：

1、随着现代先进装备的高速发展，对装备中精密电子设备仪器的需求越来越多，先进装备的宽频减振是一个重要的发展需求。然而，由于先进装备中仪器平台结构的多样化需求或使用环境的复杂多变，整体装备更容易发生振动，并且由于设备互联协同功能不断深入，单台设备的振动干扰，极易引起整体装备的正常运行。因此先进装备的宽频振动抑制变得越来越重要。

2、目前，常用的装备振动控制方法为被动控制和基于压电智能材料的主动控制，采用被动控制主要是通过敷设阻尼材料，不仅增加了装备的整体重量，而且对于装备的低频振动抑制效果较差；压电功能材料具有的优异机电耦合特性使其解决结构低频振动噪声效果突出且稳定可靠，而基于压电智能材料的主动控制，需要外部能量输入，附加的控制装置较多，控制系统较为复杂，控制力较小，控制效果不佳；基于压电智能材料设计的半主动控制系统，不需要外界能量的供应，就能通过开关切换，耗散或改变压电元件两端的电压方向，有效实现结构振动抑制，较大程度简化了主动控制系统的复杂性，但是电路中开关的规律性切换，压电元件电压方向周期性变换，产生了非线性谐波频率成分，导致系统高频振动噪声响应增加。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于压电-声学黑洞效应的结构宽频减振降噪装置，设计了一种压电-声学黑洞复合结构，可以通过主被动相结合的方式高效地控制被控结构中的宽频振动，达到宽频减振降噪的目的。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于压电-声学黑洞效应的结构宽频减振降噪装置，所述装置包括：声学黑洞波操纵结构和压电结构振动控制系统；

4、所述声学黑洞波操作结构包括设于被控结构上的声学黑洞结构和设于所述声学黑洞结构厚度最小位置处的耗能层；

5、所述声学黑洞结构的厚度自黑洞边缘向黑洞中心呈幂指数变化规律逐渐减小只预设厚度；所述声学黑洞结构的黑洞边缘贴附于所述被控结构的表面；

6、所述压电结构振动控制系统包括至少一个压电元件、电压方向切换电路和切换控制系统；所述压电元件设于所述被控结构的表面；

7、所述电压方向切换电路用于根据所述切换控制系统输出的切换信号切换所述压电元件两端的电压方向；

8、所述切换控制系统，用于检测所述被控结构的振动位移，并进行振动位移是否为极值的判断，根据判断结果向所述电压方向切换电路输出所述切换信号；

9、所述声学黑洞波操纵结构，用于利用所述声学黑洞结构和所述能耗材料以降低所述被控结构中产生的中高频段振动响应；

10、所述压电结构振动控制系统，用于控制所述压电元件两端两端电压方向周期性变换以降低所述被控结构中产生的低频段振动响应。

11、可选的，所述电压方向切换电路包括正向支路和逆向支路；

12、所述正向支路包括至少一个第一二极管、第一电感元件和第一开关元器件；所述第一二极管、所述第一电感元件和所述第一开关元器件串联连接；所述第一二极管的正极连接所述压电元件的正极；

13、所述逆向支路包括至少一个第二二极管、第二电感元件和第二开关元器件；所述第二二极管、所述第二电感元件和所述第二开关元器件串联连接；所述第二二极管的正极与所述压电元件的负极连接；所述正向支路、所述逆向支路和所述压电元件并联连接；

14、所述第一开关元器件，用于根据所述切换控制系统输出的所述切换信号接通或中断所述正向支路实现所述压电元件两端电压方向的切换；

15、所述第二开关元器件，用于根据所述切换控制系统输出的所述切换信号接通或中断所述逆向支路实现所述压电元件两端电压方向的切换。

16、可选的，所述电压方向切换电路还包括注能支路；

17、所述注能支路包括串联连接的第三电感元件、第三开关元器件和外部电源；

18、当所述正向支路接通时，所述第三电感元件与所述第一电感元件构成变压器结构；

19、当所述逆向支路接通时，所述第三电感元件与所述第二电感元件构成变压器结构；

20、所述第三电感元件，用于当所述第三开关元器件闭合时，将所述外部电源输出的电压传输至所述第一电感元件或所述第二电感元件以增大所述压电元件两端的电压。

21、可选的，所述切换控制系统包括位移极值检测模块和开关切换控制模块；

22、所述位移极值检测模块，用于检测所述被控结构的实时振动位移，并判断所述被控结构的实时振动位移是否达到极值；

23、所述开关切换控制模块，用于当所述被控结构的实时振动位移达到极大值时，输出第一开关元器件接通且第二开关元器件断开的切换信号；还用于当所述被控结构的实时振动位移达到极小值时，输出第一开关元器件断开且第二开关元器件接通的切换信号。

24、可选的，所述位移极值检测模块包括位移信号采集单元、信号滤波单元和位移极值检测单元；

25、所述位移信号采集单元，用于采集所述被控结构的实时振动位移；

26、所述信号滤波单元，用于采集的实时振动位移信号进行滤波处理；

27、所述位移极值检测单元，用于根据滤波后的振动位移进行极值判断。

28、可选的，所述压电元件设置的位置根据所述被控结构的模态应变确定。

29、可选的，所述声学黑洞结构用于将所述被控结构中大于声学黑洞特征频率阈值的弯曲波成分聚集至所述声学黑洞结构的厚度最小位置处；

30、所述声学黑洞特征频率阈值的计算表达式为：

31、

32、其中，dabh为声学黑洞结构直径；d为声学黑洞中心平台厚度；ρ为材料密度；υ为材料泊松比；e为材料杨氏模量；h为声学黑洞起始处结构的厚度。

33、可选的，所述声学黑洞结构包括内嵌式声学黑洞结构、附加式声学黑洞结构和螺旋式声学黑洞结构。

34、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

35、本发明提供一种基于压电-声学黑洞效应的结构宽频减振降噪装置，设计了一种压电-声学黑洞复合结构，其中，声学黑洞波操纵结构可通过被动方式有效抑制结构中的中、高频振动，压电结构振动控制系统可以通过主动方式高效地抑制结构中的低频振动，因驱动电压非线性切换引入的高频振动能量也可以较好地被声学黑洞波操纵结构吸收。因此，本发明设计的压电-声学黑洞复合结构可以通过主被动相结合的方式高效地控制结构中的宽频振动，达到宽频减振降噪的目的。

技术特征：

1.一种基于压电-声学黑洞效应的结构宽频减振降噪装置，其特征在于，所述装置包括：声学黑洞波操纵结构和压电结构振动控制系统；

2.根据权利要求1所述的一种基于压电-声学黑洞效应的结构宽频减振降噪装置，其特征在于，所述电压方向切换电路包括正向支路和逆向支路；

3.根据权利要求2所述的一种基于压电-声学黑洞效应的结构宽频减振降噪装置，其特征在于，所述电压方向切换电路还包括注能支路；

4.根据权利要求2所述的一种基于压电-声学黑洞效应的结构宽频减振降噪装置，其特征在于，所述切换控制系统包括位移极值检测模块和开关切换控制模块；

5.根据权利要求4所述的一种基于压电-声学黑洞效应的结构宽频减振降噪装置，其特征在于，所述位移极值检测模块包括位移信号采集单元、信号滤波单元和位移极值检测单元；

6.根据权利要求1所述的一种基于压电-声学黑洞效应的结构宽频减振降噪装置，其特征在于，所述压电元件设置的位置根据所述被控结构的模态应变确定。

7.根据权利要求1所述的一种基于压电-声学黑洞效应的结构宽频减振降噪装置，其特征在于，所述声学黑洞结构用于将所述被控结构中大于声学黑洞特征频率阈值的弯曲波成分聚集至所述声学黑洞结构的厚度最小位置处；

8.根据权利要求1所述的一种基于压电-声学黑洞效应的结构宽频减振降噪装置，其特征在于，所述声学黑洞结构包括内嵌式声学黑洞结构、附加式声学黑洞结构和螺旋式声学黑洞结构。

技术总结本发明公开一种基于压电‑声学黑洞效应的结构宽频减振降噪装置，涉及结构主被动振动控制领域，装置包括声学黑洞波操纵结构和压电结构振动控制系统；其中，声学黑洞波操纵结构，用于利用声学黑洞结构和所述能耗材料以降低被控结构中产生的中高频段振动响应；压电结构振动控制系统，用于控制压电元件两端两端电压方向周期性变换以降低被控结构中产生的低频段振动响应。本发明设计的压电‑声学黑洞复合结构可以通过主被动相结合的方式高效地控制结构中的宽频振动，达到宽频减振降噪的目的。技术研发人员：吴义鹏,汪恒,王超炎,季宏丽,裘进浩,黄薇受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/3/11