基于声辐射模态的有源结构声学控制(ASAC)误差传感器和控制作动器的设计研究

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基于声辐射模态的有源结构声学控制(ASAC)是近几年提出的分析结构振动辐射声场性质和控制噪声辐射的一种有效方法。通过振动结构表面法向速度和表面声压之间的关系,给出振动板结构的声辐射模态及其对应的辐射效率。声辐射模态代表一组正交的速度分布,每一阶声辐射模态对应的声功率相互独立。结构的辐射声功率可以表示为辐射效率和声辐射模态伴随系数平方的线性组合。声辐射模态的一个重要特点是它在中、低频时,对应的辐射效率随着声辐射模态阶数的增加而迅速降低。因此,基于声辐射模态的ASAC系统的控制策略是使前K阶声辐射模态伴随系数幅值最小化。 误差传感器的选择和设计直接关系误差信号输出的准确性和实时性,是实现ASAC的关键一环。本文选择PVDF压电薄膜作为传感器的材料,以Legendre多项式展开表示板的振速分布和PVDF的形状函数,设计了能适用于任意边界条件两维结构的分布式PVDF误差传感器。将设计得到的传感器用于测量简支、固定边界条件的板结构以及简支板的局部区域的第一阶声辐射模态伴随系数,得到较好的测量结果。此外,本文还分析了传感器布置位置误差和形状误差等因素对测量结果的影响。 控制作动器是向振动结构施加控制信号的实施者,其设计的好坏直接影响控制效果的优劣。本文利用压电薄膜(压电陶瓷、PVDF)的逆压电效应,通过对矩形压电薄膜——薄板结构进行静力学分析,得到矩形压电作动器的等效激励模型。此外,通过模态分析,得到矩形压电作动器作用下板的振动响应。将矩形压电作动器应用到基于声辐射模态的ASAC中,得到基于声辐射模态的压电作动器主动控制策略。通过计算比较分析,揭示了压电作动器控制的内在规律,并证明在高频段压电作动器的控制效果优于单点力的控制效果。
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