基于压电元件的振动控制技术研究

基于压电元件的振动控制技术研究
摘要：振动控制一直都是机械、精密仪器、航空等领域研究的课题，在各种
新型的减振技术被提出的同时，具有良好的机电耦合特性的压电材料也被广泛的
应用在减振领域。

本文利用带压电分支电路的压电悬臂梁模型，研究了利用压电
元件的压电效应特性对振动结构体振动被动控制的方法，运用Matlab对该模型
进行了频率响应分析，利用Ansys对其进行了模态分析，实验分析了压电元件对
机械系统振动特性的影响，验证了理论的结果。

关键词：机电耦合；振动控制；压电效应；分支电路
0引言
随着人们对减振技术的研究，压电元件对振动控制的研究受到了广泛的关注。

振动存在于人们的生活、工作等各个领域，往往带来的是一些消极的影响。

例如，振动以弹性波的形式传播，会产生噪声污染。

振动还影响着人们的日常生活和工
业生产。

比如，工厂中各种机器设备的振动幅度若超出一定的范围，将会对操作
人员的健康产生极大的危害；航空发动机叶片、叶轮的振动会减少发动机的寿命，使机械零件产生疲劳，重则还会危害飞行人员的安全等。

如此可见，振动带来的
危害是不可小觑的，如何降低振动对周围环境设备和人体带来的危害就变得尤为
重要。

1项目介绍
有些机械由于结构的复杂，在研究和加工过程中，每个环节上出现误差，都
很可能造成整机产生振动。

本课题主要利用压电元件良好的机电耦合特性，将压
电片表面电极与控制电路相连，压电元件作为机械部分与电路部分的媒介，以被
动控制的方式来达到减振的目的。

通过给振动结构体附加压电元件并外接一个电路，改变结构的动态特性，使系统振动产生的能量转化为电能并通过其他形式消耗掉，以此来改变固有频率、振动位移的幅值和振动的衰减率等，从而起到减振的效果。

当压电片等效的电容和连入电路中的电感元件组成谐振电路的谐振频率与系统的固有的共振频率相近时，则会起到吸震作用。

电阻分支电
路电阻电感分支电路
图1 压电分支电路
2压电材料及压电效应
压电材料具有正压电效应和逆压电效应的性质，不仅能作为制动器，也能作为传感设备。

与其它的智能材料相比，成本低、密度小、控制方便、容易加工、易于集成等，适用于结构体的减振应用。

常用压电材料有石英晶体、聚偏二氟乙烯、压电复合材料等，本文主要研究的是压电陶瓷材料，与传统的压电复合材料相比，制造成本高，且工艺相对复杂。

2.1压电元件及压电效应
压电元件是由压电材料制成，给压电材料施加一个外力，在其破坏之前，其内部会发生相对的位移变化，压电元件的上下表面会出现两种异性电荷，这种无电场但有变形的两极分化现象被称为正压电效应；在压电元件极化方向的两个表面施加电场，在外界电场的作用下，压电材料内部的正负电荷将产生相对位移，使压电材料所受的电场力转化为物理形变，这种现象称为逆压电效应。

图2 正压电效应
图图3 逆压电效应图
2.2MATLAB对各种耦合电路频率响应分析
在本文中对压电悬臂梁系统的频率响应分析，仅为在第一阶共振频率下，对纯机械系统和带RL电路系统的研究，通过对得到的MATLAB的图形分析，判断压电电路对机械系统振动的减振效果。

通过已知系统的条件，编写相关MATLAB程序，本文中不在赘述。

得出结论图4：
图4 不同环境下的频率响应曲线
其中黑实线为没有连接分支电路时的频响曲线，绿色实线为RL谐振电路分支时的频率响应曲线。

由图可见，不加载分支电路的情况下，系统响应幅值明显降低，说明在此条件下，对系统起到减振效果，而RL谐振电路比以上的减振效果更好，是因为当电路的谐振频率和系统的频率相同时，谐振电路和机械系统形成了类似机械系统中的动力吸振器。

3压电悬臂梁的计算机仿真分析
3.1建立压电悬臂梁有限元模型
本文模型已在UG中建立完成，在导入模型后进行有限元分析，其中划分网格的意义就是将一直结构体划分为有限个单元体，通过对每一个单元体的计算得出结果。

（实验参数不详细列举）
图5 压电悬臂梁模型图
3.2模态分析
在工程测试领域，模态分析通常用来检测结构体的固有频率以及在每一阶固有频率下的结构振型等参数。

模态是机械结构体固有特性，只与结构体的材料、尺寸形态、约束条件等有关，与外力，电、磁场等外界输入条件无关。

本文模态分析的目的主要为：检测结构体的固有频率来确定共振频率，对实验结论进行有效比对等作用。

本文选取以下为有无压电片情况下的前4、5阶振型图做比较案
例：
图6 无压电片情况下的前4、5阶振型图
图7 有压电片情况下的前4、5阶振型图
从图6与图7比较中可以分析出，在外界环境保持不变的情况下，贴有压电
片的梁的振动固有频率明显增加，主振型的振幅明显减小，说明压电材料在一定
程度上说的也起到了减振作用。

4压电悬臂梁的实验研究
本实验要使用的压电元件是压电陶瓷PZT-4，将压电陶瓷片粘贴到部分悬臂
梁表面（覆盖率为50%），通过压电陶瓷将悬臂梁机械振动能转化为电能，最后
通过热能的形式散发出去。

压电智能悬臂梁实验模型示意图，如图8，图9所示。

图8压电智能悬臂梁示意图图9压电
分流阻尼系统的分析模型
4.1实验模型和设备
本文的压电分支振动实验使用了一个200x20x4mm的悬臂铝梁，选用的压电
材料为PZT-4。

实验模型如图10所示。

信号拾取部分包括：一台ZZF6-ⅡD型电
涡流式数显位移振幅测量仪、一台LMS动态信号采集装置，一台笔记本电脑等。

图10压电悬臂梁试验模型
4.2测试模型和实验结果
实验的测试内容为压电梁的前几阶固有频率与共振时的幅值。

主要取试验对象为铝梁、压电梁连接RL电路两个实验。

图11无压电片悬臂梁幅频特性图图12 压电梁连接RL电路各阶总位移图
实验选用扫频法，实验测得梁的第一阶固有频率为78.20HZ、贴有压电片后频率为103 HZ。

从以上数据可明显看出，RL电路的减振效果比不带电路的减振效果明显，这是因为压电陶瓷将部分机械能转化为了电能，通过电阻散热将部分电能消耗。

压电悬臂梁在连接RL分支电路后，第一阶共振频率的位移幅值有大幅度降低，是因为当电路的谐振频率和机械系统的频率相同时，谐振电路和机械系统形成了类似机械系统中的动力吸振器。

5结论
压电材料是航空、航天和机器人控制等多项领域的着重探究的方向，其中压电元件起到的减振的作用已是不可取代的。

本文选取悬臂梁作为研究对象，采用
PZT压电陶瓷作为执行器对悬臂梁的振动进行被动控制，在理论数学建模与实际
实验相比较的情况下，验证了基于压电元件对悬臂梁振动的被动控制的效果。

在已知悬臂梁参数的情况下，以Ansys为基础软件进行了有限元分析，分析
结果以第一阶固有频率为例，悬臂梁的固有频率为83Hz。

在贴有压电片的状态下，压电悬臂梁的固有频率达到103Hz。

在粘有压电片前后频率发生了明显的变化，
先不考虑刚度的因素对悬臂梁的影响，耦合电路确实降低了振动振幅，而实验结
果与计算机仿真结果相同，证明压电元件对悬臂梁振动的控制效果有效。

参考文献
1.季宏丽, 裘进浩, 赵永春, 朱孔军. 基于压电元件的半主动振动控制的研究. 南京
航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室, 振动工程学报, 2008年05期
2.何丽丽. 压电智能结构振动主动控制研究: [硕士学位论文]. 河北:河北工程大学, 2009
3.刘莹. 基于压电元件的被动振动控制的优化设计与实现: [硕士学位论文]. 南京:南
京理工大学, 2006。