基于压电片的水中结构声辐射主动控制模拟研究

作     者：王龙冠 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黎胜

授予年度：2006年

学科分类：082403[工学-水声工程] 08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：压电片 主动控制 声辐射 速度负反馈 流固耦合 

摘      要：智能结构应用在结构振动声辐射控制领域内，是当前的研究热点问题，在大空间结构适应复杂环境的运行中己得到应用，而水下结构声辐射的主动控制研究，具有重要的理论意义和应用前景。基于数值模拟对舰船结构进行振动噪声的设计控制，能使舰船结构具有良好的动态特性，满足舰船低振动、低噪声的设计要求，而对水下结构振动声辐射主动控制的深入研究，应能够很好的解决舰船结构的振动噪声问题。压电材料作为一种新型的智能材料，以其良好的机电耦合特性，在结构振动声辐射的主动控制领域得到了广泛应用。 本文首先介绍了压电材料的基本特性，给出了压电材料的本构方程，以及压电材料在结构振动声辐射主动控制中的应用。其次将无界静止流域中结构表面声压的积分方程，采用边界元方法进行离散，并与结构有限元相耦合，得到了流体—结构耦合自由振动方程。然后根据Hamilton原理，基于Mindlin板弯曲理论，建立了含压电片结构的二维有限元分析模型，同时也给出了压电片作为传感器的传感方程和作为作动器的作动方程，另外，根据压电材料的机电耦合特性，推导出了压电作动器的驱动电压到梁位移响应的频响函数，得出了压电片的最佳布置位置在梁的最大应变处。再将有限元方程同基于Rayleigh积分的边界元方程相结合，采用速度负反馈控制方法，建立了水下含压电片结构的声辐射主动控制模型。最后，通过数值模拟，对压电片位置进行改变，讨论了在空气中和水中对结构声辐射的控制效果影响，得出空气中压电片应布置在结构应变最大处，在水中的布置位置与空气中并不相对应，讨论了控制增益和作动电压的关系，改变控制增益可以改变控制效果，但应在一定范围内选取，使得作动电压不得超过压电片的最大可承受电压。另外，针对同一板模型，通过分别使用压电片和压电层对结构声辐射的控制效果对比，得出使用压电片的控制效果要好于使用压电层，并且在结构表面布置压电片对结构固有频率的影响要远远小于压电层对结构固有频率的影响，因此，压电片的实际应用价值更高。