平板上多通道慣性吸振器寬頻主動吸振測量

劉孝斌，王 震，張 偉

(1.中國船舶科學研究中心,船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫 214082；2.中國船舶科學研究中心,新型船舶研究室，江蘇 無錫 214082)

平板上多通道慣性吸振器寬頻主動吸振測量

劉孝斌1，王 震1，張 偉2

(1.中國船舶科學研究中心,船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫 214082；2.中國船舶科學研究中心,新型船舶研究室，江蘇 無錫 214082)

慣性吸振器在主動控制領域成為一個熱點。其利用電磁效應產生輸出力來主動控制目標物體振動，具有響應快，輸出力不太大的特點，適用于輕薄材料的振動控制。實際應用中物體振動具有多源特點以及振動分布范圍大，需要多個慣性吸振器同時作用產生面體范圍內的控制效果，本試驗中四個慣性吸振器布放于平板實施分布式控制，控制頻率范圍為20 Hz～120 Hz覆蓋了平板的前二階共振頻率。慣性吸振器采用速度反饋控制算法對目標點的振動實施控制，速度反饋意味著主動阻尼效果，共振峰位置處控制效果明顯。

振動與波；主動控制；慣性吸振器；速度反饋；寬頻

潛艇聲隱身技術要求的提高，使得關注重點越來越多地從被動控制領域轉移到主動控制領域[2]。民用領域隨著輕薄復合材料大量應用于飛機以及汽車，振動噪聲的問題更為突出，這與乘客對聲品質要求提高相矛盾，主動控制有了迫切的現實需要。Nelson與Elliott領導的小組對電磁型作動器在吸振和隔振方面應用進行了一些研究[3，4]，得到了大量的理論結果和試驗數據。Rohlfing[5]使用慣性吸振器分布式控制三明治式結構板，該結構的吻合頻率低于各向同性板，可以通過主動控制方式使得其輻射低于各向同性板。

國內哈爾濱工程大學王佳靜[6]利用電磁效應設計了一套主動吸振系統，其主動吸振器是在激振器外圍擴展附件，在試驗臺架上進行了動態特性測試，然而缺少對相關控制機理的分析。劉孝斌等[7]使用阻抗方法建立了多個吸振器分布式反饋控制簡支平板的振動模型，通過數值模擬揭示了速度反饋控制方式的“模態控制”和“主動阻尼”的機理，宋港等[8]理論研究了主動式自調諧吸振器在浮筏隔振系統中的應用，采用總功率流最小化控制策略，驗證多頻激勵作用下主動式自調諧吸振器的減振效果。基于電磁效應作動器的研究除了吸振還有隔振方面，李小萍[9]基于音圈電機進行了主動隔振研究，提出了一套音圈電機應用到主動隔振的應用方案。賈鵬霄等[10]基于音圈電機進行雙層隔振系統模糊前饋—反饋控制研究，提出了一套以音圈電機為主動元件隔振器為被動元件的系統。

文中首先對控制系統各個部件的參數進行了測量分析以及說明，第二部分對平板振動進行了模態分析，第三部分進行了多通道慣性吸振器主動控制試驗，在不通電情況也就是不實施速度反饋控制時，共振峰向低頻偏移；在通電情況下實施速度反饋控制時，共振峰得到了明顯的控制效果。

1 試驗描述

主動控制試驗是一個綜合性系統試驗，如圖1所示需要傳感器、數字信號控制器、功放系統、作動器的系統工作產生主動控制效果。

圖1 反饋控制示意圖

吸振試驗平臺如圖2所示，試驗平臺總重量為150 kg，振動平板有效尺寸為300 mm×400 mm，其厚度為1 mm。

圖2 主動吸振試驗平臺

信號采集系統以及信號源系統為BK Pulse-Lan Xi系統，加速度傳感器為電荷型加速度計BK 4383 V，電荷放大器為BK 2692，匹配次級力的四臺功率放大器為YE 5872A，匹配主級力的功率放大器為BK 2720，主級力輸出力的力傳感器為PCB 208 C 03，掃描平板振動的激光測振儀為OFV-505，所用的測振儀控制器為OFV-5000。

次級力采用的作動器是主動控制的執行機構，其由線圈、永磁體、彈簧以及附件組成，如圖3所示，通電線圈在磁場中受到電磁力與彈性力和慣性力耦合輸出作用力，作動器各個組件的參數見表1，主級力作動器采取與次級力相同，輸出峰值力為100 N。

在教師的組織引導下，由每個合作小組的組長根據學習任務單上教師給出的一系列問題組織成員邊練習邊思考邊解決問題，有針對性地“兵教兵”、“兵練兵”，在大量的練習中靈活掌握技術，認識同學間相互合作配合的重要性，從而為展示做好準備。

圖3 慣性吸振器

表1 作動器各項參數

數字信號控制器選用的是TI公司的TMS 320F 2812處理芯片，有6通道的16 bit的AD轉換口，轉換時間為3.1 us，輸入范圍為(-10 v，10 v)，有4通道16bit的DA轉換口，轉換時間為10 us，輸出范圍為(-10 v，10 v)，滿足該試驗中振動主動控制的要求。輸入電壓絕對值不能小于0.5 V，輸出電壓絕對值不能小于10 mV，否則I/O系統不能有效輸入輸出。

激振機激勵平板振動，加速度計采集得到的振動信號經三相接頭，一通道直接接入采集儀，另一通道接入數字信號控制器進行積分運算得到速度信號后接入采集儀，加速度計采集得到加速度信號與控制器處理得到的速度信號進行比較，加速度信號與速度信號的理想相位差是測量它們的相位差，計算得到數字信號控制器處理數據的時間延遲。

表2為數字信號控制器四輸入四輸出時測量各頻率相位差和時間延遲。四通道時間延遲大約為0.5 ms，由處理器延遲導致。相位差使得高頻實時反饋得不到控制效果，本試驗的主動控制限于低頻20 Hz～120 Hz范圍內。

表2 四通道各個頻率相位差和時間延遲表

2 試驗平板模態分析

理論計算分析簡支邊界條件下平板模態函數,前三階共振頻率為f=42 Hz，f=88 Hz，f=124 Hz。

前文所述振動平板的有效尺寸為300 mm×400 mm，(150 mm，350 mm)點的主級力激勵平板振動，加速度計和激光測振儀測量平板的振動響應測點x方向間距37.5 mm，測點y方向間距50 mm，測點數量為49個。圖4曲線為平板上所有測點的振動響應平均，振動響應曲線對應的峰值點f=46 Hz，f=97 Hz，f=128 Hz，與計算分析得到的共振頻率基本吻合，前兩階共振頻率位于試驗測量頻率20 Hz～120 Hz范圍內。

圖4 主級力位于側邊位置時頻響曲線

3 主動控制試驗

試驗如圖5所示，次級力布放于(75 mm，100 mm)(75 mm，300 mm)(225 mm，100 mm)(225 mm，300 mm)位置處，主級力布放于(150 mm，350 mm)位置處。速度反饋監測用加速度計粘貼于平板背面，對應次級力布放位置，主動控制的目標函數是控制次級力位置點處的振動速度。

圖5 試驗實景圖

測量平板的振動，包括次級力位置的加速度計和激光測振儀掃描，測量工況分為兩種，一是吸振器布放于平板之上，不實施速度反饋控制，吸振器是彈簧和質量塊組成的單自由度振動系統，其質量效應和彈性效應會對平板的受迫振動有抑制作用，達到被動控制效果；二是吸振器布放于平板之上，通電實施速度反饋控制，吸振器輸出力抵消平板的振動達到主動控制效果。

圖6中實線為振動平板的頻響曲線，虛線為吸振器布放于平板不實施反饋控制的頻響曲線，共振峰向低頻位置偏移，是由于附加質量使得共振頻率向低頻偏移。平板質量為326 g，四個吸振器的永磁體質量為552 g，外加動圈、彈簧以及附加板的質量，吸振器質量大約兩倍于平板質量，虛線的響應值要明顯低于實線。

圖6 整個平板被動控制示意圖

圖7為主動控制試驗測量流程圖，上半部分為主級力產生擾動，下半部分為次級力控制擾動。圖8中實線為吸振器布放于平板不實施反饋控制的頻響曲線，虛線為吸振器實施反饋控制的頻響曲線，反饋系數為3，控制效果在共振峰位置處明顯，驗證了速度反饋控制位主動阻尼效果。頻率f=46 Hz位置處控制效果有2 dB，頻率f=97 Hz位置處控制效果有5 dB。控制效果在低于30 Hz和高于120 Hz頻率出現了相反效果，低于30 Hz頻率吸振器的傳遞函數相位為180度，出現了振動增強效果，通過高通濾波可以有效降低低頻響應，高于120 Hz頻率開始出現反效果，數字信號處理器的時間延遲帶來的相位差使得控制效果變壞以致相反，需要在以后的研究中進一步改進時間延遲問題，試驗中的數字信號控制器適用于120 Hz之內的低頻范圍。劉孝斌等[7]論述了分布式控制中模態控制的特點，四個慣性吸振器可以有效控制大部分模態，低頻區的模態峰可以基本控制，滿足主動控制中低頻控制的要求。

4 結語

通過作動器元器件設計、數字信號控制器控制算法的編寫以及匹配的功率放大器和傳感器的選取，各個系統組件連接起來成為主動控制系統，主動吸振試驗驗證了四個吸振器可以對整個平板的低階模態實施全局控制，起到了主動阻尼效果，在共振峰位置處控制效果明顯，對于低頻振動控制具有良好的應用前景。

圖7 為主動控制試驗測量流程圖

圖8 整個平板主動控制示意圖

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[6]王佳靜.慣性式主動吸振系統設計及其特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學.2009.

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[8]宋港，陳衛東.主動式自調諧吸振器在浮筏隔振系統中的應用[J].噪聲與振動控制，2012(3)：49-54.

[9]李小萍.基于音圈電機的主動隔振技術研究[D].合肥：合肥工業大學.2008.

[10]賈鵬霄，劉文定，闞江明.基于音圈電機的雙層隔振系統模糊前饋—反饋控制研究[C].北京：Proceedings of the 29thChinese Control Conference.2010.2068-2074.

圖15 渦輪端軸承與轉軸表面劃痕

3 結語

（1）試驗呈現了軸向碰磨與徑向碰磨，工頻引起的碰磨與低頻引起的碰磨的典型軸心軌跡及頻譜特征，為碰磨故障的識別與碰磨故障診斷系統的建立提供了試驗依據；

（2）從軸心軌跡、頻譜圖及伯德圖上分析了軸向碰磨與徑向碰磨的區別；

（3）由于第一次碰磨是由于低頻振蕩發展產生的，所以在軸承與轉子的設計與升速試驗中必須采用有效措施抑制或消除低頻振動現象的發生，防止碰磨的發生與設備的損壞。

參考文獻：

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ActiveAbsorption Measurement of Panels Using Multichannel InertialAbsorbers in Wideband Frequencies

LIU Xiao-bin1,WANG Zhen1,ZHANG Wei2
(1.National Key Laboratory of Ship Vibration&Noise,China Ship Science Research Center, Wuxi 214082,Jiangsu China; 2.New Type Ship Research Department,China Ship Science Research Center, Wuxi 214082,Jiangsu China)

Inertial absorber research is becoming a hot research concentration in the area of active control.In inertial absorbers,electric-magnetic effect is employed to generate the output force to control the objective body vibration actively. These absorbers have the advantage of fast response and medium output force,and are suitable for the vibration control of flexible and light material components and thin structures.In reality,the objective body vibration has the characteristics of multiple sources and wide distribution.Thus,multiple inertial absorbers are needed to achieve a good global control effect. In this test,four inertial absorbers were distributed on a panel to implement vibration control in the frequency range between 20 Hz and 120 Hz which covers the first two resonance frequencies of the panel.The velocity feedback control algorithm of the active damping was adopted to implement the control.The effect of the control was found to be significant at the resonance frequencies.

vibration and wave;active control;inertial absorber;velocity feedback;wideband frequency

TB535.1

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.02.047

1006-1355(2015)02-0213-04

2014－06－25

劉孝斌（1984－），男，山東濰坊人，碩士，主要研究方向：振動與噪聲的控制。E-mail:liuxbin@aliyun.com

王震（1990－），男，碩士，主要研究方向：振動主動控制與信號處理。