淺談壓電材料在振動主動控制中的應用

杜洋

摘 要：近些年來，隨著科學技術的發(fā)展，人們對機械制造的要求越來越高，希望能夠采用更加精確的加工實現(xiàn)更高的安全性、舒適度等要求。振動在大多數(shù)情況下都是不利于機械使用的，比如對于車輛工程，在路況不好或發(fā)動機振動幅度大時，對乘客的舒適性就有一定影響；對于機械工程來說，機械系統(tǒng)振動幅度大會降低機械對元件制造精度的控制。因此必須進行振動控制。振動控制屬于振動工程領域，分為主動控制和被動控制兩類。被動控制屬于反饋控制，結構簡單、易于實現(xiàn)，但是對于控制的效果和適應性較差；而主動控制不同，具有控制效果好、環(huán)境適應能力強等特點，彌補了被動控制的不足。對此，文章將對壓電材料在振動主動控制中的應用進行探討與研究。

關鍵詞：壓電材料；振動主動控制；應用研究

1 壓電材料的分類與特點

壓電材料指的是具有壓電效應的材料。根據(jù)材料種類進行分類可分為無機壓電材料、有機壓電材料和復合壓電材料三種，無機壓電材料還可細分為壓電晶體和壓電陶瓷。

壓電晶體一般指的是壓電單晶體，即按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體，由于結構無對稱中心而具有壓電性。比如石英、鎵酸鋰、鍺酸鋰等，都是壓電單晶體。目前投入使用的壓電單晶體主要為非鐵電性壓電晶體石英，石英晶體具有機械品質因數(shù)高、頻率溫度系數(shù)小的特點；其次即為鐵電性壓電晶體鈮酸鋰和鉭酸鋰，它們的機電耦合系數(shù)大，且可在高溫環(huán)境下使用。

壓電陶瓷指的是用幾種必須原料混合、高溫煉制而成，由粉粒間的固相反應和燒結過程得到的微細晶粒無規(guī)則集合而成的多晶體。在上世紀50年代發(fā)明的鋯鈦酸鉛（化學式，可簡稱為PZT）是至今使用最為廣泛的壓電陶瓷材料。和壓電單晶體對比不難發(fā)現(xiàn)，壓電陶瓷的壓電性強、介電常數(shù)高，加工成的形狀也比較多樣化。但同時也具有機械品質因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差等不足之處，以內更適用于大功率換能器和寬帶濾波器等應用。

有機壓電材料又稱為壓電聚合物，以聚偏氟乙烯（PVDF）（薄膜）為典型代表。這類壓電材料的特點是材質柔韌、低密度、低阻抗、高壓電電壓常數(shù)。近些年有機壓電材料發(fā)展迅速，在壓力傳感。引燃引爆等領域均有所建樹。

第三種復合壓電材料是由多種材料復合而成。壓電復合材料兼具備無機壓電材料和有機壓電材料的優(yōu)勢，克服了難以加工成形的不足，更具有密度小、聲速低的特點，易和空氣、水及生物組織實現(xiàn)聲抗阻匹配。除此之外，壓電復合材料還能夠具有上述材料未擁有的性能，比如無自發(fā)極化的壓電材料與另外一種材料復合之后可具有熱釋電效應；普通壓電材料與磁滯伸縮材料復合可具有磁電效應等。

2 壓電材料在振動主動控制領域中的應用

2.1 壓電材料在航空航天領域中的應用

智能材料在航空航天領域的應用是非常關鍵的。以飛機為例，其結構中類似客艙、通訊天線、直升機旋翼這些結構在使用時均會產生振動，振動波動較大時還會對飛機上的精密設備造成一定損傷，因此壓電材料對控制航空航天領域中的結構振動來說是非常必要的。

壓電陶瓷材料具有質量輕、耗能低等特點，被普遍應用于SMS上，這是振動控制一個很重要的分支。有學者在對抑制振動的研究中曾建立了一個薄壁殼試驗系統(tǒng)，壓電傳感器通過對振動信號和聲控液位計的檢測達到控制振動的最終效果，如圖1所示。

由圖1可以看出，壓電陶瓷驅動器作為放大振動的外殼，會產生輻射噪音，通過電荷放大器、濾波器、A/D轉換器和模擬信號轉換器發(fā)送到功率放大器，激勵壓電陶瓷驅動器的模態(tài)，增加阻力，從而可以達到消除噪音振動的效果。

2.2 壓電材料在土木結構工程中的應用

現(xiàn)今利用壓電材料制作成壓電傳感器進行結構的振動主動控制，無論是在理論研究還是實驗方面均已取得了一定成果。壓電堆技術的飛速發(fā)展，為振動主動控制的研究開辟了新道路。在土木結構工程的靜變形控制能、噪聲控制、安全評定、自適應修復等領域，都存在使用壓電材料對其進行控制的例子。比如通過采用壓電傳感器對結構振動引起的振動進行實時監(jiān)測，并可在線讀取工程結構的信息；或者是使用壓電堆技術對建筑工程進行主動控制。對于大型土木結構工程來說，壓電材料驅動力小的問題仍然有待解決，對壓電堆技術的研究尚處于試驗階段，如直接投入使用還存在許多問題。

2.3 壓電材料在機械制造領域中的應用

對于機械制造領域中的振動主動控制研究，主要集中在對精密儀器的主動隔振上，其目的是提高機械設備的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)機械受其動能影響，設備在使用過程中會存在很大噪音，振動幅度和振動頻率更是隨著使用時長逐漸增加，降低了機械設備的使用壽命。壓電材料可以在機械制造時作為傳感器元件，利用壓電材料具有的壓電效應，根據(jù)傳感器檢測到的外界環(huán)境的變化并主動作出反應，以此對機械設備的振動進行主動控制，提高機械設備的工作效率和使用年限。

2.4 壓電材料在車輛工程領域中的應用

壓電材料在車輛工程領域中的應用主要體現(xiàn)在對汽車減振器的改造。目前許多高級汽車在路況不好的地區(qū)行駛時仍能保持較小的顛簸幅度，保證車內人員的舒適性，這是由于對車輛減振裝置進行了改造。利用壓電陶瓷材料的正、逆壓電效應和電致伸縮效應，使減振器能夠自動識別路況并作出實時調控，將車輛由于路面顛簸不平造成的影響降到最低。

在車輛進行緊急制動或低速行駛時，制動片與汽車轉子相摩擦會產生較大振動，并伴有刺耳的噪聲，長期以往對制動片的磨損會非常大。新技術的發(fā)展可以利用壓電陶瓷材料，在車輛制動器活塞中安裝制動器，在原制動器內部提供一種反向振動，中和將對噪音有相當程度的抑制作用。此裝置簡易實用，是一種及其常見的振動控制。

3 結束語

振動控制技術經(jīng)歷了若干年的研究，目前已經(jīng)有所建樹。現(xiàn)如今壓電材料在國防工業(yè)、土木工程、機械制造等工程領域，都起到了各種各樣的作用，其帶來的社會效益和經(jīng)濟效益無疑是巨大的。但仍存在著一些問題，主要體現(xiàn)在對壓電材料性能的提升，以及對壓電傳感器形狀和位置的研究上，這是影響減振效果的兩個主要因素。不同的壓電材料以及傳感器的位置形態(tài)，控制效果也是不一樣的，需要對其進行更為深入的研究。對于振動的主動控制和被動控制各有所長，未來對于振動控制技術的研究，應各取所長，形成主動、被動相結合的綜合性控制技術，以滿足航空航天、軍事裝備領域對于振動控制精度方面的要求。

總之，壓電材料和智能機械相輔相成，加強對壓電材料的研究力度，使其更好地為人類服務，實現(xiàn)我國的強國戰(zhàn)略是我們的最終目標。

參考文獻

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