淺談壓電智能材料在結構減振控制中的應用

鄧尚久

（湖北建藝風工程設計有限公司， 湖北 荊州 434000）

0 引言

壓電材料是一種新型的智能材料，它具有正、逆壓電效應，即在受到外界荷載激勵時會在材料表面會形成正負相反的電荷，電荷量的大小與外界施加激勵成正比，當外界激勵消失時，材料又處于不帶電狀態。基于壓電材料獨特的正逆壓電效應，將其作為傳感器與作動器，直接布置在結構表面進行振動控制，縮減了振動控制時的中間環節，從而大幅提高控制效率。

1 壓電材料的分類及特點

從壓電材料被發現以來，其種類也得到了極大地豐富。目前主要包括壓電陶瓷、壓電單晶、壓電聚合物、壓電纖維復合材料等。其中壓電陶瓷與壓電纖維復合材料作為兩種重要的智能控制材料在振動控制中得到了越來越多的應用。

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，1954 年B·Jaffe 等人發現了具有良好的壓電性能鋯鈦酸鉛固溶體（PZT），由于其加工方便、價格低廉、靈敏度高、響應速度快等優點的被廣泛的應用于大功率換能器、寬帶濾波器和各類壓電傳感器[1]。目前國內外利用壓電陶瓷（PZT）進行減振控制方面的研究也已取得較為豐富的成果[2-3.]。

壓電纖維復合材料是1996 年由美國國家航空在基于復合材料的原理制作而成，因其壓電性能好，柔韌性高被廣泛地應用于結構振動控制、結構健康監測等領域。Fiore 和Daniel 等將壓電纖維復合材料用于單層和雙層復合材料板的振動主動控制模擬實驗上，結果表明壓電纖維復合材料對結構振動有較明顯的減振效果；Agrawal 和Brij 等利用壓電纖維復合材料的壓電效應，對船體的彎曲振動進行了主動控制，結果表明，壓電復合材料能較好的減小船體的彎曲振動。

2 壓電材料基本工作原理及壓電方程

在利用壓電材料進行結構的振動控制時，基于壓電材料的正逆壓電效應，其即可以作為傳感器，同時也是作動器。利用壓電材料的正壓電效應可以將機械能轉化為電能，從而將結構的振動信息轉化為可識別的電信號。控制器根據反饋的電信號，結合控制算法計算出所需的控制電壓，再將給壓電材料施加電場，基于壓電材料的逆壓電效應使得材料產生變形，從而抑制結構的振動，實現結構的減振控制。

壓電材料的用途與使用的環境不同，會造成壓電材料的機械邊界條件和電學邊界條件發生變化。

第一類壓電方程

第二類壓電方程

第三類壓電方程

第四類壓電方程

在結構振動控制中主要是通過第一、二類壓電方程相結合的方法來進行理論分析。

3 基于壓電材料的減振控制方法

由于壓電智能材料優良的壓電效應，使其具有優良傳感特性的同時也具備十分突出的驅動特性，結合相應的控制策略，可以實現結構的在外界荷載作用下的減振降噪。依據結構振動控制中是否存在外界能量輸入，可以將結構振動控制大體分為被動控制、主動控制、半主動控制三類。

壓電被動控制，是將壓電材料植入被控結構內部。在結構受外界荷載作用發生變形時，壓電材料利用其正壓電效應，感受結構產生的應變，并將結構振動時的機械能轉變為電能，通過外部電路將能量輸送出去，以此來耗散或吸收由于結構振動產生的機械能[4]。

壓電主動振動控制，是利用壓電材料的正逆壓電效應，將布置在結構內部或者表面的壓電智能材料作為被控結構的傳感器和作動器。當結構在外界荷載作用下發生振動變形時，傳感將振動信號轉化為電壓信號。電壓信號通過控制器產生控制信號，控制信號再經功率放大器作用于作動器，由作動器發生變形產生控制力，將電能轉化為機械能，從而實現對結構的振動控制。

壓電半主動控制是在壓電主動振動控制和壓電被動振動控制的基礎上演變而來。該控制方法中的能量供給，不再是直接將能量輸入到作動器，產生控制力，而是將能量用于半主動控制的回路中，通過改變置于被控構件內部壓電元件的參數，以改變系統的剛度、阻尼、慣性等結構參數，從而實現結構振動控制的目的。

4 結論

由上述的介紹可知，壓電智能材料由于其良好的傳感驅動特性在機械、航空航天中取得了豐碩的研究成果，同時其良好耐用性與高效性在結構振動控制領域也是一個新興的研究熱點，尤其是壓電纖維復合材料（MFC）。