基于壓電分流型智能超材料的新能源汽車NVH控制研究

周慧琳 趙向陽 溫永美 王向陽

摘要：針對新能源汽車振動與噪聲問題，采用在板材上周期貼敷壓電片并連接分流電路的方法構建了智能超材料板。仿真結果表明，電阻分流電路可以有效抑制模態振動峰值;電感分流電路和電阻-電感分流電路都可以形成局域共振帶隙，帶隙內相應頻率振動可以得到有效抑制，且帶隙位置可方便的通過調節電感值實現。構建的智能超材料板具有附加質量低及智能化調節優點，可有效減輕新能源汽車車身振動。

Abstract： Aiming at the problem of vibration and noise of new energy vehicles， an intelligent metamaterial plate bonded periodically piezoelectric patches with shunting circuits is constructed. The simulation results show that the resistive shunting circuits can effectively suppress the modal vibration peaks;Both resistive shunting circuits and resistive-inductive shunting circuits can form a LR bandgap， the corresponding frequency vibration located in the bandgap can be effectively suppressed， and the bandgap position can be easily adjusted by the inductive value. The intelligent metamaterial plate has the advantages of low added mass and intelligent adjustment， which can effectively reduce the body vibration of new energy vehicles.

關鍵詞：壓電;智能;超材料;新能源汽車;NVH

Key words： piezoelectric;intelligence;metamaterials;new energy vehicles;NVH

中圖分類號：U463? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0046-03

0? 引言

《中國制造2025》提出“節能與新能源汽車”作為重點發展領域，明確了繼續支持電動汽車、燃料電池汽車發展。據統計，汽車整車約 1/3 的故障問題與 NVH （噪聲、振動與聲振粗糙度）特性有關。由此可見，分析解決汽車車身結構中的振動和噪聲問題是汽車研發的重要課題[1]。新能源汽車與傳統汽車NVH性能差異主要體現在：在結構上增加了諸多新的部件，相較于傳統汽車，其動力系統、制動系統、氣候控制系統等結構都有了很大的不同。同時由于背景噪聲的變化而凸顯的路噪、風噪及異響等問題也比傳統汽車表現明顯[2]。在節能環保的大背景下，車身結構趨于輕量化。輕質結構的質量輕、阻尼小、模態密度大，更易于在外部激勵下產生振動并輻射噪聲，給車身結構振動與噪聲的控制帶來新的挑戰。傳統的隔聲、減振以及吸聲等技術手段應用于輕質結構時，低頻效果往往不佳，同時附加質量和體積過大。近年來，智能超材料作為一種新型結構材料得到了廣泛的關注。這種新型結構材料主要由周期排列的人工結構單元組成，可實現對彈性波的調制，從而產生與天然材料所不同的超常物理性質，而其中的低頻帶隙特性，有望為輕質結構的振動噪聲控制提供新的技術途徑。基于周期壓電分流陣列的智能聲學超材料最具代表性。壓電分流具有輕質、靈活以及特性優良等特點，因此被視為一種很有潛力的振動和噪聲的控制技術。Hagood等人首先提出了含電阻-電感諧振分流電路的壓電陶瓷（PZT）分流結構，通過用“智能材料-分流電路”組成的振子結構取代機械振子，將機械能轉變為電能，可以實現類似于傳統動力吸振器的作用，從而在低附加質量的條件下實現局域共振帶隙。湖南大學的王剛、張曉東等以梁、板、薄膜等結構為對象，利用壓電分流技術，同時引入主動控制策略，提出了基于增強諧振壓電分流電路的智能超材料單元的新結構形式，明顯改善了智能超材料低頻帶隙的振動衰減特性。Airoldi等人則引入了多模態壓電諧振分流電路，通過電路的多模態諧振獲得了多個帶隙，在一定程度上拓寬了作用頻帶。但是，將壓電智能超材料應用于新能源汽車NVH控制的研究還相對較少[3-5]。

1? 模型建立

如圖1所示，一車身板件長寬都為Lb，上下面對應位置粘貼壓電片，且壓電片縱、橫向間距相等，形成正方形晶格。每個壓電片都以厚度方向極化，且與由電感、電阻等組成的分流電路相連。如果壓電片及分流參數相同，整個結構就可認為是由單個元胞形成的二維超材料板。單個元胞結構如圖2所示，其幾何和材料參數如表1和表2所示。

利用有限元軟件COMSOL進行仿真分析，建立的有限元模型如圖3所示。

2? 振動傳輸特性分析

如圖1所示，在板的一端A點處施加簡諧激勵，在另一端B點拾取響應，計算得到位移傳輸特性曲線。

2.1 電感分流電路

分流電路中只有電感，其可以和壓電片固有電容產生諧振，形成局域共振帶隙[1，6]。諧振頻率可按下式計算：

（1）

式中，ft為諧振頻率;L為分流電路中電感;Cp為壓電片固有電容，其值為96nF。

分流電路中電感分別取1.39H和0.26H，諧振頻率分別在435Hz和997Hz，計算得到振動位移傳輸特性曲線如圖4（a）、圖4（b）所示，其中實線代表沒有諧振（即電感為0）效果，虛線代表有電路諧振效果。

從圖4（a）可以看出，在409-463Hz范圍內形成一個衰減區域，即局域共振帶隙，在帶隙內相應頻率的振動得到了有效衰減。其帶寬為54Hz，帶隙內最大衰減達到91dB。同樣，在圖4（b）中也出現了局域共振帶隙，禁帶范圍為959-1023Hz，帶寬為65Hz，帶隙內最大衰減為58dB。

2.2 電阻分流電路

分流電路中只有電阻存在，其分流復阻抗為：Z=R。計算的傳輸特性曲線如圖5所示，因為分流電路中無電感不能形成諧振，故不會出現局域共振帶隙。但分流電路中的電阻具有阻尼耗散效果，在0-1500Hz通帶內都有一定的衰減效果，尤其在傳輸曲線的峰值處衰減程度最大，如在1085Hz，衰減達到了53dB。

2.3 電阻-電感分流電路

分流電路為一電阻和一電感串聯而成，電阻和電感具體取值見圖6所示。計算得到的傳輸特性曲線如圖6所示?？梢钥闯?，與圖5對比，電阻-電感分流電路同樣可以產生局域共振帶隙。分流電路中電阻對帶隙位置影響不明顯，但對局域共振帶隙的上、下邊界有較強的阻尼衰減效果，可以擴展帶隙的寬度;電阻會影響電路的諧振效果，使帶隙內部的最大衰減減小。

3? 結論

構建的壓電智能型超材料板可以有效抑制振動。電阻分流電路板在通帶內可以有效減小振動峰值，抑制模態振動。電感分流電路和電阻-電感分流電路都可以形成較寬的局域共振帶隙，在帶隙內相應頻率的振動都可以得到有效的衰減;兩者帶隙位置基本相同，但后者較前者帶隙的上下邊界有較強的阻尼衰減，從而擴展帶隙的寬度，但另一方面，電阻會抑制電路的諧振效果，使得帶隙內最大衰減變小。通過調節電感值，可方便實現局域共振帶隙位置的調整，能實現在預定頻率范圍的振動抑制。構建的超材料板具有附加質量低且能實現智能化調節的優點，可用于新能源汽車車身振動與噪聲控制。

參考文獻：

[1]陳圣兵.基于壓電分流陣列的帶隙調控及振動抑制[D].長沙：國防科學技術大學，2006：34-38.

[2]郁殿龍.基于聲子晶體理論的梁板類周期結構振動帶隙特性研究[D].長沙：國防科學技術大學，2006：26-28.

[3]陳圣兵，韓小云，郁殿龍，溫激鴻.不同分流電路對聲子晶體梁帶隙的影響[J].物理學報，2010，59（1）：387-392.

[4]沈禮，吳九匯，陳花玲.聲子晶體結構在汽車制動降噪中的理論研究及應用[J].應用力學學報，2010，27（2）：293-297.

[5]張思文，吳九匯.局域共振復合單元聲子晶體結構的低頻帶隙特性研究[J].物理學報，2013，62（13）：134-136.

[6]李鳳明，汪越勝.壓電周期結構振動主動控制研究[J].振動工程學報，2004，17：828-830.