平板上多通道慣性吸振器寬頻主動(dòng)吸振測(cè)量

劉孝斌，王 震，張 偉

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,新型船舶研究室，江蘇 無(wú)錫 214082)

平板上多通道慣性吸振器寬頻主動(dòng)吸振測(cè)量

劉孝斌1，王 震1，張 偉2

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,新型船舶研究室，江蘇 無(wú)錫 214082)

慣性吸振器在主動(dòng)控制領(lǐng)域成為一個(gè)熱點(diǎn)。其利用電磁效應(yīng)產(chǎn)生輸出力來(lái)主動(dòng)控制目標(biāo)物體振動(dòng)，具有響應(yīng)快，輸出力不太大的特點(diǎn)，適用于輕薄材料的振動(dòng)控制。實(shí)際應(yīng)用中物體振動(dòng)具有多源特點(diǎn)以及振動(dòng)分布范圍大，需要多個(gè)慣性吸振器同時(shí)作用產(chǎn)生面體范圍內(nèi)的控制效果，本試驗(yàn)中四個(gè)慣性吸振器布放于平板實(shí)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(duì)目標(biāo)點(diǎn)的振動(dòng)實(shí)施控制，速度反饋意味著主動(dòng)阻尼效果，共振峰位置處控制效果明顯。

振動(dòng)與波；主動(dòng)控制；慣性吸振器；速度反饋；寬頻

潛艇聲隱身技術(shù)要求的提高，使得關(guān)注重點(diǎn)越來(lái)越多地從被動(dòng)控制領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到主動(dòng)控制領(lǐng)域[2]。民用領(lǐng)域隨著輕薄復(fù)合材料大量應(yīng)用于飛機(jī)以及汽車，振動(dòng)噪聲的問(wèn)題更為突出，這與乘客對(duì)聲品質(zhì)要求提高相矛盾，主動(dòng)控制有了迫切的現(xiàn)實(shí)需要。Nelson與Elliott領(lǐng)導(dǎo)的小組對(duì)電磁型作動(dòng)器在吸振和隔振方面應(yīng)用進(jìn)行了一些研究[3，4]，得到了大量的理論結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。Rohlfing[5]使用慣性吸振器分布式控制三明治式結(jié)構(gòu)板，該結(jié)構(gòu)的吻合頻率低于各向同性板，可以通過(guò)主動(dòng)控制方式使得其輻射低于各向同性板。

國(guó)內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)王佳靜[6]利用電磁效應(yīng)設(shè)計(jì)了一套主動(dòng)吸振系統(tǒng)，其主動(dòng)吸振器是在激振器外圍擴(kuò)展附件，在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，然而缺少對(duì)相關(guān)控制機(jī)理的分析。劉孝斌等[7]使用阻抗方法建立了多個(gè)吸振器分布式反饋控制簡(jiǎn)支平板的振動(dòng)模型，通過(guò)數(shù)值模擬揭示了速度反饋控制方式的“模態(tài)控制”和“主動(dòng)阻尼”的機(jī)理，宋港等[8]理論研究了主動(dòng)式自調(diào)諧吸振器在浮筏隔振系統(tǒng)中的應(yīng)用，采用總功率流最小化控制策略，驗(yàn)證多頻激勵(lì)作用下主動(dòng)式自調(diào)諧吸振器的減振效果。基于電磁效應(yīng)作動(dòng)器的研究除了吸振還有隔振方面，李小萍[9]基于音圈電機(jī)進(jìn)行了主動(dòng)隔振研究，提出了一套音圈電機(jī)應(yīng)用到主動(dòng)隔振的應(yīng)用方案。賈鵬霄等[10]基于音圈電機(jī)進(jìn)行雙層隔振系統(tǒng)模糊前饋—反饋控制研究，提出了一套以音圈電機(jī)為主動(dòng)元件隔振器為被動(dòng)元件的系統(tǒng)。

文中首先對(duì)控制系統(tǒng)各個(gè)部件的參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量分析以及說(shuō)明，第二部分對(duì)平板振動(dòng)進(jìn)行了模態(tài)分析，第三部分進(jìn)行了多通道慣性吸振器主動(dòng)控制試驗(yàn)，在不通電情況也就是不實(shí)施速度反饋控制時(shí)，共振峰向低頻偏移；在通電情況下實(shí)施速度反饋控制時(shí)，共振峰得到了明顯的控制效果。

1 試驗(yàn)描述

主動(dòng)控制試驗(yàn)是一個(gè)綜合性系統(tǒng)試驗(yàn)，如圖1所示需要傳感器、數(shù)字信號(hào)控制器、功放系統(tǒng)、作動(dòng)器的系統(tǒng)工作產(chǎn)生主動(dòng)控制效果。

圖1 反饋控制示意圖

吸振試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，試驗(yàn)平臺(tái)總重量為150 kg，振動(dòng)平板有效尺寸為300 mm×400 mm，其厚度為1 mm。

圖2 主動(dòng)吸振試驗(yàn)平臺(tái)

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

次級(jí)力采用的作動(dòng)器是主動(dòng)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(chǎng)中受到電磁力與彈性力和慣性力耦合輸出作用力，作動(dòng)器各個(gè)組件的參數(shù)見(jiàn)表1，主級(jí)力作動(dòng)器采取與次級(jí)力相同，輸出峰值力為100 N。

在教師的組織引導(dǎo)下，由每個(gè)合作小組的組長(zhǎng)根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)單上教師給出的一系列問(wèn)題組織成員邊練習(xí)邊思考邊解決問(wèn)題，有針對(duì)性地“兵教兵”、“兵練兵”，在大量的練習(xí)中靈活掌握技術(shù)，認(rèn)識(shí)同學(xué)間相互合作配合的重要性，從而為展示做好準(zhǔn)備。

圖3 慣性吸振器

表1 作動(dòng)器各項(xiàng)參數(shù)

數(shù)字信號(hào)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(zhuǎn)換口，轉(zhuǎn)換時(shí)間為3.1 us，輸入范圍為(-10 v，10 v)，有4通道16bit的DA轉(zhuǎn)換口，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10 us，輸出范圍為(-10 v，10 v)，滿足該試驗(yàn)中振動(dòng)主動(dòng)控制的要求。輸入電壓絕對(duì)值不能小于0.5 V，輸出電壓絕對(duì)值不能小于10 mV，否則I/O系統(tǒng)不能有效輸入輸出。

激振機(jī)激勵(lì)平板振動(dòng)，加速度計(jì)采集得到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)三相接頭，一通道直接接入采集儀，另一通道接入數(shù)字信號(hào)控制器進(jìn)行積分運(yùn)算得到速度信號(hào)后接入采集儀，加速度計(jì)采集得到加速度信號(hào)與控制器處理得到的速度信號(hào)進(jìn)行比較，加速度信號(hào)與速度信號(hào)的理想相位差是測(cè)量它們的相位差，計(jì)算得到數(shù)字信號(hào)控制器處理數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲。

表2為數(shù)字信號(hào)控制器四輸入四輸出時(shí)測(cè)量各頻率相位差和時(shí)間延遲。四通道時(shí)間延遲大約為0.5 ms，由處理器延遲導(dǎo)致。相位差使得高頻實(shí)時(shí)反饋得不到控制效果，本試驗(yàn)的主動(dòng)控制限于低頻20 Hz～120 Hz范圍內(nèi)。

表2 四通道各個(gè)頻率相位差和時(shí)間延遲表

2 試驗(yàn)平板模態(tài)分析

理論計(jì)算分析簡(jiǎn)支邊界條件下平板模態(tài)函數(shù),前三階共振頻率為f=42 Hz，f=88 Hz，f=124 Hz。

前文所述振動(dòng)平板的有效尺寸為300 mm×400 mm，(150 mm，350 mm)點(diǎn)的主級(jí)力激勵(lì)平板振動(dòng)，加速度計(jì)和激光測(cè)振儀測(cè)量平板的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)點(diǎn)x方向間距37.5 mm，測(cè)點(diǎn)y方向間距50 mm，測(cè)點(diǎn)數(shù)量為49個(gè)。圖4曲線為平板上所有測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)平均，振動(dòng)響應(yīng)曲線對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)f=46 Hz，f=97 Hz，f=128 Hz，與計(jì)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(yàn)測(cè)量頻率20 Hz～120 Hz范圍內(nèi)。

圖4 主級(jí)力位于側(cè)邊位置時(shí)頻響曲線

3 主動(dòng)控制試驗(yàn)

試驗(yàn)如圖5所示，次級(jí)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(jí)力布放于(150 mm，350 mm)位置處。速度反饋監(jiān)測(cè)用加速度計(jì)粘貼于平板背面，對(duì)應(yīng)次級(jí)力布放位置，主動(dòng)控制的目標(biāo)函數(shù)是控制次級(jí)力位置點(diǎn)處的振動(dòng)速度。

圖5 試驗(yàn)實(shí)景圖

測(cè)量平板的振動(dòng)，包括次級(jí)力位置的加速度計(jì)和激光測(cè)振儀掃描，測(cè)量工況分為兩種，一是吸振器布放于平板之上，不實(shí)施速度反饋控制，吸振器是彈簧和質(zhì)量塊組成的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，其質(zhì)量效應(yīng)和彈性效應(yīng)會(huì)對(duì)平板的受迫振動(dòng)有抑制作用，達(dá)到被動(dòng)控制效果；二是吸振器布放于平板之上，通電實(shí)施速度反饋控制，吸振器輸出力抵消平板的振動(dòng)達(dá)到主動(dòng)控制效果。

圖6中實(shí)線為振動(dòng)平板的頻響曲線，虛線為吸振器布放于平板不實(shí)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(zhì)量使得共振頻率向低頻偏移。平板質(zhì)量為326 g，四個(gè)吸振器的永磁體質(zhì)量為552 g，外加動(dòng)圈、彈簧以及附加板的質(zhì)量，吸振器質(zhì)量大約兩倍于平板質(zhì)量，虛線的響應(yīng)值要明顯低于實(shí)線。

圖6 整個(gè)平板被動(dòng)控制示意圖

圖7為主動(dòng)控制試驗(yàn)測(cè)量流程圖，上半部分為主級(jí)力產(chǎn)生擾動(dòng)，下半部分為次級(jí)力控制擾動(dòng)。圖8中實(shí)線為吸振器布放于平板不實(shí)施反饋控制的頻響曲線，虛線為吸振器實(shí)施反饋控制的頻響曲線，反饋系數(shù)為3，控制效果在共振峰位置處明顯，驗(yàn)證了速度反饋控制位主動(dòng)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?？刂菩Ч诘陀?0 Hz和高于120 Hz頻率出現(xiàn)了相反效果，低于30 Hz頻率吸振器的傳遞函數(shù)相位為180度，出現(xiàn)了振動(dòng)增強(qiáng)效果，通過(guò)高通濾波可以有效降低低頻響應(yīng)，高于120 Hz頻率開始出現(xiàn)反效果，數(shù)字信號(hào)處理器的時(shí)間延遲帶來(lái)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(jìn)一步改進(jìn)時(shí)間延遲問(wèn)題，試驗(yàn)中的數(shù)字信號(hào)控制器適用于120 Hz之內(nèi)的低頻范圍。劉孝斌等[7]論述了分布式控制中模態(tài)控制的特點(diǎn)，四個(gè)慣性吸振器可以有效控制大部分模態(tài)，低頻區(qū)的模態(tài)峰可以基本控制，滿足主動(dòng)控制中低頻控制的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)作動(dòng)器元器件設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)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(gè)系統(tǒng)組件連接起來(lái)成為主動(dòng)控制系統(tǒng)，主動(dòng)吸振試驗(yàn)驗(yàn)證了四個(gè)吸振器可以對(duì)整個(gè)平板的低階模態(tài)實(shí)施全局控制，起到了主動(dòng)阻尼效果，在共振峰位置處控制效果明顯，對(duì)于低頻振動(dòng)控制具有良好的應(yīng)用前景。

圖7 為主動(dòng)控制試驗(yàn)測(cè)量流程圖

圖8 整個(gè)平板主動(dòng)控制示意圖

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圖15 渦輪端軸承與轉(zhuǎn)軸表面劃痕

3 結(jié)語(yǔ)

（1）試驗(yàn)呈現(xiàn)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(shí)別與碰磨故障診斷系統(tǒng)的建立提供了試驗(yàn)依據(jù)；

（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(qū)別；

（3）由于第一次碰磨是由于低頻振蕩發(fā)展產(chǎn)生的，所以在軸承與轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與升速試驗(yàn)中必須采用有效措施抑制或消除低頻振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，防止碰磨的發(fā)生與設(shè)備的損壞。

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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(dòng)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(dòng)主動(dòng)控制與信號(hào)處理。