淺談壓電材料在振動(dòng)主動(dòng)控制中的應(yīng)用

杜洋

摘 要：近些年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械制造的要求越來(lái)越高，希望能夠采用更加精確的加工實(shí)現(xiàn)更高的安全性、舒適度等要求。振動(dòng)在大多數(shù)情況下都是不利于機(jī)械使用的，比如對(duì)于車(chē)輛工程，在路況不好或發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)幅度大時(shí)，對(duì)乘客的舒適性就有一定影響；對(duì)于機(jī)械工程來(lái)說(shuō)，機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)幅度大會(huì)降低機(jī)械對(duì)元件制造精度的控制。因此必須進(jìn)行振動(dòng)控制。振動(dòng)控制屬于振動(dòng)工程領(lǐng)域，分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩類(lèi)。被動(dòng)控制屬于反饋控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于控制的效果和適應(yīng)性較差；而主動(dòng)控制不同，具有控制效果好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了被動(dòng)控制的不足。對(duì)此，文章將對(duì)壓電材料在振動(dòng)主動(dòng)控制中的應(yīng)用進(jìn)行探討與研究。

關(guān)鍵詞：壓電材料；振動(dòng)主動(dòng)控制；應(yīng)用研究

1 壓電材料的分類(lèi)與特點(diǎn)

壓電材料指的是具有壓電效應(yīng)的材料。根據(jù)材料種類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)可分為無(wú)機(jī)壓電材料、有機(jī)壓電材料和復(fù)合壓電材料三種，無(wú)機(jī)壓電材料還可細(xì)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(diǎn)陣長(zhǎng)程有序生長(zhǎng)而成的晶體，由于結(jié)構(gòu)無(wú)對(duì)稱(chēng)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(jī)械品質(zhì)因數(shù)高、頻率溫度系數(shù)小的特點(diǎn)；其次即為鐵電性壓電晶體鈮酸鋰和鉭酸鋰，它們的機(jī)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?zé)捴贫?，由粉粒間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過(guò)程得到的微細(xì)晶粒無(wú)規(guī)則集合而成的多晶體。在上世紀(jì)50年代發(fā)明的鋯鈦酸鉛（化學(xué)式，可簡(jiǎn)稱(chēng)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(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，壓電陶瓷的壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高，加工成的形狀也比較多樣化。但同時(shí)也具有機(jī)械品質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差等不足之處，以?xún)?nèi)更適用于大功率換能器和寬帶濾波器等應(yīng)用。

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

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

2 壓電材料在振動(dòng)主動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 壓電材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

智能材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用是非常關(guān)鍵的。以飛機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)中類(lèi)似客艙、通訊天線(xiàn)、直升機(jī)旋翼這些結(jié)構(gòu)在使用時(shí)均會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)波動(dòng)較大時(shí)還會(huì)對(duì)飛機(jī)上的精密設(shè)備造成一定損傷，因此壓電材料對(duì)控制航空航天領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)來(lái)說(shuō)是非常必要的。

壓電陶瓷材料具有質(zhì)量輕、耗能低等特點(diǎn)，被普遍應(yīng)用于SMS上，這是振動(dòng)控制一個(gè)很重要的分支。有學(xué)者在對(duì)抑制振動(dòng)的研究中曾建立了一個(gè)薄壁殼試驗(yàn)系統(tǒng)，壓電傳感器通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)和聲控液位計(jì)的檢測(cè)達(dá)到控制振動(dòng)的最終效果，如圖1所示。

由圖1可以看出，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器作為放大振動(dòng)的外殼，會(huì)產(chǎn)生輻射噪音，通過(guò)電荷放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器發(fā)送到功率放大器，激勵(lì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的模態(tài)，增加阻力，從而可以達(dá)到消除噪音振動(dòng)的效果。

2.2 壓電材料在土木結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

現(xiàn)今利用壓電材料制作成壓電傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主動(dòng)控制，無(wú)論是在理論研究還是實(shí)驗(yàn)方面均已取得了一定成果。壓電堆技術(shù)的飛速發(fā)展，為振動(dòng)主動(dòng)控制的研究開(kāi)辟了新道路。在土木結(jié)構(gòu)工程的靜變形控制能、噪聲控制、安全評(píng)定、自適應(yīng)修復(fù)等領(lǐng)域，都存在使用壓電材料對(duì)其進(jìn)行控制的例子。比如通過(guò)采用壓電傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可在線(xiàn)讀取工程結(jié)構(gòu)的信息；或者是使用壓電堆技術(shù)對(duì)建筑工程進(jìn)行主動(dòng)控制。對(duì)于大型土木結(jié)構(gòu)工程來(lái)說(shuō)，壓電材料驅(qū)動(dòng)力小的問(wèn)題仍然有待解決，對(duì)壓電堆技術(shù)的研究尚處于試驗(yàn)階段，如直接投入使用還存在許多問(wèn)題。

2.3 壓電材料在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

對(duì)于機(jī)械制造領(lǐng)域中的振動(dòng)主動(dòng)控制研究，主要集中在對(duì)精密儀器的主動(dòng)隔振上，其目的是提高機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)機(jī)械受其動(dòng)能影響，設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)存在很大噪音，振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率更是隨著使用時(shí)長(zhǎng)逐漸增加，降低了機(jī)械設(shè)備的使用壽命。壓電材料可以在機(jī)械制造時(shí)作為傳感器元件，利用壓電材料具有的壓電效應(yīng)，根據(jù)傳感器檢測(cè)到的外界環(huán)境的變化并主動(dòng)作出反應(yīng)，以此對(duì)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制，提高機(jī)械設(shè)備的工作效率和使用年限。

2.4 壓電材料在車(chē)輛工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

壓電材料在車(chē)輛工程領(lǐng)域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在對(duì)汽車(chē)減振器的改造。目前許多高級(jí)汽車(chē)在路況不好的地區(qū)行駛時(shí)仍能保持較小的顛簸幅度，保證車(chē)內(nèi)人員的舒適性，這是由于對(duì)車(chē)輛減振裝置進(jìn)行了改造。利用壓電陶瓷材料的正、逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，使減振器能夠自動(dòng)識(shí)別路況并作出實(shí)時(shí)調(diào)控，將車(chē)輛由于路面顛簸不平造成的影響降到最低。

在車(chē)輛進(jìn)行緊急制動(dòng)或低速行駛時(shí)，制動(dòng)片與汽車(chē)轉(zhuǎn)子相摩擦?xí)a(chǎn)生較大振動(dòng)，并伴有刺耳的噪聲，長(zhǎng)期以往對(duì)制動(dòng)片的磨損會(huì)非常大。新技術(shù)的發(fā)展可以利用壓電陶瓷材料，在車(chē)輛制動(dòng)器活塞中安裝制動(dòng)器，在原制動(dòng)器內(nèi)部提供一種反向振動(dòng)，中和將對(duì)噪音有相當(dāng)程度的抑制作用。此裝置簡(jiǎn)易實(shí)用，是一種及其常見(jiàn)的振動(dòng)控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

振動(dòng)控制技術(shù)經(jīng)歷了若干年的研究，目前已經(jīng)有所建樹(shù)。現(xiàn)如今壓電材料在國(guó)防工業(yè)、土木工程、機(jī)械制造等工程領(lǐng)域，都起到了各種各樣的作用，其帶來(lái)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益無(wú)疑是巨大的。但仍存在著一些問(wèn)題，主要體現(xiàn)在對(duì)壓電材料性能的提升，以及對(duì)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(gè)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(duì)其進(jìn)行更為深入的研究。對(duì)于振動(dòng)的主動(dòng)控制和被動(dòng)控制各有所長(zhǎng)，未來(lái)對(duì)于振動(dòng)控制技術(shù)的研究，應(yīng)各取所長(zhǎng)，形成主動(dòng)、被動(dòng)相結(jié)合的綜合性控制技術(shù)，以滿(mǎn)足航空航天、軍事裝備領(lǐng)域?qū)τ谡駝?dòng)控制精度方面的要求。

總之，壓電材料和智能機(jī)械相輔相成，加強(qiáng)對(duì)壓電材料的研究力度，使其更好地為人類(lèi)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)的強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略是我們的最終目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]耿英，方勃，耿輝，等.壓電材料在振動(dòng)主動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2007（5）.

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