一种基于压电声子晶体的主被动可控隔振装置制造方法及图纸

技术编号:15533596 阅读:190 留言:0更新日期:2017-06-04 22:17
本发明专利技术提供一种基于压电声子晶体的主被动可控隔振装置,包括连接底板、与连接底板固定连接的压电声子晶体隔振结构和加速度传感器、电端控制系统,所述压电声子晶体隔振结构是由压电材料散射体和被动材料基体交替排列而成的层状结构,每层压电材料散射体沿平行于振动的入射方向极化,且各层压电材料散射体按极化方向一致排列,每层压电材料散射体和被动材料基体之间设置有电极片,电极片接有电极引线。本发明专利技术不但可以实现中低频范围的振动控制,还能对隔振频率和隔振幅度进行调节,同时还可以实现高频范围的隔振效果,这使得该装置更适用于多工况条件下和低频范围的隔振场合。

A passive vibration isolation device based on piezoelectric phononic crystal

The invention provides a controllable passive piezoelectric phononic crystals based on the vibration isolation device, including the connection plate, and is connected with the bottom plate is fixedly connected with the piezoelectric phononic crystal structure and vibration acceleration sensor, electric control system, the piezoelectric phononic crystal isolation structure is layered structure consisting of piezoelectric material and scattering passive matrix material arranged in alternating layers of piezoelectric material, each polarization scattering along the incident direction parallel to the vibration, and the piezoelectric material according to the polarization direction of scatterers arranged between each piezoelectric material scatterers and passive material matrix is provided with electrodes, electrodes connected with the electrode lead. The vibration control of the invention not only can be achieved in the low frequency range can adjust on vibration frequency and vibration amplitude of the vibration isolation effect, but also can realize the high frequency range, which makes the device isolation occasions more suitable for many conditions and low frequency range.

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电声子晶体的主被动可控隔振装置
本专利技术涉及一种基于压电声子晶体的主被动可控隔振装置,属于振动控制、声子晶体材料等

技术介绍
隔振技术是当今振动控制研究领域的热点问题,其广泛应用于舰船设计、航空航天、精密制造与加工等领域,尤其是多工况和低频条件下的隔振技术更是振动控制领域亟待解决的问题。近年来,为突破传统隔振技术低频隔振的局限性,基于声子晶体带隙特性而衍生的隔振技术得到了广泛的关注,其表现出更多的优势,例如隔振频带宽、低频控制效果好以及无需锁死装置等。利用声子晶体的带隙特性进行振动控制的机理主要有两种,一种是利用局域共振型声子晶体中的局部共振带隙对中低频段的振动进行控制,但其局部共振带隙宽度窄,振动控制范围单一,使其在复杂工况条件下的隔振或隔声效果欠佳。另一种是利用Bragg型声子晶体中的Bragg带隙对高频段的振动进行控制,其带隙宽度较大,但其在小尺寸情况下难以实现低频段的隔振效果。目前,基于声子晶体的Bragg带隙和局部共振带隙特性而设计的隔振装置专利较多,但是都未能很好地解决被动声子晶体隔振的上述局限。为突破当前声子晶体隔振技术的局限性,压电类、压磁类等智能材料被引入到声子晶体的设计中来,并成为主动型声子晶体隔振技术的研究热点。主动型声子晶体隔振结构可利用对压电材料的主动激励控制实现对不同频率、不同幅度振动的控制,同时其具有控制精度高、响应速度快,无需锁死装置等优点,这使其在复杂振动环境下具有更明显的应用优势。许振龙等人(CN104251275A)和杜成斌等人(CN104389935A)都提出了基于磁流变弹性体声子晶体的可控隔振装置,利用磁流变弹性体阻尼、刚度的电可控性对声子晶体的Bragg带隙范围进行调节,进而扩大了装置的中低频隔振范围,但其低频(2kHz以下)隔振效果欠佳,并且所需周期较大,制作工艺较为复杂。目前,利用压电声子晶体的主被动混合方式来实现低频可控隔振,同时实现高频段隔振效果的专利专利技术还没有相关发表。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决复杂工况和低频条件下的隔振问题而提供一种基于压电声子晶体的主被动可控隔振装置。本专利技术的目的是这样实现的:包括连接底板、与连接底板固定连接的压电声子晶体隔振结构和加速度传感器、电端控制系统,所述压电声子晶体隔振结构是由压电材料散射体和被动材料基体交替排列而成的层状结构,每层压电材料散射体沿平行于振动的入射方向极化,且各层压电材料散射体按极化方向一致排列,每层压电材料散射体和被动材料基体之间设置有电极片,电极片接有电极引线。本专利技术还包括这样一些结构特征:1.电端控制系统还包括依次连接的电荷放大器、控制电路硬件系统、信号发生器以及功率放大器,电荷放大器还与加速度传感器连接,功率放大器与对应的电极引线连接。2.压电材料散射体的材料是压电类智能材料,被动材料基体的材料是树脂类聚合物材料。3.压电材料散射体和被动材料基体的横截面形状均是圆形或多边形。与现有技术相比,本专利技术的有益效果是:本专利技术基于一维压电声子晶体的设计思想,将主动隔振技术与被动隔振技术有机结合在一起。与传统隔振装置相比,本专利技术不但可以实现中低频范围的振动控制,还能对隔振频率和隔振幅度进行调节,同时还可以实现高频范围的隔振效果,这使得该装置更适用于多工况条件下和低频范围的隔振场合。此外,与传统基于弹簧系统的软式隔振装置相比,该装置为硬式隔振结构,在运输和航天发射时无需锁死装置,这为其在航天器、卫星系统上的振动控制应用提出了新的方法。本专利技术作为主动隔振系统使用时,通过对压电声子晶体中压电组分的主动激励控制(幅度控制和相位控制),可以在中低频范围获得可控的隔振效果;装置作为被动隔振系统使用时,通过利用声子晶体自身的Bragg带隙可以对高频范围的振动进行有效地阻隔。该装置将低频振动的主动控制技术与高频振动的被动控制技术有机结合,扩大了智能类材料声子晶体的应用方向,为当前多工况条件下和低频范围的隔振技术提出了新的思路。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图图2为本专利技术被动工作情形的高频隔振效果图。图3为本专利技术主动工作情形的中低频可控隔振效果图。图4为本专利技术主动工作情形的宽带隔振效果与主动激励电压的关系。图中:1—压电材料散射体,2—被动材料基体,3—驱动电极片,4—连接底板,5—加速度传感器,6—电极引线。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。如图1所示,本专利技术是一种基于压电式声子晶体的主被动可控隔振装置,包括压电声子晶体隔振结构、加速度传感器5、连接底板4以及电端控制系统,所述的声子晶体隔振结构与连接底板、连接底板与加速度传感器为硬性连接,如胶接或螺栓连接,其中压电声子晶体隔振结构由压电材料散射体(压电主动材料组分)1和被动材料基体(被动材料组分)2交替排列粘接而成,压电散射体沿平行于振动的入射方向极化,且各散射体按极化方向一致排列,压电散射体由夹在结构中的电极片和引线进行主动驱动控制,这样就组成了主被动一体式的隔振结构。电端控制系统则由软硬件系统共同组成,包括前端的电荷放大器,中间部分的A/D、D/A转换器、单片机控制系统、软件控制程序以及末端的信号发生器和功率放大器。加速度传感器应具有质量轻、体积小、灵敏度高以及量程大等特点,它应与底板硬性连接(胶接或者螺栓连接)用于拾取待控制结构的入射振动信号,底板则用于连接声子晶体隔振结构与待控制结构,使振动信号尽量多的传入隔振结构中。这样,隔振装置在主动状态下工作时,首先由加速度传感器拾取待控制结构的振动信号并传入电端控制系统中,控制系统通过单片机系统计算出合适的电信号,并由信号发生器和功率放大器输出到压电声子晶体隔振结构中,以产生用来抵消对应待控制振动的中低频主动激励带隙,同时,结构在被动状态工作时可作为传统的声子晶体结构,利用自身其的Bragg带隙对高频段的振动进行有效地阻隔。进一步的,所述的层状压电声子晶体隔振结构的隔振频率与隔振幅度可由压电散射体的主动控制进行调节。进一步的,所述的压电声子晶体散射体和基体为横截面为圆形或多边形的层状结构,电极片为同形状的薄片结构。进一步的,所述的压电声子晶体散射体材料为压电类智能材料,基体材料为树脂类聚合物材料,电极片为导电性能良好的金属材料。下面结合具体参数介绍本专利技术的一实施例:压电声子晶体隔振结构的组分材料分别为压电陶瓷PZT4和环氧树脂,电极片材料为紫铜,其中PZT4材料沿厚度方向极化。PZT4的材料参数为:密度ρ1=7500kg/m3,压电常数d33=289×10-12C/N,开路柔顺系数自由介电常数开路状态纵波声速c1l=4023m/s,环氧树脂材料参数为:密度ρ2=1250kg/m3,纵波声速c2l=2050m/s,紫铜材料参数为:密度ρ3=8900kg/m3,纵波声速c3l=4700m/s。各组分材料的尺寸参数应根据被动隔振带隙的频率范围而定,本实施例中保持PZT4与环氧树脂尺寸一致,参数为:圆形横截面直径d=40mm,厚度h1=10mm,铜电极片横截面直径与PZT4一致,厚度h3=0.02mm。隔振结构的周期数应根据具体隔振要求而定,本实施例中选为4周期结构,各组分材料由环氧树脂胶接而成。为实现压电声子晶体隔振结构与待控制结构的同振动连接,装置中使用本文档来自技高网
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一种基于压电声子晶体的主被动可控隔振装置

【技术保护点】
一种基于压电声子晶体的主被动可控隔振装置,其特征在于:包括连接底板、与连接底板固定连接的压电声子晶体隔振结构和加速度传感器、电端控制系统,所述压电声子晶体隔振结构是由压电材料散射体和被动材料基体交替排列而成的层状结构,每层压电材料散射体沿平行于振动的入射方向极化,且各层压电材料散射体按极化方向一致排列,每层压电材料散射体和被动材料基体之间设置有电极片,电极片接有电极引线。

【技术特征摘要】
1.一种基于压电声子晶体的主被动可控隔振装置,其特征在于:包括连接底板、与连接底板固定连接的压电声子晶体隔振结构和加速度传感器、电端控制系统,所述压电声子晶体隔振结构是由压电材料散射体和被动材料基体交替排列而成的层状结构,每层压电材料散射体沿平行于振动的入射方向极化,且各层压电材料散射体按极化方向一致排列,每层压电材料散射体和被动材料基体之间设置有电极片,电极片接有电极引线。2.根据权利要求1所述的一种基于压电声子晶体的主被动可控隔振装置,其特征在于:电端控制系统还包括依次连接的电荷放大器、控制电路硬件系统、信号...

【专利技术属性】
技术研发人员:蓝宇张起成卢苇
申请(专利权)人:哈尔滨工程大学
类型:发明
国别省市:黑龙江,23

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