基于压电技术的飞机壁板结构振动与噪声控制

摘要

现代高性能军机的研制开发、飞机动力装置等的升级换代，带来了日益严峻的飞机结构振动疲劳与声疲劳问题，如美国F-18飞机大攻角飞行时发生的垂尾抖振疲劳破坏；另一方面，民用飞机适航认证要求越来越严格，对飞机机舱舒适度等要求也不断提高，如ARJ支线飞机在正式运营前要求开展试验，以验证飞机振动噪声指标达到了适航要求。因此，如何有效控制飞机结构的振动与噪声问题是目前飞行器发展中急需解决的关键问题之一。
　　随着控制技术的发展，越来越多的国内外学者利用主动/半主动控制技术开展结构的减振降噪研究，同时随着压电智能材料的发展，将压电技术应用于结构振动主动/半主动控制研究，成为减振降噪技术领域的一个前沿方向。本文在航空科学基金“飞机典型壁板结构的压电噪声控制”（编号20091523010）的资助下，开展了飞机典型结构的压电减振降噪理论分析与实验研究。主要完成的研究工作如下：
　　（1）开展了压电主动控制与半主动控制理论及在减振降噪中的应用方法研究。在振动半主动控制方面，重点进行了短路同步开关阻尼（SSDS）、电感同步开关阻尼（SSDI）、外加电压源同步开关阻尼（SSDV）等方法的研究；在振动主动控制方面，研究了FXLMS自适应控制方法的次级通道识别方法及控制算法，并成功应用于飞机典型壁板结构的减振降噪。
　　（2）建立了振动与噪声载荷下，带压电分流电路的板状结构振动与噪声控制系统模型，推导出压电分流电路中压电元件的应变能与动能表达式，以及粘贴压电元件后薄板结构的应变能与动能表达式，获得了带压电分流电路薄板的表面阻抗及吸声系数，为飞机典型壁板结构压电减振降噪提供了理论基础。
　　（3）基于压电分流减振降噪原理，进行了带压电分流电路的板状结构、加筋板结构、飞机典型壁板结构振动控制时的压电元件布局设计，得到了压电元件布局方式对结构振动控制效果的影响规律，为飞机典型壁板结构压电减振降噪提供了压电元件布局方法。
　　（4）设计了电感同步开关阻尼电路，在噪声激励下，以飞机典型壁板结构为研究对象，开展了基于电感同步开关阻尼的压电半主动振动控制实验研究，结果表明，通过压电半主动控制可使结构振动响应幅值降低25％。
　　（5）以飞机机身舱段壁板结构为研究对象，基于压电主动控制技术与FXLMS自适应控制方法，开展了压电减振降噪实验研究。结果表明，结构振动响应幅值可降低63%，噪声声压级可降低10.6dB。
　　本文工作的创新点如下：
　　（1）以飞机壁板结构为研究对象，基于压电分流减振降噪原理，进行了振动的压电半主动控制，得到了压电元件布局对结构振动控制效果的影响规律。
　　（2）首次利用SSDI压电半主动控制技术，开展了飞机典型壁板结构在噪声激励下的振动控制实验研究，实验结果与仿真结果一致性较好，验证了SSDI控制方法在飞机典型壁板结构减振降噪中应用的有效性及可行性。
　　（3）首次将FXLMS自适应控制方法应用于飞机机身舱段壁板结构的压电主动振动与噪声控制实验，取得了良好的控制效果，为飞机壁板结构减振降噪提供了一种新的技术手段。

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第一章 绪论

1.1结构的振动疲劳与声疲劳问题

1.2振动与噪声控制

1.3采用压电材料的减振降噪技术

1.4压电减振降噪技术在飞机结构中的应用及存在的问题

1.5本文研究内容

第二章 振动与噪声控制原理

2.1 同步开关阻尼

2.2 短路同步开关阻尼

2.3 电感同步开关阻尼

2.4 外加电压源同步开关阻尼技术

2.5 板状结构振动与噪声控制理论

2.6小结

第三章 压电分流减振降噪中的压电元件布局分析

3.1飞机蒙皮结构

3.2飞机加筋板结构

3.3飞机典型壁板结构

3.4小结

第四章 基于电感同步开关阻尼的飞机壁板结构振动半主动控制实验

4.1压电振动控制系统

4.2实验系统介绍

4.3压电振动控制实验

4.4结果分析

第五章 基于FXLMS自适应控制方法的飞机壁板结构减振降噪主动控制实验

5.1结构模态测试

5.2基于FXLMS自适应控制方法的压电主动控制

5.3减振降噪控制器设计

5.4减振降噪实验

5.5小结

第六章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的科研论文

攻读博士学位期间参与的科研工作

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