浅谈压电智能材料在结构减振控制中的应用

邓尚久

（湖北建艺风工程设计有限公司， 湖北 荆州 434000）

0 引言

压电材料是一种新型的智能材料，它具有正、逆压电效应，即在受到外界荷载激励时会在材料表面会形成正负相反的电荷，电荷量的大小与外界施加激励成正比，当外界激励消失时，材料又处于不带电状态。基于压电材料独特的正逆压电效应，将其作为传感器与作动器，直接布置在结构表面进行振动控制，缩减了振动控制时的中间环节，从而大幅提高控制效率。

1 压电材料的分类及特点

从压电材料被发现以来，其种类也得到了极大地丰富。目前主要包括压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物、压电纤维复合材料等。其中压电陶瓷与压电纤维复合材料作为两种重要的智能控制材料在振动控制中得到了越来越多的应用。

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，1954 年B·Jaffe 等人发现了具有良好的压电性能锆钛酸铅固溶体（PZT），由于其加工方便、价格低廉、灵敏度高、响应速度快等优点的被广泛的应用于大功率换能器、宽带滤波器和各类压电传感器[1]。目前国内外利用压电陶瓷（PZT）进行减振控制方面的研究也已取得较为丰富的成果[2-3.]。

压电纤维复合材料是1996 年由美国国家航空在基于复合材料的原理制作而成，因其压电性能好，柔韧性高被广泛地应用于结构振动控制、结构健康监测等领域。Fiore 和Daniel 等将压电纤维复合材料用于单层和双层复合材料板的振动主动控制模拟实验上，结果表明压电纤维复合材料对结构振动有较明显的减振效果；Agrawal 和Brij 等利用压电纤维复合材料的压电效应，对船体的弯曲振动进行了主动控制，结果表明，压电复合材料能较好的减小船体的弯曲振动。

2 压电材料基本工作原理及压电方程

在利用压电材料进行结构的振动控制时，基于压电材料的正逆压电效应，其即可以作为传感器，同时也是作动器。利用压电材料的正压电效应可以将机械能转化为电能，从而将结构的振动信息转化为可识别的电信号。控制器根据反馈的电信号，结合控制算法计算出所需的控制电压，再将给压电材料施加电场，基于压电材料的逆压电效应使得材料产生变形，从而抑制结构的振动，实现结构的减振控制。

压电材料的用途与使用的环境不同，会造成压电材料的机械边界条件和电学边界条件发生变化。

第一类压电方程

第二类压电方程

第三类压电方程

第四类压电方程

在结构振动控制中主要是通过第一、二类压电方程相结合的方法来进行理论分析。

3 基于压电材料的减振控制方法

由于压电智能材料优良的压电效应，使其具有优良传感特性的同时也具备十分突出的驱动特性，结合相应的控制策略，可以实现结构的在外界荷载作用下的减振降噪。依据结构振动控制中是否存在外界能量输入，可以将结构振动控制大体分为被动控制、主动控制、半主动控制三类。

压电被动控制，是将压电材料植入被控结构内部。在结构受外界荷载作用发生变形时，压电材料利用其正压电效应，感受结构产生的应变，并将结构振动时的机械能转变为电能，通过外部电路将能量输送出去，以此来耗散或吸收由于结构振动产生的机械能[4]。

压电主动振动控制，是利用压电材料的正逆压电效应，将布置在结构内部或者表面的压电智能材料作为被控结构的传感器和作动器。当结构在外界荷载作用下发生振动变形时，传感将振动信号转化为电压信号。电压信号通过控制器产生控制信号，控制信号再经功率放大器作用于作动器，由作动器发生变形产生控制力，将电能转化为机械能，从而实现对结构的振动控制。

压电半主动控制是在压电主动振动控制和压电被动振动控制的基础上演变而来。该控制方法中的能量供给，不再是直接将能量输入到作动器，产生控制力，而是将能量用于半主动控制的回路中，通过改变置于被控构件内部压电元件的参数，以改变系统的刚度、阻尼、惯性等结构参数，从而实现结构振动控制的目的。

4 结论

由上述的介绍可知，压电智能材料由于其良好的传感驱动特性在机械、航空航天中取得了丰硕的研究成果，同时其良好耐用性与高效性在结构振动控制领域也是一个新兴的研究热点，尤其是压电纤维复合材料（MFC）。