浅谈压电材料在振动主动控制中的应用

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1、浅谈压电材料在振动主动控制中的应用摘要：近些年来，随着科学技术的发展，人们对机械制造的要求越来越高，希望能够采用更加精确的加工实现更高的安全性、舒适度等要求。振动在大多数情况下都是不利于机械使用的，比如对于车辆工程，在路况不好或发动机振动幅度大时，对乘客的舒适性就有一定影响；对于机械工程来说，机械系统振动幅度大会降低机械对元件制造精度的控制。因此必须进行振动控制。振动控制属于振动工程领域，分为主动控制和被动控制两类。被动控制属于反馈控制，结构简单、易于实现，但是对于控制的效果和适应性较差；而主动控制不同，具有控制效果好、环境适应能力强等特点，弥补了被动控制的不足。对此，文章将对压

2、电材料在振动主动控制中的应用进行探讨与研究。中国1/vie　　关键词：压电材料；振动主动控制；应用研究　　1压电材料的分类与特点　　压电材料指的是具有压电效应的材料。根据材料种类进行分类可分为无机压电材料、有机压电材料和复合压电材料三种，无机压电材料还可细分为压电晶体和压电陶瓷。　　压电晶体一般指的是压电单晶体，即按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体，由于结构无对称中心而具有压电性。比如石英、镓酸锂、锗酸锂等，都是压电单晶体。目前投入使用的压电单晶体主要为非铁电性压电晶体石英，石英晶体具有机械品质因数高、频率温度系数小的特点；其次即为铁电性压电晶体铌酸锂和钽酸锂，它们的机电耦合系

3、数大，且可在高温环境下使用。　　压电陶瓷指的是用几种必须原料混合、高温炼制而成，由粉粒间的固相反应和烧结过程得到的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。在上世纪50年代发明的锆钛酸铅（化学式，可简称为PZT）是至今使用最为广泛的压电陶瓷材料。和压电单晶体对比不难发现，压电陶瓷的压电性强、介电常数高，加工成的形状也比较多样化。但同时也具有机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差等不足之处，以内更适用于大功率换能器和宽带滤波器等应用。　　有机压电材料又称为压电聚合物，以聚偏氟乙烯（PVDF）（薄膜）为典型代表。这类压电材料的特点是材质柔韧、低密度、低阻抗、高压电电压常数。近些年有机压电材料发

4、展迅速，在压力传感。引燃引爆等领域均有所建树。　　第三种复合压电材料是由多种材料复合而成。压电复合材料兼具备无机压电材料和有机压电材料的优势，克服了难以加工成形的不足，更具有密度小、声速低的特点，易和空气、水及生物组织实现声抗阻匹配。除此之外，压电复合材料还能够具有上述材料未拥有的性能，比如无自发极化的压电材料与另外一种材料复合之后可具有热释电效应；普通压电材料与磁滞伸缩材料复合可具有磁电效应等。　　2压电材料在振动主动控制领域中的应用　　2.1压电材料在航空航天领域中的应用　　智能材料在航空航天领域的应用是非常关键的。以飞机为例，其结构中类似客舱、通讯天线、直升机旋翼这些结构在

5、使用时均会产生振动，振动波动较大时还会对飞机上的精密设备造成一定损伤，因此压电材料对控制航空航天领域中的结构振动来说是非常必要的。　　压电陶瓷材料具有质量轻、耗能低等特点，被普遍应用于SMS上，这是振动控制一个很重要的分支。有学者在对抑制振动的研究中曾建立了一个薄壁壳试验系统，压电传感器通过对振动信号和声控液位计的检测达到控制振动的最终效果，如图1所示。　　由图1可以看出，压电陶瓷驱动器作为放大振动的外壳，会产生辐射噪音，通过电荷放大器、滤波器、A/D转换器和模拟信号转换器发送到功率放大器，激励压电陶瓷驱动器的模态，增加阻力，从而可以达到消除噪音振动的效果。　　2.2压电材料在土

6、木结构工程中的应用　　现今利用压电材料制作成压电传感器进行结构的振动主动控制，无论是在理论研究还是实验方面均已取得了一定成果。压电堆技术的飞速发展，为振动主动控制的研究开辟了新道路。在土木结构工程的静变形控制能、噪声控制、安全评定、自适应修复等领域，都存在使用压电材料对其进行控制的例子。比如通过采用压电传感器对结构振动引起的振动进行实时监测，并可在线读取工程结构的信息；或者是使用压电堆技术对建筑工程进行主动控制。对于大型土木结构工程来说，压电材料驱动力小的问题仍然有待解决，对压电堆技术的研究尚处于试验阶段，如直接投入使用还存在许多问题。　　2.3压电材料在机械制造领域中的应用　　

7、对于机械制造领域中的振动主动控制研究，主要集中在对精密仪器的主动隔振上，其目的是提高机械设备的稳定性。传统机械受其动能影响，设备在使用过程中会存在很大噪音，振动幅度和振动频率更是随着使用时长逐渐增加，降低了机械设备的使用寿命。压电材料可以在机械制造时作为传感器元件，利用压电材料具有的压电效应，根据传感器检测到的外界环境的变化并主动作出反应，以此对机械设备的振动进行主动控制，提高机械设备的工作效率和使用年限。　　2.4压电材料在车辆工程领域中的应用　　压电材料在车辆工程领域中的应用