基于压电陶瓷的减振器的设计

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近年来，由于电子产品的广泛应用，使人们用在家务上的劳动时间缩短，人们的空间时间越来越多，这就使人们的生活内容、生活方式和生活节奏发生了许多变化。另外，由于以通信为核心的高度信息化社会的到来 ，商业环境和社会环境尧生了巨大的变化，环境问题也日益突出，从而使白色家电市场面临萎缩。为保护地球环境，国际公约要求减少或禁止-切破坏地球环境和生活环境的做法。白色家电节能、减震、降噪已成为时代发展不可避免的步伐。然而关键部位元件的开发，便成为制约白色家电革命行发展的关键之处。因此，本项目从实际市场出发 ，以推动白色家电行业发展为 目的，开发用于白色家电的减震降噪的元件n 。

本文利用有限元方法对基于压电陶瓷的家电用减振器进行模态分析与静力学分析，设计并制造了压电陶瓷减振器，并对其振动特性进行了测试与分析。

1 模拟与设计1.1 模态分析模态分析所得最终 目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提出依据。模态分析技术可用于很多领域。如评价现有结构系统动态特性、在新产品设计中进行结构动态性的预估和优化设计、诊断及预报结构系统的故障、控制结构的辐射噪声、识别结构系统的载荷4。图 1为模态分析建立的有限元分析模型与器件结构。

图1 减振器有限元模型与器件结构收稿Et期：2012-07-24基金项目：国家自然科学基金资助项目51072162；陕西省国际合作基金资助项目2012KW-10作者简介：史翔1976-，男，青海西宁人，讲师，硕士。主要从事电子材料测试技术及压电器件的研管仁忠1986-，男，山东日照人，硕士生，主要从事材料物理与化学的研家。E-mail：guangrenzhong126.eom。

第 5期 史翔等：基于压电陶瓷的减振器的设计利用压电材料的逆压电效应在电长励下产生伸0。 ～804～6 0. c10 0 659 7s-1 . 1 压电材料的压电应力系数矩阵及弹性柔顺系数矩阵OOO0010.513.27. 17.3OO00OO010.5O7.113.27.30OO- 4.1 - 4.1 lc/ U 10 f0 l7.3 O O O7.3 O 0 O11.5 0 0 O0 3.0 0 00 0 2.6 00 O O 2.62×对模型进行求解，在求解过程中模型处于完全自由的状态下进行求解。在模态分析时，不考虑载荷的作用，将模型作为完全 自由振动即忽略预压力对模型的作用，且认为不存在阻尼，即单元的节点力载荷矢量 F-0，阻尼矩阵 C-0，单元的电荷矢量Q：0，在此假设下，模态分析的有限元模型为f.M o -K -0 L 00L J L K-J L式中：M 为单元的质量矩阵；K为单元的刚度矩阵；Kd与 Kc分别为单元的介电系数矩阵和压电系数矩阵；l为单元节点的位移矢量； 为单元的节点电势矢量。在模型几何参数方面，R 为模型固定端距原点的距离。

将振动假设为符合正弦曲线运动，故有 -L urnaxe i ㈤式中： 为节点位移矢量的相位角；， 为节点电势 2、 Umaxejm ax - l函J L- Um ax。

eLCu ej'-Oz 1/ - -J 将式6代入式4可得f-叫 ： K K d -。

11 - -0l 1 - -067对模型在 0～2O 000 Hz的频率范围内进行模态分析，共提取 2O阶模态。获得求解结果如表 1所示 。

表 1 模型-模态分析阶次、频率表塑室 ! ： ! !： ! ： ! ： ：阶次 16 17 18 19 2O频率/Hz 14 258.0 16 554.0 19 081.0 19 586.0 19 850.0表中，在阶次为 2、频率为 2 734.5 Hz的谐振点时，压电陶瓷驱动器伸缩振动导致位移放大器在垂直方向表现出大位移，此为本文需要的谐振方式，其谐振状态的位移分布云图如图 2所示。

图 2 模型位移分布云图1.2 结构静力分析静力分析用于计算那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件的位移、应力、应变和力。

固定不变的载荷和响应是-种假定；即假定载荷和结构的响应随时间的变化很缓慢。静力学分析结果表明，该驱动机构的位移放大比垂直方向位移/水平方向位移为 3.3O，有较显著的位移放大效果。

2 器件测试2.1 器件加工在模态分析与结构静力分析基础上进行设计，压 电 与 声 光并加工组装完成的减振器如图 3所示。图中，器件由压电叠层驱动器和位移放大机构组成 ，利用螺钉调节二者的结合紧密程度，同时达到调节安装预应力的目的。应用中利用压电陶瓷产生-定频率的谐振补偿家电的振动，达到减振的目的。

图 3 加工组装成型的减振器2.2 器件性能测试当外电场的频率与弹性波在压电体内传播时的固有振动频率-致时，压电体便进入了机械谐振状态，成为压电振子。压电体中能产生被外电长活的振动模式，首先必须要有适当的机电耦合途径，把电场能转换成与该种振动模式相对应的弹性能。

利用 Angilent 4294阻抗分析仪在室温下测定器件的阻抗频谱，得到阻抗-频率变化图如图 4所示。2.7 kHz出现谐振峰，前述模态分析结果表明该谐振峰出现于 2.734 kHz，存在误差，这是因为在进行模拟时环境都是理想化的，且外壳和压电柱紧密粘在-起，而在进行测试时，放大器的外壳和压电柱通过螺杆固定在-起，所以实际测试数据与模拟数据有误差，但在误差允许范围内。测试表明，该减振器可用于振动频率约 2.7 kHz的家电如空调的减振 。 flk-z图4 阻抗-频率变化图针对家用电器可能工作的极端环境，对该减振器的低温n眭能进行了检测，在-3o℃、-20℃、- 10℃、0环境温度下对器件进行阻抗频率测试，测试结果如图 5所示。由图可知 ，减振器的谐振频率随着温度的升高而升高，这与压电陶瓷体的特性相符。减振器谐振频率随温度升高而升高的范围很小，其谐振频率约为 2.7 kHz，不影响其工作状态。

蟊蛊爱受翠/-z图5 不同温度下的谐振频率为检验该减振器在-定频段的减振效果，设计实验模拟白色家电振动噪音环境并测试该减振器降噪效果 。实验设计如图 6所示 。图 1中 PZT陶瓷激振噪音源由极化后的 PZT 陶瓷与 0.5 mit厚铜片粘贴而成，沿周向固定。

信号发生软件反相器D/A卡 l高速电压放大器图 6 减振 降噪测试示意图如图 6所示，利用 LABVEW 编制信号发生软件驱动 PC2306数据采集卡的 D/A拈产生-定频率的正弦信号，trek610E高速电压放大器将上述-正弦信号电压峰-峰值放大至 75 V；分两路引出，其中-路直接接人 PZT陶瓷激振噪音源，另-路信号经反相器接入减振器，噪音源与减振器利用环氧树脂粘贴链接。其测试效果如图 7所示降噪比-减振前-减振后/减振前-背景噪音×100 ，在2.7 kHz时减振器降噪效果最明显达到 32 。

.fk-z图 7 减振降噪效果图第 5期 史翔等：基于压电陶瓷的减振器的设计 6932.3 测试结果分析通过实验测试结果可知，该减振器在家电的工作环境温度下能正常工作，且谐振频率受温度影响变化不大在可接受范围内。该减振器在 2.7 kHz的频段减振降噪效果最好，最大减振降噪百分比可达 32 。

3 结论1利用有限元法对基于压电陶瓷的减振器进行模态分析与静力学分析，得到较准确的结构参数。

2试验表明利用有限元法指导设计与制造的减振器可用于振动频率约 2.7kHz的家电减振降噪 。