CN114110290A

CN114110290A - 一种非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统

Info

Publication number: CN114110290A
Application number: CN202111426699.4A
Authority: CN
Inventors: 恭飞; 纪辉; 聂松林; 张乐; 宁冬晶; 王雯
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2021-11-27
Filing date: 2021-11-27
Publication date: 2022-03-01

Abstract

本发明公开了一种非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统，该装置及控制方法是采用永磁弹簧和电磁弹簧代替传统弹簧提供回复力的新型NES，通过改变电流参数，使吸振器刚度可以按一定规律交替呈现为纯非线性和弱非线性，使得该装置可以与管路系统产生靶向能量传递的特性，同时，传递到吸振器的能量，通过磁性液体具有的粘滞性，其内部产生剪切流，从而进行剪切耗能。本发明的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统将半主动控制技术与NES被动控制技术进行结合用于管路系统三向振动控制，结构具有质量轻、使用灵活、减震频率宽、鲁棒性更好以及耗能效果好等优点。

Description

一种非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统

技术领域

本发明属于振动控制技术领域的减振耗能装置，具体涉及一种非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统。

背景技术

机械结构的减振是一个长期存在的问题，由于其在工程应用中的重要性而受到相当大的持续关注。管路系统振动传递到机械结构引起的辐射噪声，也是机械噪声产生的一个重要途径。

管路系统振动传递控制采用的传统方法有挠性接管、约束阻尼层、弹性支撑等，一般来说这些方法难以有效控制管路的低频振动。另外，传统的动力吸振器用于降低管路振动传递，也是一种有效的方法，其中线性调谐质量阻尼器(Linear tuned-mass damper,TMD)是应用最为广泛的动力吸振结构，动力吸振器通过设计其固有频率与主系统振动所受激励频率相同或接近，利用共振原理抑制系统的振动，TMD作为一种线性阻尼器，只能在特定的频带内发挥良好的减振效果，然而外界激励的频率以及主体结的动力特性往往会随时间发生变化，这时TMD便会丧失减振效率，甚至会加剧主体结构的振动响应。

为解决经典TMD存在的不足，其中一个主要思想是使用非线性来改进减振器设计。据此，产生了非线性能量阱(Nonlinear Energy Sink,NES)，NES具有附加质量小、振动抑制频带宽、可完成定向靶能量传递、可靠性高、鲁棒性强等优点，可有效弥补TMD在非线性振动领域的缺陷，但，现有的非线性能量阱装置(NES)，均为被动控制，不能根据外部激励的特点以及管路自身的振动特性的变化做出及时调整，存在一定的局限性。当前，采用电磁、压电或磁致伸缩材料控制单元实现管路振动的主动控制，虽然可以在局部降低管路低频振动，但是由于成本和功耗方面的限制，使其在管路系统使用存在困难。需要发展可依据管路振动变化自适应调频吸振，且功耗及成本大幅降低的吸振系统。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统，它可以对管路系统在宽频基础激励和泵源流体脉动激励下产生的共振进行闭环半主动控制。通过感测管路系统宽频基础激励和泵源流体脉动激励工况下的振动信号，在管路系统上附加惯性质量块，利用永磁弹簧与电磁弹簧形成非线性刚度，利用共振原理将管路系统上的激励转移到附加惯性质量块上，并通过磁性液体产生剪切耗能，从而达到振动半主动控制的目的。因此，需要开发一套能够对管路系统的振动进行感测，且根据感测的振动水平，实时调节固有频率的半主动振动控制方法及系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统，包括自供电无线振动传感微系统、电子控制单元、驱动模块和吸振器，所述的自供电无线振动传感微系统感测管路系统的振动加速度，并作为闭环控制的振动信号传输给所述的电子控制单元；所述的电子控制单元用于根据加速度传感器提供的管路系统振动信号，并与预定幅值进行对比得到误差信号，从而生成并输出控制信号；所述的驱动模块根据接收到的控制信号后输出一定幅值的电流驱动信号；所述的吸振器安装在管路上，用于接收驱动模块输出的电流驱动信号并产生一定的励磁电流，形成可变电磁弹簧，使永磁铁惯性质量块在两个电磁铁间运动，此时永磁铁惯性质量块周围的磁性液体因具有粘滞性，其内部会产生剪切流，从而进行剪切耗能，达到半主动振动控制的目的。

进一步地，所述的自供电无线振动传感微系统，安装于管路系统上，用于通过感测管路上的振动信号，作为反馈信号传输给电子控制单元，它包括电磁式振动能量采集模块和传感电路模块。

所述电磁式振动能量采集模块的工作原理是通过利用管路系统振动能量驱动吸振器内永磁体惯性质量块相对于其外圈的闭合线圈做切割磁感线运动，使穿过闭合电路的磁通量发生变化，电路内部就会产生感应电流。

所述传感电路模块，包括能源管理电路、集成传感芯片、信号处理电路和无线传输电路。

进一步地，所述控制信号的生成具体包括：

将获得的管路系统宽频基础激励和泵源流体脉动激励确定管路振动主阶次频率；

依据所述的振动主阶次频率对接收的振动信号进行带通滤波，保留在振动主阶次附近的振动信号频率成分；

对接收到的主阶次频率成分的振动进行判断，即滤波后的振动信号在主阶次频率附近的振动超过预定幅值时，半主动装置开始工作，并生成所述的控制信号。

进一步地，所述的驱动模块用于接收到电子控制单元输出的控制信号，对控制信号施加一定的增益，生成具有一定幅值的励磁电流作为驱动信号作用于吸振器。

进一步地，所述的吸振器包括永磁体惯性质量块、第一永磁体、第二永磁体、导轨、第一电磁铁、第二电磁铁、线圈绕组、管夹、壳体和磁性液体，所述永磁体惯性质量块通过定位通孔与穿入导轨中，形成一对相对运动的移动副，所述导轨起到保持永磁体惯性质量块轴向运动的作用，并与吸振器壳体端盖固连；所述第一永磁体、第二永磁体、第一电磁铁和第二电磁铁通过压紧螺栓与壳体端盖相连；所述线圈绕组通过线圈保持架与壳体通过螺栓固连；所述吸振器通过螺栓与管夹固连；所述管夹通过螺栓与管路固连。

进一步地，所述的永磁体惯性质量块为设有中心孔的钕铁硼永磁体，其与第一永磁体、第二永磁体、第一电磁铁和第二电磁铁在装配上具有一定的轴向初始间距；所述的轴向初始间距为永磁体惯性质量块轴向运动的最大位移行程；所述永磁体惯性质量块与导轨之间具有一定的间隙，间隙中填充有磁性液体，使惯性质量块受到径向悬浮力，悬浮于导轨上，两者之间形成液体摩擦；

进一步地，所述的第一永磁体和第二永磁体与壳体端盖相连，磁极相对布置，使永磁体惯性质量块处于初始平衡位置。

进一步地，所述导轨为非导磁性材料。

进一步地，所述的第一电磁铁和第二电磁铁包括设有中心孔的铁芯和线圈组成，所述的铁芯为导磁性能良好的软磁材料，其表面设有注塑孔和散热孔，开有线圈引线出口。

进一步地，所述线圈绕组通过螺栓固定在壳体内壁上，包括线圈保持架和绕制在所述线圈保持架上的线圈，壳体内壁开有线圈引线出口。

进一步地，所述管夹由对称支架和环形卡箍组成，所述吸振器通过螺栓与支架相连，所述环形卡箍焊接于支架内壁面，通过螺栓与管路固定连接。

进一步地，所述壳体为非导磁性材料，包括筒形件和端盖，所述筒形件内部具有填充磁性液体的液体腔，所述端盖通过螺纹与筒形件固连，密封所述液体腔。

进一步地，所述磁性液体为纳米Fe₃O₄和微米羰基铁粉混合掺杂的微纳复合磁性液体。

根据本发明实施例的一种非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统对于相关技术而言具有以下优点：

(1)使用永磁弹簧和电磁弹簧代替传统弹簧提供回复力的新型NES，通过改变电流参数，使吸振器刚度可以按一定规律交替呈现为纯非线性和弱非线性，使得该装置可以与主结构产生靶向能量传递的特性，这种传递具有传递速度快、单向(不可逆)的特点。

(2)非线性能量阱的装置只需要主结构的5％～10％，具有轻质，鲁棒性强，减振频带宽，结构简单，安装方便等优点，在非线性消能减振方面具有良好的应用前景。

(3)目前大部分基于靶向能量传递原理设计的非线性能量阱装置均是采用被动控制，而这种非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统可以进一步根据主结构的振动特性调节刚度和阻尼大小来实现半主动控制，具备了被动与半主动并列组合的的特征，弥补了被动控制无法时变的缺点，同时，降低了主动控制能耗高的问题。

(4)该非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统，仅需对控制算法进行修改，即可以满足不同工况下的减振需求，成本低，使用灵活。

(5)非线性自调谐管路振动噪声半主动控制系统的惯性质量块与导杆之间处于液体摩擦环境，不存在机械摩擦，避免了已有导轨型NES惯性质量块与导轨摩擦导致的吸振器对低频率、小振幅的迟滞响应，提高了吸振器的灵敏性。

(6)该非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统应用“电磁感应”原理对管路系统的振动能量进行回收，用于管路系统振动状态监测系统的能量供给，以实现自传感的功能，进一步降低能耗，更利于满足实际工业应用的需求。

另外，根据本发明附加方面的优点将在随后的具体实施方式中部分给出，部分优点将变得明显，或者通过本发明的实践获得。

附图说明

图1是本发明实施例的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统的结构原理图。

图2是本发明实施例的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统的控制方法实施流程示意图。

图3是本发明实施例的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统的能源管理电路工作示意图。

图4是本发明实施例的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统的吸振器子单元结构示意图。

图5是本发明实施例的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统的三维吸振器总成结构示意图。

附图标记：

其中：2、壳体；2-1、左端盖；2-2、右端盖；3、导轨；4、永磁体惯性质量块；5、微纳复合磁性液体；6、第一电磁线圈；7、第一电磁铁；8、第一电磁铁芯；9、第二电磁线圈；10、第二电磁铁；11、第二电磁铁芯；12、第一永磁体；13、第二永磁体；14、线圈绕组；100、子吸振器；100-1、固定支架；100-2、管路；100-3、螺栓。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1到图5详细描述根据本发明实施例的一种非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统。该非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统是一种最具前景的非线性振动半主动控制装置，将在工程领域具有广泛应用的前景。

如图1所示，一种非线性自调谐管路振动噪声半主动控制方法及系统，包括自供电无线振动传感微系统、电子控制单元、驱动模块和吸振器。所述的自供电无线振动传感微系统感测管路系统的振动加速度，并作为闭环控制的振动信号传输给所述的电子控制单元；所述的电子控制单元用于根据加速度传感器提供的管路系统振动信号，并与预定幅值进行对比得到误差信号，从而生成并输出控制信号；所述的驱动模块根据接收到的控制信号后输出一定幅值的电流驱动信号；所述的吸振器安装在管路上，用于接收驱动模块输出的电流驱动信号并产生一定的励磁电流，形成可变电磁弹簧，使永磁铁惯性质量块在两个电磁铁间运动，此时永磁体周围的磁性液体因具有粘滞性，其内部会产生剪切流，从而进行剪切耗能，达到半主动振动控制的目的。

具体而言，所述控制信号的生成具体包括：

将获得的管路系统宽频基础激励和泵源流体脉动激励确定管路振动主阶次频率，依据所述的振动主阶次频率对接收的振动信号进行带通滤波，保留在振动主阶次附近的振动信号频率成分，对接收到的主阶次频率成分的振动进行判断，即滤波后的振动信号在主阶次频率附近的振动超过预定幅值时，半主动装置开始工作，并生成所述的控制信号。所述的驱动模块用于接收到电子控制单元输出的控制信号，对控制信号施加一定的增益，生成具有一定幅值的励磁电流作为驱动信号作用于吸振器。

如图3所示，所述的自供电无线振动传感微系统，安装于管路系统上，用于通过感测管路上的振动信号，作为反馈信号传输给电子控制单元，它包括电磁式振动能量采集模块和传感电路模块。

具体而言，所述的电磁式振动能量采集模块的工作原理是通过利用管路系统振动能量驱动吸振器内永磁体惯性质量块相对于其外圈的闭合线圈做切割磁感线运动，使穿过闭合电路的磁通量发生变化，电路内部就会产生感应电流；

具体而言，所述的传感电路模块，包括能源管理电路、集成传感芯片、信号处理电路和无线传输电路。吸振器上的电磁式振动能量采集模块输出的能量通过交流/直流转换模块整流后对储能元件的储能电容充电积累能量，当能量积累到一定程度，储能单元中的开关控制电路放电，降压-升压型开关电源电路将储能单元释放出来的电能转化为稳定电压的直流输出，采用一个分流器将收集到的电流给可再充电电池充电，当能量收集电源不再可用时，电源管理电路通过动态路径管理模块自动转换为由电池供电。

本实施例的管路系统的振动状态监测信号的采集的实现原理包括以下步骤：

管路系统的振动监测主要是通过振动传感器进行振动信号采集，传感器输出的信号首先经过信号调理电路转化为适合A/D芯片的信号，然后经A/D转换为数字信号送入数据缓存，主控芯片将缓存的数据传输给无线发射模块，通过接收端无线接收模块接收后传输至吸振器控制器。

如图4所示，本实施例中，所述子吸振器包括：壳体2、导轨3、永磁体惯性质量块4、微纳复合磁性液体5、第一电磁线圈6、第一电磁铁7、第一电磁铁芯8、第二电磁线圈9、第二电磁铁10、第二电磁铁芯11、第一永磁体12、第二永磁体13、线圈绕组14；

在一些实施例中，所述子吸振器壳体2包括左端盖2-1、右端盖2-2。所述左端盖2-1和右端盖2-2均采用密封圈进行密封处理，采用过盈配合，防止微纳复合磁性液体5泄漏。所述圆柱形壳体2的周围均布分布着散热孔，以实现对振动热能的均匀分散，其左右两端与左端盖2-1、右端盖2-2通过螺纹连接。

在一些实施例中，所述的导轨3穿过永磁体惯性质量块4中心孔，两者之间通过微纳复合磁性液体5产生径向悬浮力的作用下，使永磁体惯性质量块4悬浮于导轨上，导轨3两端与左端盖2-1和右端盖2-2采用螺纹连接。所述导轨3为非导磁材料，本发明中采用不锈钢材料(如304、304L、316和316L等)，其外表面设计有润滑槽其结构为圆弧槽和螺旋槽，但不仅限于以上两种结构，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合，另外其外表面要求有良好的表面粗糙度。

在一些实施例中，所述的永磁体惯性质量块4由不同直径的奇数个阶梯状永磁体对置布置，永磁体惯性质量块4两端的磁极相对，并与第一电磁铁7、第二电磁铁10、第一永磁体12和第二永磁体13的磁极相反，另外，永磁体惯性质量块4作为组成负刚度磁性液体自调谐能量阱装置1的惯性质量块单元，永磁体惯性质量块4的质量大小可以根据主结构的振动频率范围进行相应改变。所述永磁体惯性质量块4根据应用需求采用不同结构类型，如圆柱形、锥台形等，但不仅限于以上两种结构，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在一些实施例中，所述第一电磁铁7由第一电磁线圈6第一电磁铁芯8组成，第一电磁线圈6采用从左至右由疏至密分布排列，形成电磁场梯度分布，第一电磁线圈6两进出线端口与电流控制器导线相连，第一电磁铁芯8的左端通过螺纹与左端盖2-1相连。

在一些实施例中，所述第二电磁铁10由第二电磁线圈9第二电磁铁芯11组成，第二电磁线圈9采用从左至右由疏至密分布排列，形成电磁场梯度分布，第二电磁线圈9两进出线端口与电流控制器导线相连，第二电磁铁芯11的右端通过螺纹与右端盖2-2相连。

在一些实施例中，所述第一永磁体12和第二永磁体13均采用钕铁硼永磁材料，磁极相对布置，通过过盈配合固定于壳体2内。

在一些实施例中，所述线圈绕组14采用漆包线材料，通过线圈保持架与壳体通过螺栓固连。

如图2所示，本实施例的实现原理包括以下步骤：

管路系统振动的感测：自供电传感微系统布置在管路上，感测管路的振动加速度响应，作为振动信号反馈给电子控制单元；

主阶次频率产生：电子控制单元实时接收管路系统的振动信号，以确定管路不同方向上振动的主阶次频率；

带通滤波处理：依据所述的主阶次振动频率，对接收的振动信号进行滤波，保留在主阶次频率附近的振动信号频率成分；

误差判断步骤：滤波后的振动信号在主阶次频率附近的振幅超过预定幅值时判定为半主动控制系统工作；

控制信号产生：依据误差判断，确定抑制管路振动的控制信号；

驱动信号产生：依据控制信号，驱动模块施加一定的增益，产生驱动信号；

可变励磁电流的产生：吸振器接收到驱动信号，其第一电磁铁和第二电磁铁将产生一定的励磁电流，形成可变电磁弹簧，使永磁铁惯性质量块在两个电磁铁间运动，此时永磁体周围的磁性液体因具有粘滞性，其内部会产生剪切流，从而进行剪切耗能，达到半主动振动控制的目的。

如图5所示，本实施例中三维吸振器的实现原理包括以下步骤：

根据已有理论分析，管路存在三个方向上的振动，且在传递过程中会相互转换，据此，本实施例采用六个子吸振器100，所述六个子吸振器100分别通过螺栓沿固定支架100-1的x、y、z、-x、-y、-z方向固定连接，所述固定支架100-1与管路100-2采用螺栓100-3进行固定连接。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种非线性自调谐管路振动噪声半主动控制系统，其特征在于：包括自供电无线振动传感微系统、电子控制单元、驱动模块和吸振器，所述的自供电无线振动传感微系统感测管路系统的振动加速度，并作为闭环控制的振动信号传输给所述的电子控制单元；所述的电子控制单元用于根据加速度传感器提供的管路系统振动信号，并与预定幅值进行对比得到误差信号，从而生成并输出控制信号；所述的驱动模块根据接收到的控制信号后输出一定幅值的电流驱动信号；所述的吸振器安装在管路上，用于接收驱动模块输出的电流驱动信号并产生一定的励磁电流，形成可变电磁弹簧，使永磁铁惯性质量块在两个电磁铁间运动，此时永磁体周围的磁性液体因具有粘滞性，其内部会产生剪切流，从而进行剪切耗能，达到半主动振动控制的目的。

2.根据权利要求1所述的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制系统，其特征在于：所述的自供电无线振动传感微系统，安装于管路系统上，用于通过感测管路上的振动信号，作为反馈信号传输给电子控制单元，它包括电磁式振动能量采集模块和传感电路模块。

3.根据权利要求2所述的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制系统，其特征在于：所述的电磁式振动能量采集模块的工作原理是通过利用管路系统振动能量驱动吸振器内永磁体惯性质量块相对于其外圈的闭合线圈做切割磁感线运动，使穿过闭合电路的磁通量发生变化，电路内部就会产生感应电流。

4.根据权利要求2所述的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制系统，其特征在于：所述传感电路模块，包括能源管理电路、集成传感芯片、信号处理电路和无线传输电路。

5.根据权利要求1所述的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制系统，其特征在于：所述控制信号的生成具体包括：

将获得的管路系统宽频基础激励和泵源流体脉动激励确定管路振动主阶次频率，依据所述的振动主阶次频率对接收的振动信号进行带通滤波，保留在振动主阶次附近的振动信号频率成分，对接收到的主阶次频率成分的振动进行判断，即滤波后的振动信号在主阶次频率附近的振动超过预定幅值时，半主动装置开始工作，并生成所述的控制信号；所述的驱动模块用于接收到电子控制单元输出的控制信号，对控制信号施加一定的增益，生成具有一定幅值的励磁电流作为驱动信号作用于吸振器。

6.根据权利要求1所述的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制系统，其特征在于：所述的驱动模块用于接收到电子控制单元输出的控制信号，对控制信号施加一定的增益，生成具有一定幅值的励磁电流作为驱动信号作用于吸振器。

7.根据权利要求1所述的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制系统，其特征在于：所述的吸振器包括永磁体惯性质量块、第一永磁体、第二永磁体、导轨、第一电磁铁、第二电磁铁、线圈绕组、管夹、壳体和磁性液体，所述永磁体惯性质量块通过定位通孔与穿入导轨中，形成一对相对运动的移动副，所述导轨起到保持永磁体惯性质量块轴向运动的作用，并与吸振器壳体端盖固连；所述第一永磁体、第二永磁体、第一电磁铁和第二电磁铁通过压紧螺栓与壳体端盖相连；所述线圈绕组通过线圈保持架与壳体通过螺栓固连；所述吸振器通过螺栓与管夹固连；所述管夹通过螺栓与管路固连。

8.根据权利要求7所述的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制系统，其特征在于：所述壳体由非导磁材料制成，采用不锈钢，所述永磁体惯性质量块采用多块永磁体对置布置的方式，所述导轨安装与壳体中心位置，采用非导磁材料制成，所述磁性液体采用微米颗粒与纳米颗粒混合掺杂后分散于硅油基载液中，形成微纳复合磁性液体，所述电磁铁分为第一电磁铁与第二电磁体，安装与壳体内，与永磁体惯性质量块采用磁极相反相对设置的形式，所述永磁体第一永磁体和第二永磁体均采用钕铁硼永磁材料，磁极相对布置，通过过盈配合固定于壳体内，所述线圈绕组采用漆包线材料，通过线圈保持架与壳体通过螺栓固连。

9.根据权利要求7所述的非线性自调谐管路振动噪声半主动控制系统，其特征在于：六个所述吸振器分别通过螺栓沿固定支架的x、y、z、-x、-y、-z方向固定连接，所述固定支架与管路采用螺栓进行固定连接。