振动与噪声的价值及应用(振动与噪声的价值及应用论文)

从另一个角度,振动与噪声也具有重要的利用价值,并应用于许多领域。例如在生活中,音乐、传声器(麦克风)、扬声器等是对振动与噪声的利用;在工程领域中,机械装备性能测试及故障诊断、振动机械和执行器、力学环境可靠性试验、振动特种加工等也是对振动与噪声的利用。振动与噪声的利用大多数情况下需要人为产生特定模式的振动或噪声,因此它离不开主动控制。

1,机械装备性能测试及故障诊断

机械装备性能测试及故障诊断是振动与噪声利用的典型领域。尽管故障诊断通常是被动检测机械装备的振动或噪声信号,进行分析和特征提取,但大多数情况下,也需要主动施加激励,探索结构的动态特性,暴露它们的故障特征。典型的应用是模态试验,它通过激励结构、采集信号、分析获取模态参数,进而用于结构性能评估和故障诊断。大多数情况下,可以利用模态领率的变化判断裂纹的出现,也可根据系统阻尼的改变来预报转子的失稳等。此外,利用主动激发的结构应力波进行裂纹定位及故障诊断也是主动控制在故障诊断中的应用。

2,振动机械和执行器

振动与噪声利用的另一个领域是振动机械和执行器。振动机械利用主动控制及结构的共振特性产生巨大的冲击力,实现捣鼓、破碎、冲击、筛选、夯实等应用。东北大学闻邦椿院士对此类振动利用工程做了开拓性工作。在执行器方面,超声电动机是一种典型的应用。它利用逆压电效应,通过控制外加电压的颜率和相位,激发弹性体在超声颗段内微幅振动,并通过定子与转子之间的摩擦作用将其转换成转子(动子)的旋转(直线)运动。1948年,Williams和Bown申请了历史上第一个“压电马达”的专利。我国该领域研究的开拓者为南京航空航天大学赵淳生院士团队,他们研发的超声电动机产品处于当时国内领先水平。此外,主动控制系统的执行器还包括振动台激振器、扬声器等,它们都是对振动与噪声的利用的产物。

3.力学环境可靠性试验

力学环境可靠性试验是振动与噪声利用的重要领域。它通过在实验室模拟装备所受的真实力学环境来考核产品的可靠性。为了准确地模拟环境,高性能的主动控制系统和主动控制算法必不可少,目前很多试验算法和流程已经写入国内外的标准。在一般产品的研制中,环境试验的经费已占到研制总经费的5%~10%,对于一些复杂、先进的机载产品费用比例会更高。据美国估计,在一个航天器型号研制中,试验的费用(其中环境试验占主要部分)最多可以占到整个研制费用的35%;据欧洲估计,在研制航天器AIV(组装、总装、验证)/AT(组装、总装、试验)的过程中,力学环境试验所花费的时间要占整个研制时间的60%~70%,其费用占整个研制费用的20%~30%。实验室的力学环境可靠性试验在检验可靠性的同时也大幅降低了实地试验的费用。据统计,对于一般的坦克装甲车辆试验,在实验室内进行的力学环境可靠性试验比在野外试验节省80%以上的费用。目前力学环境可靠性试验向着多轴多自由度发展,这对主动控制算法提出了更高的要求。2014年,美国的Team公司在第77届冲击和振动研讨会上提出了一种量化多轴振动测试系统全局误差的方法,实现对MIMO(无线通信)测试系统的实时控制。同年,丹麦的Bruel&Kjaer公司在美国环境科学与技术学会的技术年会上提出了一种将基于ML-STD-810G的单轴振动台标准拓展到多轴振动台测试系统的方法。我国浙江大学陈章位教授对多轴的主动控制方法做了大量研究,其研发的多轴多自由度控制器也处于国内领先地位。

4.振动特种加工

在加工领域,也有对振动与噪声的利用。例如,在20世纪50年代末发展起来的一种非传统特种加工技术一超声振动切削,利用主动控制在切削刀具上施加某种

有规律的振动(如椭圆振动),使切削速度、背吃刀量发生周期性的改变,达到减小切削力和切削热,提高加工质量和效率的目的。利用超声振动切削可明显改善切削性,切削时所消耗的功率可降低15%~30%。资料显示,在TV280精密仪表车床上车削薄壁镜筒,当切削速度为135.6m/min,进给量为0.065mm,切削深度为0.15mm时,振动切削的圆度误差比普通加工(23μm)减小了50%,表面粗糙度由原来的Ra1.6μm下降到Ra0.63um。近年来,利用主动控制技术进行切削颤振的控制发展到了高潮,出现了利用压电堆作动器、磁浮轴承等新型作动装置的主动控制方案。

可以看出,通过主动控制可以获得更好的振动与噪声的治理效果,同时通过主动控制实现振动与噪声的利用,也具有很多优势。因此无论从哪个角度,开展主动控制的研究对于探究振动机理、治理振动和利用振动都具有重要意义。事实上,在《机械工程学科发展战略报告(2021年~2035年)》中,振动主动控制被列为机械学科未来若干年的前沿与重大科学问题、优先发展领域。因此在未来的很长一段时间内,振动与噪声主动控制技术依然是工程领域的研究热点和难点。

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