“振動(dòng)”是一種自然界中普遍存在的現(xiàn)象，是指一個(gè)狀態(tài)改變的過(guò)程，即物體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。大至宇宙，小至亞原子粒子，無(wú)不存在振動(dòng)，總體可區(qū)分為宏觀振動(dòng)（如地震、海嘯）和微觀振動(dòng)（基本粒子的熱運(yùn)動(dòng)、布朗運(yùn)動(dòng)）。

人們生活中也離不開(kāi)振動(dòng)：心臟的搏動(dòng)、耳膜和聲帶的振動(dòng)，都是人體不可缺少的功能。在工程技術(shù)領(lǐng)域中，振動(dòng)現(xiàn)象也比比皆是：例如，橋梁和建筑物在陣風(fēng)或地震激勵(lì)下的振動(dòng)，飛機(jī)和船舶在航行中的振動(dòng)，機(jī)床和刀具在加工時(shí)的振動(dòng)，各種動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)等等。

機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)有著諸多危害

不過(guò)振動(dòng)帶來(lái)的并不總是好處，例如，振動(dòng)會(huì)影響精密儀器設(shè)備的功能，降低加工精度和光潔度，加劇構(gòu)件的疲勞和磨損，從而縮短機(jī)器和結(jié)構(gòu)物的使用壽命，振動(dòng)還可能引起結(jié)構(gòu)的大變形破壞，有的橋梁曾因振動(dòng)而坍毀；飛機(jī)機(jī)翼的顫振、機(jī)輪的抖振往往造成事故；車船和機(jī)艙的振動(dòng)會(huì)劣化乘載條。而且振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲更是對(duì)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生了重大危害。因此隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到若想減少工業(yè)上的損失，就必須要削減不利的振動(dòng)響應(yīng)，即對(duì)“振動(dòng)”進(jìn)行控制。

一、振動(dòng)控制的方式

在振動(dòng)工程領(lǐng)域中，振動(dòng)控制可分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩類。被動(dòng)控制屬于反饋控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于控制的效果和適應(yīng)性較差；而主動(dòng)控制不同，具有控制效果好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了被動(dòng)控制的不足。目前，人們主要利用壓電材料對(duì)振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制。

壓電材料指的是具有壓電效應(yīng)的材料。根據(jù)材料種類進(jìn)行分類可分為無(wú)機(jī)壓電材料、有機(jī)壓電材料和復(fù)合壓電材料三種，無(wú)機(jī)壓電材料還可細(xì)分為壓電晶體和壓電陶瓷。

①壓電晶體：壓電晶體一般指的是壓電單晶體，即按晶體空間點(diǎn)陣長(zhǎng)程有序生長(zhǎng)而成的晶體，由于結(jié)構(gòu)無(wú)對(duì)稱中心而具有壓電性，如石英、鎵酸鋰、鍺酸鋰等。目前投入使用的壓電單晶體主要為非鐵電性壓電晶體石英，石英晶體具有機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高、頻率溫度系數(shù)小的特點(diǎn)；其次即為鐵電性壓電晶體鈮酸鋰和鉭酸鋰，它們的機(jī)電耦合系數(shù)大，且可在高溫環(huán)境下使用。

②壓電陶瓷：壓電陶瓷指的是用幾種必須原料混合、高溫?zé)捴贫桑煞哿ｉg的固相反應(yīng)和燒結(jié)過(guò)程得到的微細(xì)晶粒無(wú)規(guī)則集合而成的多晶體。在上世紀(jì)50年代發(fā)明的鋯鈦酸鉛（化學(xué)式，可簡(jiǎn)稱為PZT）是至今使用最為廣泛的壓電陶瓷材料。與壓電單晶體對(duì)比，壓電陶瓷的壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高，加工成的形狀也比較多樣化，但同時(shí)也存在機(jī)械品質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差等不足之處，更適用于大功率換能器和寬帶濾波器等應(yīng)用。

壓電陶瓷振動(dòng)傳感器

③有機(jī)壓電材料：有機(jī)壓電材料又稱為壓電聚合物，以聚偏氟乙烯為典型代表。這類壓電材料的特點(diǎn)是材質(zhì)柔韌、低密度、低阻抗、高壓電電壓常數(shù)，在壓力傳感、引燃引爆等領(lǐng)域有所運(yùn)用。

④復(fù)合壓電材料：復(fù)合壓電材料由多種材料復(fù)合，兼具無(wú)機(jī)壓電材料和有機(jī)壓電材料的優(yōu)勢(shì)，克服了難以加工成形的不足，更具有密度小、聲速低的特點(diǎn)，易和空氣、水及生物組織實(shí)現(xiàn)聲抗阻匹配。除此之外，壓電復(fù)合材料還具有上述材料未擁有的性能，如無(wú)自發(fā)極化的壓電材料與另外一種材料復(fù)合之后可具有熱釋電效應(yīng)；普通壓電材料與磁滯伸縮材料復(fù)合可具有磁電效應(yīng)等。

二、壓電材料在振動(dòng)主動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用

1.航空航天

智能材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用是非常關(guān)鍵的。以飛機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)中類似客艙、通訊天線、直升機(jī)旋翼這些結(jié)構(gòu)在使用時(shí)均會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)波動(dòng)較大時(shí)還會(huì)對(duì)飛機(jī)上的精密設(shè)備造成一定損傷，因此壓電材料對(duì)控制航空航天領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)來(lái)說(shuō)是非常必要的。壓電陶瓷材料具有質(zhì)量輕、耗能低等特點(diǎn)，被普遍應(yīng)用于SMS上，是振動(dòng)控制一個(gè)很重要的分支。

2.土木結(jié)構(gòu)工程

在土木結(jié)構(gòu)工程的靜變形控制能、噪聲控制、安全評(píng)定、自適應(yīng)修復(fù)等領(lǐng)域，都存在使用壓電材料對(duì)其進(jìn)行控制的例子：如通過(guò)采用壓電傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可在線讀取工程結(jié)構(gòu)的信息；或者是使用壓電堆技術(shù)對(duì)建筑工程進(jìn)行主動(dòng)控制。但對(duì)于大型土木結(jié)構(gòu)工程來(lái)說(shuō)，壓電材料驅(qū)動(dòng)力小的問(wèn)題仍然有待解決。

3.機(jī)械制造

機(jī)械制造領(lǐng)域的振動(dòng)主動(dòng)控制研究主要集中在對(duì)精密儀器的主動(dòng)隔振上，其目的是提高機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)機(jī)械受其動(dòng)能影響，設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)存在很大噪音，振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率更是隨著使用時(shí)長(zhǎng)逐漸增加，降低了機(jī)械設(shè)備的使用壽命。壓電材料可以在機(jī)械制造時(shí)作為傳感器元件，利用壓電材料具有的壓電效應(yīng)，根據(jù)傳感器檢測(cè)到的外界環(huán)境的變化并主動(dòng)作出反應(yīng)，以此對(duì)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制，提高機(jī)械設(shè)備的工作效率和使用年限。

4.車輛工程

壓電材料在車輛工程領(lǐng)域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在對(duì)汽車減振器的改造。目前許多高級(jí)汽車在路況不好的地區(qū)行駛時(shí)仍能保持較小的顛簸幅度，保證車內(nèi)人員的舒適性，這是由于對(duì)車輛減振裝置進(jìn)行了改造。利用壓電陶瓷材料的正、逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，使減振器能夠自動(dòng)識(shí)別路況并作出實(shí)時(shí)調(diào)控，將車輛由于路面顛簸不平造成的影響降到最低。

在車輛進(jìn)行緊急制動(dòng)或低速行駛時(shí)，制動(dòng)片與汽車轉(zhuǎn)子相摩擦?xí)a(chǎn)生較大振動(dòng)，并伴有刺耳的噪聲，長(zhǎng)期以往對(duì)制動(dòng)片的磨損會(huì)非常大。可利用壓電陶瓷材料在車輛制動(dòng)器活塞中安裝制動(dòng)器，在原制動(dòng)器內(nèi)部提供一種反向振動(dòng)，中和將對(duì)噪音有相當(dāng)程度的抑制作用。

資料來(lái)源：

淺談壓電材料在振動(dòng)主動(dòng)控制中的應(yīng)用，杜洋。

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