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摘要：针对新能源汽车振动与噪声问题，采用在板材上周期贴敷压电片并连接分流电路的方法构建了智能超材料板。仿真结果表明，电阻分流电路可以有效抑制模态振动峰值;电感分流电路和电阻-电感分流电路都可以形成局域共振带隙，带隙内相应频率振动可以得到有效抑制，且带隙位置可方便的通过调节电感值实现。构建的智能超材料板具有附加质量低及智能化调节优点，可有效减轻新能源汽车车身振动。
Abstract： Aiming at the problem of vibration and noise of new energy vehicles， an intelligent metamaterial plate bonded periodically piezoelectric patches with shunting circuits is constructed. The simulation results show that the resistive shunting circuits can effectively suppress the modal vibration peaks;Both resistive shunting circuits and resistive-inductive shunting circuits can form a LR bandgap， the corresponding frequency vibration located in the bandgap can be effectively suppressed， and the bandgap position can be easily adjusted by the inductive value. The intelligent metamaterial plate has the advantages of low added mass and intelligent adjustment， which can effectively reduce the body vibration of new energy vehicles.
關键词：压电;智能;超材料;新能源汽车;NVH
Key words： piezoelectric;intelligence;metamaterials;new energy vehicles;NVH
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0046-03
0 引言
《中国制造2025》提出“节能与新能源汽车”作为重点发展领域，明确了继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展。据统计，汽车整车约 1/3 的故障问题与 NVH （噪声、振动与声振粗糙度）特性有关。由此可见，分析解决汽车车身结构中的振动和噪声问题是汽车研发的重要课题[1]。新能源汽车与传统汽车NVH性能差异主要体现在：在结构上增加了诸多新的部件，相较于传统汽车，其动力系统、制动系统、气候控制系统等结构都有了很大的不同。同时由于背景噪声的变化而凸显的路噪、风噪及异响等问题也比传统汽车表现明显[2]。在节能环保的大背景下，车身结构趋于轻量化。轻质结构的质量轻、阻尼小、模态密度大，更易于在外部激励下产生振动并辐射噪声，给车身结构振动与噪声的控制带来新的挑战。传统的隔声、减振以及吸声等技术手段应用于轻质结构时，低频效果往往不佳，同时附加质量和体积过大。近年来，智能超材料作为一种新型结构材料得到了广泛的关注。这种新型结构材料主要由周期排列的人工结构单元组成，可实现对弹性波的调制，从而产生与天然材料所不同的超常物理性质，而其中的低频带隙特性，有望为轻质结构的振动噪声控制提供新的技术途径。基于周期压电分流阵列的智能声学超材料最具代表性。压电分流具有轻质、灵活以及特性优良等特点，因此被视为一种很有潜力的振动和噪声的控制技术。Hagood等人首先提出了含电阻-电感谐振分流电路的压电陶瓷（PZT）分流结构，通过用“智能材料-分流电路”组成的振子结构取代机械振子，将机械能转变为电能，可以实现类似于传统动力吸振器的作用，从而在低附加质量的条件下实现局域共振带隙。湖南大学的王刚、张晓东等以梁、板、薄膜等结构为对象，利用压电分流技术，同时引入主动控制策略，提出了基于增强谐振压电分流电路的智能超材料单元的新结构形式，明显改善了智能超材料低频带隙的振动衰减特性。Airoldi等人则引入了多模态压电谐振分流电路，通过电路的多模态谐振获得了多个带隙，在一定程度上拓宽了作用频带。但是，将压电智能超材料应用于新能源汽车NVH控制的研究还相对较少[3-5]。
1 模型建立
如图1所示，一车身板件长宽都为Lb，上下面对应位置粘贴压电片，且压电片纵、横向间距相等，形成正方形晶格。每个压电片都以厚度方向极化，且与由电感、电阻等组成的分流电路相连。如果压电片及分流参数相同，整个结构就可认为是由单个元胞形成的二维超材料板。单个元胞结构如图2所示，其几何和材料参数如表1和表2所示。
利用有限元软件COMSOL进行仿真分析，建立的有限元模型如图3所示。
2 振动传输特性分析 如图1所示，在板的一端A点处施加简谐激励，在另一端B点拾取响应，计算得到位移传输特性曲线。
2.1 电感分流电路
分流电路中只有电感，其可以和压电片固有电容产生谐振，形成局域共振带隙[1，6]。谐振频率可按下式计算：
（1）
式中，ft为谐振频率;L为分流电路中电感;Cp为压电片固有电容，其值为96nF。
分流电路中电感分别取1.39H和0.26H，谐振频率分别在435Hz和997Hz，计算得到振动位移传输特性曲线如图4（a）、图4（b）所示，其中实线代表没有谐振（即电感为0）效果，虚线代表有电路谐振效果。
从图4（a）可以看出，在409-463Hz范围内形成一个衰减区域，即局域共振带隙，在带隙内相应频率的振动得到了有效衰减。其带宽为54Hz，带隙内最大衰减达到91dB。同样，在图4（b）中也出现了局域共振带隙，禁带范围为959-1023Hz，带宽为65Hz，带隙内最大衰减为58dB。
2.2 电阻分流电路
分流电路中只有电阻存在，其分流复阻抗为：Z=R。计算的传输特性曲线如图5所示，因为分流电路中无电感不能形成谐振，故不会出现局域共振带隙。但分流电路中的电阻具有阻尼耗散效果，在0-1500Hz通带内都有一定的衰减效果，尤其在传输曲线的峰值处衰减程度最大，如在1085Hz，衰减达到了53dB。
2.3 电阻-电感分流电路
分流电路为一电阻和一电感串联而成，电阻和电感具体取值见图6所示。计算得到的传输特性曲线如图6所示。可以看出，与图5对比，电阻-电感分流电路同样可以产生局域共振带隙。分流电路中电阻对带隙位置影响不明显，但对局域共振带隙的上、下边界有较强的阻尼衰减效果，可以扩展带隙的宽度;电阻会影响电路的谐振效果，使带隙内部的最大衰减减小。
3 结论
构建的压电智能型超材料板可以有效抑制振动。电阻分流电路板在通带内可以有效减小振动峰值，抑制模态振动。电感分流电路和电阻-电感分流电路都可以形成较宽的局域共振带隙，在带隙内相应频率的振动都可以得到有效的衰减;两者带隙位置基本相同，但后者较前者带隙的上下边界有较强的阻尼衰减，从而扩展带隙的宽度，但另一方面，电阻会抑制电路的谐振效果，使得带隙内最大衰减变小。通过调节电感值，可方便实现局域共振带隙位置的调整，能实现在预定频率范围的振动抑制。构建的超材料板具有附加质量低且能实现智能化调节的优点，可用于新能源汽车车身振动与噪声控制。
参考文献：
[1]陈圣兵.基于压电分流阵列的带隙调控及振动抑制[D].长沙：国防科学技术大学，2006：34-38.
[2]郁殿龙.基于声子晶体理论的梁板类周期结构振动带隙特性研究[D].长沙：国防科学技术大学，2006：26-28.
[3]陈圣兵，韩小云，郁殿龙，温激鸿.不同分流电路对声子晶体梁带隙的影響[J].物理学报，2010，59（1）：387-392.
[4]沈礼，吴九汇，陈花玲.声子晶体结构在汽车制动降噪中的理论研究及应用[J].应用力学学报，2010，27（2）：293-297.
[5]张思文，吴九汇.局域共振复合单元声子晶体结构的低频带隙特性研究[J].物理学报，2013，62（13）：134-136.
[6]李凤明，汪越胜.压电周期结构振动主动控制研究[J].振动工程学报，2004，17：828-830.
Abstract： Aiming at the problem of vibration and noise of new energy vehicles， an intelligent metamaterial plate bonded periodically piezoelectric patches with shunting circuits is constructed. The simulation results show that the resistive shunting circuits can effectively suppress the modal vibration peaks;Both resistive shunting circuits and resistive-inductive shunting circuits can form a LR bandgap， the corresponding frequency vibration located in the bandgap can be effectively suppressed， and the bandgap position can be easily adjusted by the inductive value. The intelligent metamaterial plate has the advantages of low added mass and intelligent adjustment， which can effectively reduce the body vibration of new energy vehicles.
關键词：压电;智能;超材料;新能源汽车;NVH
Key words： piezoelectric;intelligence;metamaterials;new energy vehicles;NVH
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0046-03
0 引言
《中国制造2025》提出“节能与新能源汽车”作为重点发展领域，明确了继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展。据统计，汽车整车约 1/3 的故障问题与 NVH （噪声、振动与声振粗糙度）特性有关。由此可见，分析解决汽车车身结构中的振动和噪声问题是汽车研发的重要课题[1]。新能源汽车与传统汽车NVH性能差异主要体现在：在结构上增加了诸多新的部件，相较于传统汽车，其动力系统、制动系统、气候控制系统等结构都有了很大的不同。同时由于背景噪声的变化而凸显的路噪、风噪及异响等问题也比传统汽车表现明显[2]。在节能环保的大背景下，车身结构趋于轻量化。轻质结构的质量轻、阻尼小、模态密度大，更易于在外部激励下产生振动并辐射噪声，给车身结构振动与噪声的控制带来新的挑战。传统的隔声、减振以及吸声等技术手段应用于轻质结构时，低频效果往往不佳，同时附加质量和体积过大。近年来，智能超材料作为一种新型结构材料得到了广泛的关注。这种新型结构材料主要由周期排列的人工结构单元组成，可实现对弹性波的调制，从而产生与天然材料所不同的超常物理性质，而其中的低频带隙特性，有望为轻质结构的振动噪声控制提供新的技术途径。基于周期压电分流阵列的智能声学超材料最具代表性。压电分流具有轻质、灵活以及特性优良等特点，因此被视为一种很有潜力的振动和噪声的控制技术。Hagood等人首先提出了含电阻-电感谐振分流电路的压电陶瓷（PZT）分流结构，通过用“智能材料-分流电路”组成的振子结构取代机械振子，将机械能转变为电能，可以实现类似于传统动力吸振器的作用，从而在低附加质量的条件下实现局域共振带隙。湖南大学的王刚、张晓东等以梁、板、薄膜等结构为对象，利用压电分流技术，同时引入主动控制策略，提出了基于增强谐振压电分流电路的智能超材料单元的新结构形式，明显改善了智能超材料低频带隙的振动衰减特性。Airoldi等人则引入了多模态压电谐振分流电路，通过电路的多模态谐振获得了多个带隙，在一定程度上拓宽了作用频带。但是，将压电智能超材料应用于新能源汽车NVH控制的研究还相对较少[3-5]。
1 模型建立
如图1所示，一车身板件长宽都为Lb，上下面对应位置粘贴压电片，且压电片纵、横向间距相等，形成正方形晶格。每个压电片都以厚度方向极化，且与由电感、电阻等组成的分流电路相连。如果压电片及分流参数相同，整个结构就可认为是由单个元胞形成的二维超材料板。单个元胞结构如图2所示，其几何和材料参数如表1和表2所示。
利用有限元软件COMSOL进行仿真分析，建立的有限元模型如图3所示。
2 振动传输特性分析 如图1所示，在板的一端A点处施加简谐激励，在另一端B点拾取响应，计算得到位移传输特性曲线。
2.1 电感分流电路
分流电路中只有电感，其可以和压电片固有电容产生谐振，形成局域共振带隙[1，6]。谐振频率可按下式计算：
（1）
式中，ft为谐振频率;L为分流电路中电感;Cp为压电片固有电容，其值为96nF。
分流电路中电感分别取1.39H和0.26H，谐振频率分别在435Hz和997Hz，计算得到振动位移传输特性曲线如图4（a）、图4（b）所示，其中实线代表没有谐振（即电感为0）效果，虚线代表有电路谐振效果。
从图4（a）可以看出，在409-463Hz范围内形成一个衰减区域，即局域共振带隙，在带隙内相应频率的振动得到了有效衰减。其带宽为54Hz，带隙内最大衰减达到91dB。同样，在图4（b）中也出现了局域共振带隙，禁带范围为959-1023Hz，带宽为65Hz，带隙内最大衰减为58dB。
2.2 电阻分流电路
分流电路中只有电阻存在，其分流复阻抗为：Z=R。计算的传输特性曲线如图5所示，因为分流电路中无电感不能形成谐振，故不会出现局域共振带隙。但分流电路中的电阻具有阻尼耗散效果，在0-1500Hz通带内都有一定的衰减效果，尤其在传输曲线的峰值处衰减程度最大，如在1085Hz，衰减达到了53dB。
2.3 电阻-电感分流电路
分流电路为一电阻和一电感串联而成，电阻和电感具体取值见图6所示。计算得到的传输特性曲线如图6所示。可以看出，与图5对比，电阻-电感分流电路同样可以产生局域共振带隙。分流电路中电阻对带隙位置影响不明显，但对局域共振带隙的上、下边界有较强的阻尼衰减效果，可以扩展带隙的宽度;电阻会影响电路的谐振效果，使带隙内部的最大衰减减小。
3 结论
构建的压电智能型超材料板可以有效抑制振动。电阻分流电路板在通带内可以有效减小振动峰值，抑制模态振动。电感分流电路和电阻-电感分流电路都可以形成较宽的局域共振带隙，在带隙内相应频率的振动都可以得到有效的衰减;两者带隙位置基本相同，但后者较前者带隙的上下边界有较强的阻尼衰减，从而扩展带隙的宽度，但另一方面，电阻会抑制电路的谐振效果，使得带隙内最大衰减变小。通过调节电感值，可方便实现局域共振带隙位置的调整，能实现在预定频率范围的振动抑制。构建的超材料板具有附加质量低且能实现智能化调节的优点，可用于新能源汽车车身振动与噪声控制。
参考文献：
[1]陈圣兵.基于压电分流阵列的带隙调控及振动抑制[D].长沙：国防科学技术大学，2006：34-38.
[2]郁殿龙.基于声子晶体理论的梁板类周期结构振动带隙特性研究[D].长沙：国防科学技术大学，2006：26-28.
[3]陈圣兵，韩小云，郁殿龙，温激鸿.不同分流电路对声子晶体梁带隙的影響[J].物理学报，2010，59（1）：387-392.
[4]沈礼，吴九汇，陈花玲.声子晶体结构在汽车制动降噪中的理论研究及应用[J].应用力学学报，2010，27（2）：293-297.
[5]张思文，吴九汇.局域共振复合单元声子晶体结构的低频带隙特性研究[J].物理学报，2013，62（13）：134-136.
[6]李凤明，汪越胜.压电周期结构振动主动控制研究[J].振动工程学报，2004，17：828-830.