17087

17087

كنترل فعال تشعشع صوتي از ورقهاي ضخيم پيزولايه اي

دكتري

طراحي كاربردي

خرداد 1395

دكتر سيد محمد هاشمي نژاد

مكانيك

در اين پاياننامه يك مدل جامع و فراگير از پاسخ تحليلي ارتعاشي صوتي ورقهاي مستطيلي و دايروي - پيزولايهاي هوشمند با هر ضخامت دلخواه توسعه داده شده است. در اين راستا، پاسخ ديناميكي سازه سيال - براي ورقهاي لايهاي )با هر نوع آرايش لايه و جنس دلخواه شامل همسانگرد، پيزوالكتريك، كامپوزيت، FGM و ...( در مجاورت محيط آكوستيكي و در يك جداساز ) baffle ( نامتناهي صلب، به ازاي هر گونه بارگذاري ديناميكي مكانيكي، الكتريكي و يا تركيبي از آنها مورد مطالعه قرار گرفته است. از تئوري دقيق پيزوالاستيسيته سهبعدي خطي جهت مدلسازي كامل رفتار ديناميكي سازههاي هوشمند مستطيلي و دايروي با ضخامت دلخواه و بدون هيچ فرض سادهكننده بهره گرفته شده است. همچنين، براي نخستين بار مدل تابش صوتي رايلي با مدل الاستيك سهبعدي سازه تركيب و كوپل شده و يك مدل يكپارچه سازه- سيال با قابليت اعمال همزمان اثرات متقابل بين سازه و محيط آكوستيكي استخراج شده در حالي كه محدوديتهاي مدلهاي پيشين بر نوع بارگذاري سيال آكوستيكي )اعم از سبك يا كمچگال بودن و يكطرفه بودن( برداشته شده است. به طور خاص، دو سازه هوشمند مستطيلي و دايروي متشكل از يك لايه همسانگرد عرضي ميزبان )مياني( پوشانده شده با لايههاي حسگر و عملگر گسترده پيزوالكتريك در نظر گرفته شده به طوري كه لايههاي گسترده حسگر و عملگر، جهت اندازهگيري و تحريك سرعت حجمي )مود اول تابشي( سازه انتخاب شدهاند. به وسيله نگاشتهاي خطي و استفاده از توابع شكل مود متعامد متناسب با هندسه ورقهاي مستطيلي و دايروي، معادلات الاستيسيته حاكم به دو سيستم فضاي حالت مجزا تبديل شده و مدل جامع الاستو آكوستيك با اعمال شرايط مرزي مكانيكي، الكتريكي و آكوستيكي به فرم سيستم معادلات جبري - خطي ماتريسي حاصل شده است. با حل عددي سيستم معادلات خطي مدل جامع پاسخ ارتعاشي صوتي - ورقهاي پيزولايهاي مستطيلي و دايروي بدون محدوديت بر نسبت ضخامت طول سازه، جنس و تعداد - لايههاي سازه، چگالي و تعداد محيط سيال اطراف به دست آمده است. صحت و اعتبار نتايج حاصل از مدل جامع الاستو آكوستيك از طريق مقايسه با نتايج حاصل از نرمافزار اجزاء محدود و اطلاعات موجود در - مقالات نيز تاييد شده است. در ادامه، امكان كنترل فعال توان صوتي تابششده از سازههاي لايهاي با ضخامت دلخواه بر پايه كنترل مود اول تابشي سيستم به وسيله مجموعه لايههاي حسگر/عملگر سرعت حجمي مورد بررسي قرار گرفته است. در اين مسير، ابتدا شناسايي سيستم با الگوريتم زيرفضاي N4SID روي مجموعه دادههاي عملگر و حسگر انجام شده و ماتريسهاي فضاي حالت و تابعهاي تبديل مورد نياز از ديناميكهاي سيستم كوپل سازه/سيال استخراج گرديدهاند. سپس، براي كنترل فعال تابش صوتي يك كنترلكننده بهينه خطي LQG و يك كنترلكننده مقاوم نُرم تركيبي ℋ2/ℋ∞ طراحي و شبيهسازي شدهاند در حالي كه سازه هوشمند تحت م اغتشاشات الكترومكانيكي و عدمقطعيتهاي فركانس بالا قرار دارد. شبيهسازيهاي عددي انجامشده، تاثير مطلوب روش عملگر/حسگر سرعت حجمي به همراه استراتژي كنترل بهينه LQG و كنترل مقاوم ℋ2/ℋ∞ در فرونشاندن تابش صوتي از ورقهاي ساندويچي سهلايه مستطيلي و دايروي در هر دو حوزه فركانس و زمان را نشان ميدهند. همچنين، عملكرد سيستم در كنترل بهينه به ازاي پارامترهاي كنترلي مختلف و اغتشاشات مكانيكي پهنباند ضربهاي و تصادفي مقايسه شدهاند. به علاوه، كارايي كنترل مقاوم چندهدفه در دستيابي به رديابي و حذف اغتشاش بهتر در مقايسه با كنترلكنندههاي ℋ2 و ℋ∞ مشاهده شده است.

1396/01/19

1/1/1900 12:00:00 AM

A spatial state-space formulation based on the linear three-dimensional piezoelasticity theory in conjunction with the classical Rayleigh integral acoustic radiation model are employed to obtain a semi-analytic solution for the coupled vibroacoustic response of simply supported, arbitrarily thick, piezolaminated rectangular an​d circular plates, set in an infinite rigid baffle. The smart structure is composed of a transversely isotropic supporting core layer integrated with matched volume velocity spatially distributed piezoelectric sensor an​d uniform force actuator layers. To assist controller design, a frequency-domain subspace-based identification technique is applied to estimate the coupled fluid-structure dynamics of the system. A standard linear quadratic Gaussian (LQG) optimal controller as well as a multi-objective mixed ℋ2/ℋ∞ robust controller are subsequently synthesized an​d adopted for active sound radiation control of the smart panels, in the face of general electromechanical disturbances an​d un-modeled dynamics. The control input voltage for effective reduction of the estimated radiated power (net volume velocity) of the panel is calculated in both frequency an​d time domains. Numerical simulations demonstrate the effectiveness of the adopted volumetric sensing/actuating technique together with optimal LQG o​r robust ℋ2/ℋ∞ control strategies for suppressing low frequency sound radiation from three-layered sandwich panels in both frequency an​d time domains. The trade-off between dynamic performance an​d control effort penalty is examined in optimal LQG control scheme for two different types of loading (i.e., impulsive an​d broadband random disturbances). Also, superior bandwidth frequency an​d tracking performance of mixed-norm robust ℋ2/ℋ∞ controller in comparison to ℋ2 an​d ℋ∞ controllers are observed. Validity of the comprehensive elasto-acoustic model results is demonstrated by comparison with a commercial finite element package, as well as with the data available in the literature.