Piezoelectric controlled noise attenuation of engineering systems

• Autorzy: Ringwelski S. , Luft T. , Gabbert U.

Warianty tytułu

PL

Tłumienie hałasu w konstrukcjach inżynierskich za pomocą elementów piezoelektrycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the paper, a recently developed overall numerical approach is presented, which is suitable to design smart engineering systems to actively reduce sound radiation. For this reason, piezoelectric patch actuators and sensors are attached to the surface of the structure to control structural vibrations. In the paper, the theoretical background of the design process is briefly presented first. The basis is a combined finite element and boundary element approach. Electromechanical coupled finite elements are applied to model the structure as well as the piezoelectric patches. The finite element method is also used to model fluid domains which are partially or totally bounded by the structure. Boundary elements are used to characterize the unbounded acoustic pressure fields. Then it is shown how control algorithms can be included into the simulation process, which finally results in an overall simulation approach for structural acoustic systems including control. The numerical approach is also verified by measurements. The experimental setup enables measurements of the uncontrolled and controlled radiated sound fields using a microphone array. A comparison between the measured values and those predicted by the proposed coupled finite element-boundary element approach shows good agreement. Finally, it is demonstrated how the approach can be applied to real engineering systems. As an example, noise reduction of a car engine with a smart oil pan is presented. Again, the numerical results of the uncontrolled and controlled behavior are in good agreement with the measurements. It can be concluded that the proposed overall numerical approach can be applied to design real engineering systems, which are able to actively reduce the noise level.

PL

W pracy przedstawiono ostatnio opracowaną przez autorów metodę obliczeniową do projektowania konstrukcji „inteligentnych”, których zadaniem jest redukcja emisji hałasu. Do samego tłumienia hałasu użyte są elementy piezoelektryczne przyklejane do powierzchni danej konstrukcji. Na początek omówiono podstawy teoretyczne projektowania takich układów. Podstawę stanowi kombinacja metody elementów skończonych i brzegowych. Elementy skończone ze sprzężeniem elektromechanicznym służą do modelowania piezoelektryków i konstrukcji bazowej. Metodę elementów skończonych zastosowano także do modelowania płynu znajdującego się wewnątrz projektowanego urządzenia przy częściowym lub całkowitym zamknięciu płynu ścianami konstrukcji. Elementy brzegowe użyto do opisu otwartego pola akustycznego. Następnie pokazano sposób, w jaki algorytmy sterowania należy wprowadzić do ogólnej procedury obliczeniowej do projektowania urządzeń z aktywnym układem redukcji hałasu. Otrzymane rezultaty symulacji numerycznych zweryfikowano pomiarami z doświadczeń. Stanowisko badawcze zostało wyposażone w odpowiedni układ mikrofonów, co umożliwiło pomiar poziomu hałasu z włączonym i wyłączonym układem sterowania. Stwierdzono dobrą zgodność wyników eksperymentu z zaproponowaną metodą numeryczną wykorzystującą elementy skończone i brzegowe. Na koniec omówiono przykład zastosowania zaproponowanej metody do projektowania rzeczywistej konstrukcji. Zaprezentowano silnik samochodowy z układem aktywnej redukcji hałasu umiejscowionym na misce olejowej. Powtórnie zbadano zgodność wyników symulacji numerycznych z pomiarami doświadczalnymi, stwierdzając dobrą zgodność pomiędzy nimi. W konkluzji uznano, że zaproponowana metoda nadaje się do zintegrowania z ogólnymi algorytmami projektowania rzeczywistych konstrukcji inżynierskich, w których nacisk położono na redukcję poziomu hałasu.

Słowa kluczowe

EN

FEM; BEM; fluid-structure interaction; piezoelectricity; active control

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 49 nr 3
• Strony: 859--878
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Ringwelski S.

autor

Luft T.

autor

Gabbert U.

• Otto-von-Guericke University of Magdeburg, Department of Mechanical Engineering, Magdeburg, Germany,

Bibliografia

• 1. Fuller C.R., 1990, Active control of sound transmission/radiation from elastic plates by vibration inputs. I – Analysis, Journal of Sound and Vibration, 136, 1, 1-15
• 2. Fuller P.A., Elliott S.J., 1992, Active Control of Sound, Academic Press Limited London
• 3. Gabbert U., Berger H., K¨oppe H., Cao X., 2000, On modelling and analysis of piezoelectric smart structures by the finite element method, Journal of Applied Mechanics and Engineering, 5, 1, 127-142
• 4. Heintze O., Misol M., Algermissen S., Hartung C.F., 2008, Active structural acoustic control for a serial production truck oil pan: experimental realization, Proceedings of the Adaptronic Congress, Berlin, 147-153
• 5. Kaljević I., Saravanos D.A., 1997, Steady-state response of acoustic cavities bounded by piezoelectric composite shell structures, Journal of Sound and Vibration, 204, 3, 459-476
• 6. Khan M.S., Cai C., Hung K.C., Varadan V.K., 2002, Active control of sound around a fluid-loaded plate using multiple piezoelectric elements, Smart Materials and Structures, 11, 346-354
• 7. Lef`evre J., Gabbert U., 2005, Finite element modelling of vibro-acoustic systems for active noise reduction, Technische Mechanik, 25, 3/4, 241-247
• 8. Lerch R., Landes H., Friedrich W., Hebel R., Hoss A., Kaarmann H., 1992, Modelling of acoustic antennas with a combined finite-element-boundary-element-method, Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium, 643-654
• 9. Li S., Zhao D., 2004, Numerical simulation of active control of structural vibration and acoustic radiation of a fluid-loaded laminated plate, Journal of Sound and Vibration, 272, 1/2, 109-124
• 10. Luft T., Ringwelski S., Gabbert U., Henze W., Tsch¨oke H., 2010, Adaptive controllers for active noise reduction of a stripped engine, Proceedings of World Automotive Congress, A-039
• 11. Marinković D., K¨oppe H., Gabbert U., 2006, Numerically efficient finite element formulation for modeling active composite laminates, Mechanics of Advanced Materials and Structures, 13, 379-392
• 12. Oude Nijhuis M.H.H., Boer de A., 2002, Finite element models applied in active structural acoustic control, Proceedings of SPIE, 4693, 57-68
• 13. Pates C.S., Shirahatti U.S., Mei C., Sound-structure interaction analysis of composite panels using coupled boundary and finite element methods, Journal of the Acoustical Society of America, 98, 2, 1216-1221
• 14. Pinto Correia I.F., Mota Soares C.M., Mota Soares C.A., Normam J.H., 2002, Active control of axisymmetric shells with piezoelectric layers: a mixed laminated theory with a high order displacement field, Computers and Structures, 80, 1/2, 2265-2275
• 15. Redaelli M., Manzoni S., Cigada A., Wimmel R., Siebald H., Fehren H., Schiedewitz M., Wolff K., Lahey H.-P., Nussmann C., Nehl J., Naake A., 2007, Different techniques for active and passive noise cancellation at powertrain oil pan, Adaptronic Congress, Gottingen, 21/1-8
• 16. Ringwelski S., 2011, Numerische Modelle f¨ur die aktive Schwingungs- und Schallereduktion und deren Verifikation, VDI Fortschritt-Berichte, Reihe 20 Nr. 435, VDI-Verlag GmbH
• 17. Ringwelski S., Gabbert U., 2010, Modeling of a fluid-loaded smart shell structure for active noise and vibration control using a coupled finite elementboundary element approach, Smart Materials and Structures, 19, 10, 105009
• 18. Verhoosel C.V., Gutierrez M.A., 2009,Modelling inter- and transgranular fracture in piezoelectric polycrystals, Engineering Fracture Mechanics, 76, 6, 742-760
• 19. Wang J., Shepard Jr. W.S., Williams K.A., Gattis C.B., 2006, Active vibration control of a plate-like structure with discontinuous boundary conditions, Smart Materials and Structures, 15, 3, N51-N60
• 20. Zhang Z., Chen Y., Yin X., Hua H., 2008, Active vibration isolation and underwater sound radiation control, Journal of Sound and Vibration, 318, 725-736