This paper presents the multi-mode noise reduction of smart panels of which passive piezoelectric shunt damping is introduced. For the piezoelectric shunt damping, a passive shunt circuit composed of inductors and a load resistor is connected to the piezoelectric patch mounted on the panel structure. An electrical impedance model is introduced for the system based on the measured electrical impedance, and the criteria for maximum energy dissipation at the shunt circuit is used to find the optimal shunt parameters. For multi-mode shunt damping, the shunt circuit is modified by the introduction of a block circuit. Also the optimal location of the piezoelectric patch is studied by finite element analysis in order to cause the maximum admittance from the patch for each mode of the structure. An acoustic test is performed for the panels and a remarkable noise reduction is obtained in multiple modes of the panel structure.
In this paper, transmitted sound reduction performance of smart panels is studied according to different piezoelectric materials with piezoelectric shunt damping. Peizo-damping is implemented by using a newly proposed tuning method. This method is based on electrical impedance model and maximizing the dissipated energy at the shunt circuit. By measuring the electrical impedance at the piezoelectric patch bonded on a structure, an equivalent electrical model is constructed near the system resonance frequency. After shunting elements are connected to the equivalent circuit, the shunt parameters are optimally searched based on the criterion of maximizing the dissipated energy at the shunt circuit. Transmitted sound reduction performance is compared according to different piezoelectric materials with peizo-damping. Two piezoelectric materials are selected: PZT-5 and QuickPack IDE actuator. When resonant shunt circuit is considered, the use of PZT-5 exhibited the good sound reduction performance.
The piezoelectric coupling in piezoelectric vibration energy harvesters with load resistance induces electrical damping as well as increase in the system stiffness. Starting from analytically deriving the explicit relations through governing equations in the frequency domain, this work identifies the characteristics of the electrically induced damping mechanism and shows that the electrically induced damping serves as a structural hysteretic damping on condition that a piezoelectric vibration energy harvester is excited at its short-circuit resonant frequency and its load resistor is optimally impedance- matched at the same time. Finally, it is analytically verified that the equivalence of a mechanical and an electrically induced damping ratio is required for the maximum power generation at a load resistor, which was claimed in some literature.
In this paper, the transmitted noise reduction of smart panels of which passive piezoelectric shunt damping is used, is experimentally studied. Shunt damping experiments are based on the measured electrical impedance model. A passive shunt circuit composed of inductor, and load resistor is devised to dissipate the maximum energy into the joule heat energy For multi mode shunt damping, the shunt circuit is redesigned by adding a blocking circuit. (omitted)
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제15권4호
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pp.396-411
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2014
Synchronized switch damping (SSD) techniques have recently been developed for structural vibration control using piezoelectric materials. In these techniques, piezoelectric materials are bonded on the vibrating structure and shunted by a network of electrical elements. These piezoelectric materials are switched according to the amplitude of the excitation force to damp vibration. This paper presents a new SSD technique called 'synchronized switch damping on negative capacitance and adaptive voltage sources' (SSDNCAV). The technique combines the phenomenon of capacitance transient charging and electrical resonance to effectively dampen the structural vibration. Also, the problem of stability observed in the previous SSD techniques is effectively addressed by adapting the voltage on the piezoelectric patch according to the vibration amplitude of the structure. Analytical expressions of vibration attenuation at the resonance frequency are derived, and the effectiveness of this new technique is demonstrated, for the control of a resonant cantilever beam with bonded piezoelectric patches, by comparing with SSDI, SSDVenh, and SSDNC techniques. Theoretical predictions and experimental results show the remarkable vibration damping capability of SSDNCAV technique, which was better than the previous SSD techniques. The broadband vibration control capabilities of SSDNCAV technique are also demonstrated, which exceed those of previous SSD techniques.
Possibility of passive piezoelectric damping based on a new shunting parameter estimation method is studied using finite element analysis. The adopted tuning method is based electrical impedance that is found at piezoelectric device and the optimal criterion for maximizing dissipated energy at the shunt circuit. Full three dimensional finite element model is used for piezoelectric devices with cantilever plate structure and shunt electronic circuit is taken into account in the model. Electrical impedance is calculated at the piezoelectric device, which represents the structural behavior in terms of electrical field, and equivalent electrical circuit parameters for the first mode are extracted using PRAP (Piezoelectric Resonance Analysis Program). After the shunt circuit is connected to the equivalent circuit for the first mode, the shunt parameters are optimally decided based on the maximizing dissipated energy criterion. Since this tuning method is based on electrical impedance calculated at piezoelectric device, multi-mode passive piezoelectric damping can be implemented for arbitrary shaped structures.
안전감쇠에 의해 전달 소음을 저감시키는 압전지능패널에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 압전지능패널은 기본적으로 압전재료를 부착한 평판 구조물에 션트회로를 연결하고 흡음재들을 부가한 구조물이다. 지능패널은 중 주파수영역에서 흡음재의 수동적 특성을 이용하고 저주파수영역의 공진주파수에서는 압전감쇠를 적용하여 소음저감을 이루는 개념이다. 저주파공진에서의 소음저감을 위하여 측정한 전기적임피던스모델을 이용하는 압선감쇠를 적용하였다. 압전감쇠를 위한 공진 션트회로는 직렬로 연결된 저항과 인넉터로 구성되었으며, 저항과 인덕터는 회로에서 소산되는 에너지가 최대가 될 수 있는 값으로 최적설계하였다. 압전지능패널의 전달 소음저감성능은 음향터널을 사용하여 실험을 수행하였다. 음향터널은 사각단면 형태이며 소음 원으로 터널의 한 쪽 끝에 스피커가 설치되었다. 패널들을 터널의 중앙에 설치하여 투과 음압을 측정하였다. 흡음재를 갖는 지능패널과 흡음재와 공기층을 갖는 압전이중지능패널은 수동적 특성에 의해 저주파영역의 공진주파수를 제외한 중 주파수영역에서 뚜렷한 소음저감 효과를 나타내었다. 압전감쇠를 통하여, 첫 번째 공진주파수에서 약 10dB, 8dB의 소음저감 효과를 얻었다. 압전감쇠와 수동특성을 혼용하는 압전지능패널은 넓은 주파수영역에서의 소음저감을 위한 유망한 기술이다.
보의 표면에 부착된 압전웨이퍼를 통해 가진되고 측정되는 고주파수 대역의 전기역학적 신호는 보에 발생한 미세 손상에 매우 민감하다. 이러한 부착형 압전웨이퍼의 장점을 이용한 보의 손상 진단을 효과적으로 수행하기 위해서는 압전웨이퍼의 탐지범위 예측이 필요하다. 고주파수 대역에서 압전웨이퍼의 탐지범위에 영향을 주는 여러 가지 요인 중 가장 지배적인 인자는 보의 감쇠이다. 이 연구에서는 보에 부착된 압전웨이퍼의 전기역학적 신호를 이용하여 보의 감쇠를 추정할 수 있는 기법을 제시한다. 공진이 발생하는 과정에서 보의 감쇠효과를 고려하여 압전웨이퍼의 전기역학적 신호를 파전달 관점에서 정식화한다. 실제 계측된 전기역학적 신호로부터 구한 측정 감쇠비 함수값과 정식화된 전기역학적 신호로부터 계산된 감쇠비 함수값의 차이를 최소화하는 최소자승법을 통해 보의 감쇠비를 추정한다. 제시된 방법을 압전웨이퍼가 병치되어 있는 알루미늄 보 수치 및 실험 예제에 적용하여 타당성을 검증한다.
In this paper, the transmitted noise reduction of smart panels of which passive piezoelectric shunt damping is used, is experimentally studied. Shunt damping experiments are based on the measured electrical impedance model. A passive shunt circuit composed of inductors, and a load resistor is devised to dissipate the maximum energy into the joule heat energy. For multi-mode shunt damping, the shunt circuit is redesigned by adding a blocking circuit. Also the optimal location of the piezoelectric patch is studied by FEM in order to cause the maximum admittance from the patch for each mode of aluminum plate. In results, the transmitted sound pressure level of panels is efficiently reduced for multi-modes
This work presents the feasibility of shunt damping far vibration suppression of the rotating HDD disk-spindle system using piezoelectric bimorph. A target vibration mode which significantly restricts the recording density increment of the drive is determined through modal analysis and a piezoelectric bimorph is designed to suppress unwanted vibration. After deriving the two-dimensional generalized electromechanical coupling coefficient of the shunted drive, the shunt damping of the system is predicted by simulating the displacement transmissibility using the coefficient. In addition, optimal design process using sensitivity analysis is undertaken in order to improve the shunt damping of the system. The effectiveness of the proposed methodology is verified through experimental implementation by observing the vibration characteristics of the rotating disk-spindle system in frequency domain.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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