Model - based active noise control of a piezoelectric structure

Abstract

Methods of active noise and vibration control involve different techniques which combine electroacoustics with integration of active materials and controller into a complex active structural system in order to enable radiation of an anti-phased field for cancellation or attenuation of an original noise in a specific domain. This paper presents a model-based controller design procedure for the active noise attenuation of a piezoelectric structure surrounded by the acoustic fluid. Model development is based on a finite element method approach, which takes into consideration the electro-mechanical-acoustic effects. A FEM-based state-space model obtained after appropriate transformations and modal reduction is used for the controller design. The aim of the control, suppression of the acoustic fluid pressure in a prescribed point or field, is achieved using an optimal LQ controller designed based on a developed state-space model. The controller design involves also a novel approach, with included additional dynamics for the noise control in the presence of periodic excitations. The effects of the suggested method are tested on a smart acoustic box consisting of an aluminium plate with attached piezoelectric patches, surrounded by the acoustic fluid (air) inside the wooden box. The air pressure reduction at a selected point inside the box is observed in the controlled case. Aktywne metody redukcji drgań i hałasu wymagają zróżnicowanych technik, które łączą elementy elektroakustyczne zintegrowane z elementami czynnymi oraz sterownikami wewnątrz złożonej aktywnej struktury, żeby umożliwić promieniowanie pola w przeciwfazie w celu eliminacji lub redukcji pierwotnego hałasu w wybranej strefie. Artykuł prezentuje projekt regulatora na bazie modelu do aktywnej redukcji hałasu struktury piezoelektrycznej w otoczeniu płynu akustycznego. Opracowany model bazuje na metodzie elementów skończonych, która uwzględnia zjawiska elektro-mechaniczno-akustyczne. Model w przestrzeni stanu powstały na podstawie MES, otrzymany w wyniku stosownych przekształceń i uproszczeń modelu, użyto do syntezy regulatora. Celem sterowania było wytłumienie ciśnienia płynu akustycznego w danym punkcie lub polu, co osiągnięto, wykorzystując regulator optymalny LQ zaprojektowany na podstawie opracowanego modelu w przestrzeni stanu. Projektowanie regulatora wymaga nowatorskiego podejścia uwzględniającego dodatkową dynamikę podczas redukcji hałasu w obecności wymuszeń harmonicznych. Efekty zaprezentowanej metody zostały przetestowane na inteligentnej skrzynce akustycznej zbudowanej z aluminiowej płyty z naklejonymi na niej płytkami piezoelektrycznymi, otoczonej przez płyn akustyczny (powietrze), umieszczonej w drewnianym pudle. Zaobserwowano redukcję ciśnienia powietrza w wybranym punkcie wewnątrz skrzynki dla układu z regulatorem.