Il presente lavoro di tesi è incentrato sullo studio e sullo sviluppo di un metodo di controllo attivo del rumore e delle vibrazioni attraverso sensori e attuatori a film piezoelettrico (patch PZT) e algoritmi in ambiente Labview basati su regolatori PID. A tal proposito sono state analizzate diverse problematiche sui vari aspetti del controllo attivo delle vibrazioni e del rumore, proponendo una metodologia originale, basata sul metodo dei coefficienti di convergenza, per il rilievo di difetti mediante onde ultrasoniche di superficie generate e misurate con patch piezoelettriche. Gli attuatori piezoelettrici sono spesso adoperati all’interno di sistemi complessi per controllare le condizioni di funzionamento. Tali trasduttori sono soggetti a riscaldamento, a causa delle correnti che si muovono al loro interno. Il principale problema può presentarsi in strutture dove l’effetto termico può alterare le corrette operazioni, specialmente quando l’attività dell’attuatore è continua. In questa tesi è stato implementato un modello conduttivo di tipo termo-elettro-meccanico, capace di descrivere il riscaldamento di attuatori piezoelettrici annegati. In particolare esso permette di valutare la temperatura della patch PZT, misurando quelle delle superfici esterne del sistema. Per questo scopo, la distribuzione termica delle facce dell’attuatore è stata acquisita mediante termografia IR e punti rappresentativi sono stati investigati con termocoppie superficiali. Il modello è stato validato analizzando il provino costituito da una struttura polimerica con una patch PZT inglobata. Un modello di misura dell’incertezza è stato calcolato per mettere in evidenza le variabili più rilevanti ed è stato presentato il caso studio di una patch PZT, annegata all’interno di un pannello in composito. I sensori piezoelettrici sono dispositivi in grado di percepire lo stato vibrazionale di strutture più o meno complesse. Le loro caratteristiche intrinseche devono mostrare adeguatezza nell’acquisire correttamente i segnali da misurare, per cui risultano fondamentali la loro posizione, le loro dimensioni, il loro peso ed in generale le caratteristiche meccaniche ed elettriche utili alla loro funzione. Nella maggior parte dei casi tutto è finalizzato alla rilevazione della risonanza della struttura in esame. Questa rappresenta certamente l’effetto principale da eliminare per ottenere un corretto controllo di vibrazione e rumore, tuttavia può essere fruttata per giungere a risultati vantaggiosi. Molti dispositivi piezoelettrici sono in grado di adoperare la vibrazione per produrre energia elettrica. Tale tecnica è chiamata Energy Harvesting (EH) e si basa sulla generazione di piccole potenze elettriche, mediante l’utilizzo di fenomeni dovuti ad interazioni indirette sistema-harvester. In tal maniera è possibile posizionare un elemento piezoelettrico su un sistema vibrante e sfruttare la vibrazione prodotta per innescare la risonanza ed in modo passivo sviluppare corrente e tensione. In questo lavoro di tesi sono stati caratterizzati un generatore piezoelettrico risonante a sbalzo (RPG), in grado di operare in configurazione d31 ed un circuito di raddrizzamento e di regolazione (RRC) ad esso collegabile. I comportamenti elettrici e vibrazioni sono stati indagati attraverso prove di laboratorio per evidenziare la potenza massima generabile, i parametri dinamici, il campo di deformazione associata, l'efficienza dell’RPG ed i tempi di carica e scarica dell’RRC. I risultati mostrano che esiste una potenza ottimale per un carico specifico ed essa si massimizza in corrispondenza della frequenza di risonanza. Infatti in queste condizioni meccaniche, la potenza si accresce di diversi ordini di grandezza e vantaggi simili sono ottenuti nell’efficienza. Gli stessi sono stati raggiunti impiegando l’RCC, incrementando i tempi di funzionamento. L'obiettivo principale di questo studio è quello di migliorare le prestazioni di un tradizionale risuonatore piezoelettrico a sbalzo e verificarne la fattibilità per casi reali. Il controllo attivo del rumore e delle vibrazioni è stato messo a punto avvalendosi dei sensori e degli attuatori piezoelettrici precedentemente studiati, al fine di creare un sistema automatizzato in grado di sopperire all’obiettivo attraverso implementazione software. L’architettura hardware è stata facilmente impiantata su una semplice struttura, incollando i trasduttori sulle sue superfici. In seguito questi sono stati collegati ad un sistema di acquisizione/ controllo/generazione dei segnali di vibrazione. In ambito software sono stati sviluppai applicativi, utilizzando LabVIEW™, in grado di attuare opportune strategie di condizionamento dei segnali, avvalendosi del principio di sovrapposizione degli effetti. L’obiettivo del lavoro è quello di ridurre le vibrazioni alla risonanza, acquisendo i segnali e generando onde uguali e contrare, quindi con stesso modulo e opposta fase, permettendo di approntare la cosiddetta sovrapposizione distruttiva, prodotta attraverso controllo ad anello chiuso. L’ultima parte di questa tesi è incentrata sul proporre l’uso delle patch piezoelettriche come sensori ed attuatori attraverso la tecnica del Match Coefficient Approach (MCA) per l’identificazione di difetti prossimi alla superficie di strutture metalliche. Il setup utilizzato per l’applicazione di questa innovativa metodologia coincide con quello adoperato per il controllo attivo delle vibrazioni e del rumore; di conseguenza esso permette ambivalentemente di svolgere monitoraggio strutturale e controllo attivo. In questo caso è stato fatto uno studio preliminare con il quale è stato proposto un algoritmo in ambiente Matlab™ per applicare lo schema di ricostruzione delle immagini attraverso Synthetic Aperture Focus (SAF), opportunamente modificato mediante la tecnica del Matched Field Processing (MFP), utilizzata per la localizzazione delle sorgenti acustiche per emissioni subacquee e dei terremoti. Per verificare l’efficienza della proposta è stato studiato il caso di una piastra sottile metallica con fori, spallature e difetti su cui sono stati incollati trasduttori piezoelettrici allo scopo di identificare tali disuniformità della superficie.

Sviluppo di metodologie sperimentali per il controllo attivo delle vibrazioni e la riduzione del rumore vibro-acustico

QUATTROCCHI, ANTONINO
2017-02-23

Abstract

Il presente lavoro di tesi è incentrato sullo studio e sullo sviluppo di un metodo di controllo attivo del rumore e delle vibrazioni attraverso sensori e attuatori a film piezoelettrico (patch PZT) e algoritmi in ambiente Labview basati su regolatori PID. A tal proposito sono state analizzate diverse problematiche sui vari aspetti del controllo attivo delle vibrazioni e del rumore, proponendo una metodologia originale, basata sul metodo dei coefficienti di convergenza, per il rilievo di difetti mediante onde ultrasoniche di superficie generate e misurate con patch piezoelettriche. Gli attuatori piezoelettrici sono spesso adoperati all’interno di sistemi complessi per controllare le condizioni di funzionamento. Tali trasduttori sono soggetti a riscaldamento, a causa delle correnti che si muovono al loro interno. Il principale problema può presentarsi in strutture dove l’effetto termico può alterare le corrette operazioni, specialmente quando l’attività dell’attuatore è continua. In questa tesi è stato implementato un modello conduttivo di tipo termo-elettro-meccanico, capace di descrivere il riscaldamento di attuatori piezoelettrici annegati. In particolare esso permette di valutare la temperatura della patch PZT, misurando quelle delle superfici esterne del sistema. Per questo scopo, la distribuzione termica delle facce dell’attuatore è stata acquisita mediante termografia IR e punti rappresentativi sono stati investigati con termocoppie superficiali. Il modello è stato validato analizzando il provino costituito da una struttura polimerica con una patch PZT inglobata. Un modello di misura dell’incertezza è stato calcolato per mettere in evidenza le variabili più rilevanti ed è stato presentato il caso studio di una patch PZT, annegata all’interno di un pannello in composito. I sensori piezoelettrici sono dispositivi in grado di percepire lo stato vibrazionale di strutture più o meno complesse. Le loro caratteristiche intrinseche devono mostrare adeguatezza nell’acquisire correttamente i segnali da misurare, per cui risultano fondamentali la loro posizione, le loro dimensioni, il loro peso ed in generale le caratteristiche meccaniche ed elettriche utili alla loro funzione. Nella maggior parte dei casi tutto è finalizzato alla rilevazione della risonanza della struttura in esame. Questa rappresenta certamente l’effetto principale da eliminare per ottenere un corretto controllo di vibrazione e rumore, tuttavia può essere fruttata per giungere a risultati vantaggiosi. Molti dispositivi piezoelettrici sono in grado di adoperare la vibrazione per produrre energia elettrica. Tale tecnica è chiamata Energy Harvesting (EH) e si basa sulla generazione di piccole potenze elettriche, mediante l’utilizzo di fenomeni dovuti ad interazioni indirette sistema-harvester. In tal maniera è possibile posizionare un elemento piezoelettrico su un sistema vibrante e sfruttare la vibrazione prodotta per innescare la risonanza ed in modo passivo sviluppare corrente e tensione. In questo lavoro di tesi sono stati caratterizzati un generatore piezoelettrico risonante a sbalzo (RPG), in grado di operare in configurazione d31 ed un circuito di raddrizzamento e di regolazione (RRC) ad esso collegabile. I comportamenti elettrici e vibrazioni sono stati indagati attraverso prove di laboratorio per evidenziare la potenza massima generabile, i parametri dinamici, il campo di deformazione associata, l'efficienza dell’RPG ed i tempi di carica e scarica dell’RRC. I risultati mostrano che esiste una potenza ottimale per un carico specifico ed essa si massimizza in corrispondenza della frequenza di risonanza. Infatti in queste condizioni meccaniche, la potenza si accresce di diversi ordini di grandezza e vantaggi simili sono ottenuti nell’efficienza. Gli stessi sono stati raggiunti impiegando l’RCC, incrementando i tempi di funzionamento. L'obiettivo principale di questo studio è quello di migliorare le prestazioni di un tradizionale risuonatore piezoelettrico a sbalzo e verificarne la fattibilità per casi reali. Il controllo attivo del rumore e delle vibrazioni è stato messo a punto avvalendosi dei sensori e degli attuatori piezoelettrici precedentemente studiati, al fine di creare un sistema automatizzato in grado di sopperire all’obiettivo attraverso implementazione software. L’architettura hardware è stata facilmente impiantata su una semplice struttura, incollando i trasduttori sulle sue superfici. In seguito questi sono stati collegati ad un sistema di acquisizione/ controllo/generazione dei segnali di vibrazione. In ambito software sono stati sviluppai applicativi, utilizzando LabVIEW™, in grado di attuare opportune strategie di condizionamento dei segnali, avvalendosi del principio di sovrapposizione degli effetti. L’obiettivo del lavoro è quello di ridurre le vibrazioni alla risonanza, acquisendo i segnali e generando onde uguali e contrare, quindi con stesso modulo e opposta fase, permettendo di approntare la cosiddetta sovrapposizione distruttiva, prodotta attraverso controllo ad anello chiuso. L’ultima parte di questa tesi è incentrata sul proporre l’uso delle patch piezoelettriche come sensori ed attuatori attraverso la tecnica del Match Coefficient Approach (MCA) per l’identificazione di difetti prossimi alla superficie di strutture metalliche. Il setup utilizzato per l’applicazione di questa innovativa metodologia coincide con quello adoperato per il controllo attivo delle vibrazioni e del rumore; di conseguenza esso permette ambivalentemente di svolgere monitoraggio strutturale e controllo attivo. In questo caso è stato fatto uno studio preliminare con il quale è stato proposto un algoritmo in ambiente Matlab™ per applicare lo schema di ricostruzione delle immagini attraverso Synthetic Aperture Focus (SAF), opportunamente modificato mediante la tecnica del Matched Field Processing (MFP), utilizzata per la localizzazione delle sorgenti acustiche per emissioni subacquee e dei terremoti. Per verificare l’efficienza della proposta è stato studiato il caso di una piastra sottile metallica con fori, spallature e difetti su cui sono stati incollati trasduttori piezoelettrici allo scopo di identificare tali disuniformità della superficie.
Controllo attivo delle vibrazioni e del rumore; sensori piezoelettrici; attuatori piezoelettrici; patch piezoelettriche; termografia IR; energy harvesting; vibrometria laser Doppler; Match Coefficient Approach; Synthetic Aperture Focus; Ultrasonic Imaging
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