基于平面声源进行结构声辐射有源控制的实验研究

采用分布式平面声源作为次级声源,对振动钢板的声辐射进行了抵消实验,验证了以往研究中的一系列关键理论。实验研究结果表明:一个平面声源可以控制钢板奇-奇模态的声辐射,两个平面源可以控制结构偶-奇或奇-偶模态的声辐射,同时也可以控制结构奇-奇模态的声辐射;平面声源的面积和布放位置对降噪效果有重要影响,采用单个平面声源控制时,平面声源面积越大,控制效果越好;基于近场声压的误差传感策略是有效可行的,实际中,将近场测量面的声功率作为有源控制的目标函数与总声功率作为目标函数是一致的;控制后远场声压和声强都得到有效降低,部分区域的声能向声源流动,近场声压及声强分布也发生显著变化。     

弹性结构封闭空间有源消声

本文研究了外力激励弹性结构条件下封闭空间有源消声问题。首先根据声弹性理论，提出分步代入法求解初、次级声场，然后以矩形空间为例，研究了不同介质条件下有源消声规律。结果表明：对于弹性结构封闭空间有源消声，当结构一声腔耦合较弱时，次级声源基本上只能抵消声腔模态；当结构一声腔耦合较强时，次级声源不仅能抵消声腔模态，而且对抵消与声腔模态耦合良好的结构模态辐射声也有作用。最后，以有限长圆柱封闭空间为模型，完成了结构受点力激励，腔内为空气介质和水介质条件下的单次级声源有源消声实验。验证了理论结果。     

双层板腔结构声传输及其有源控制研究

利用子系统模态综合方法,结合阻抗-导纳矩阵法,建立了双层板腔结构向自由空间声传输及其在入射板PZT控制、辐射板PZT控制,和腔中次级声源作动等多种控制策略下,系统物理模型的统一的分析模型,导出了系统模态响应及最优次级源强度的统一的阻抗-导纳矩阵表达式。该模型表达式各部分物理意义清晰、明确,便于进行系统耦合理论、有源控制及其机理的分析和数值研究。然后,在此基础上对双层板腔结构声传输有源控制进行了全面深入的数值计算和分析研究,重点探讨了控制方法策略及系统参数对有源控制效果的影响及其对应的控制机理。结果表明:入射板PZT作动辐射声功率最小控制策略是通过入射板、声腔和辐射板三个子系统的模态抑制或重组达到消声的目的,涉及多种复杂控制机理,对入射板、辐射板和声腔模态均有效,但对入射板模态更有效;在低频段声腔(0,0,0)模态在系统耦合响应中起主导作用,因此利用腔中次级声源作动能获得较理想的控制效果,是一种较好的控制策略;由于声腔模态与结构模态间复杂的耦合关系,使得某些频率处腔中声势能一定程度上的降低并不一定导致系统声传输损失的增加,因此,腔中声势能最小控制策略不一定能够获得理想的声传输控制效果。      

声辐射问题中的模态分析,Ⅱ.实例

声辐射模态和声场分布模态分别描述了复杂振动表面的辐射模式和声场的分布模式。通过数值计算,揭示声辐射模态和声场分布模态的物理含义。针对球形声源、旋转体声源和立方体声源,给出了声辐射模态和声场分布模态的几何图案。第一阶模态表示单极子辐射行为,第二阶到第四阶模态表示偶极子辐射行为,第五阶到第九阶模态表示四极子辐射行为。声辐射模态和声场分布模态将多极子分解方法应用于复杂声源声辐射问题的讨论。     

分布式位移传感下的有源声学结构误差传感策略

有源声学结构是近年来提出的一种控制结构低频声辐射的有效方案,它是智能结构在噪声控制领域中的具体应用,而实现该结构的关键问题之一是近场误差传感。本文提出将分布式位移传感材料PVDF敷设于有源声学结构初、次级板表面,用有限个PVDF、对测量辐射声功率实现有源声学结构的近场误差传感。论文首先建立了有源声学结构理论模型,然后基于声辐射模态概念和PVDF传感模型,推导了PVDF形状系数理论公式,最后用一系列的计算机仿真实例给出了初、次级板PVDF形状及有源控制效果,证明所提出的方案是有效的。     

有源声学结构降噪的物理机制分析

有源声学结构是近年来提出的降低结构低频声辐射的有效方案,对其降噪中的物理机制进行分析将为系统优化设计、次级源和误差传感器布放及控制目标选取等关键问题提供直接指导。文中在最小辐射声功率条件下,从控制前后初、次级结构的辐射声功率变化以及声场中声强的分布来阐述降噪中的物理机制,研究结果表明:降噪中的能量转换分为能量抑制、能量吸收及能量反吸收三种机制;对于近场声强分布,有源控制效果主要通过声强幅度抑制和声强方向调整两种机制体现,部分区域的声能量在控制前向远场传递,控制后则流向声源。     

结构振动和声辐射的可控性和可观性指标

结构振动和声辐射的可控性和可观性指标对有源控制系统作动器/传感器的布置具有重要意义。对结构振动和声辐射的可控性和可观性指标进行了研究,提出了基于声压输出的振动模态可观性指标,在振动模态可控性和可观性指标的基础上,结合振动模态的声辐射效率,提出了结构声辐射的可控性和可观性指标和基于声压输出的可观性指标。以板结构为例,对结构振动和声辐射的可控性和可观性指标进行了计算分析和讨论,比较了基于声压输出和基于振动响应输出的振动模态可观性,重点研究了基于声压输出的振动模态可观性和结构振动及声辐射的可观性特点,最后对指标值在结构声有源控制中输入(输出)位置选择上的应用进行了讨论和比较,通过数值仿真对指标的有效性进行了验证。      

结构振动和声辐射的可控性和可观性指标

结构振动和声辐射的可控性和可观性指标对有源控制系统作动器/传感器的布置具有重要意义。对结构振动和声辐射的可控性和可观性指标进行了研究,提出了基于声压输出的振动模态可观性指标,在振动模态可控性和可观性指标的基础上,结合振动模态的声辐射效率,提出了结构声辐射的可控性和可观性指标和基于声压输出的可观性指标。以板结构为例,对结构振动和声辐射的可控性和可观性指标进行了计算分析和讨论,比较了基于声压输出和基于振动响应输出的振动模态可观性,重点研究了基于声压输出的振动模态可观性和结构振动及声辐射的可观性特点,最后对指标值在结构声有源控制中输入(输出)位置选择上的应用进行了讨论和比较,通过数值仿真对指标的有效性进行了验证。     

基于声辐射模态的有源结构声传入及其辐射控制

从辐射模态的概念和角度研究利用结构误差传感方法对弹性封闭空间结构声辐射进行传感和有源控制。首先分析了辐射模态的数学和物理意义并揭示了辐射模态与声腔模态之间的内在耦合关系。通过声辐射模态建立了弹性封闭空间结构声辐射传感和有源控制模型,并提出了通过传感器阵列测量结构表面有限点的振速分布和设计特定的辐射模态空间滤波器来获得控制所需的误差信号。在此基础上对封闭空间结构声辐射有源控制和误差传感策略进行了深入的理论和数值仿真分析,重点讨论了传感器的数量和布放对辐射模态传感及其有源控制效果的影响。结果表明:辐射模态与声腔模态的耦合具有严格的选择性,各阶辐射模态的形状和与相耦合的主导声模态在耦合面上的形状非常相似;利用结构传感技术传感封闭空间的辐射模态时测点不足或空间采样不足将可能产生较严重的模态泄漏问题,使得不希望的结构模态泄露进所测的辐射模态当中来。在低频范围内,一般只需传感并最小化前三阶有效辐射模态声势能,在更低频和空间声模态频率附近,只需最小化前一阶最有效辐射模态声势能,便能和总声势能最小化策略控制效果基本一样。      

结构声辐射的振动模态分析和声辐射模态分析研究

基于辐射声功率的二次型表达式,采用有限元法、Rayleigh积分和边界元法对结构声辐射进行了振动模态分析和声辐射模态分析研究。振动模态间的耦合对辐射声功率影响的研究表明: 结构各阶振动模态自身对结构辐射声功率的贡献是增大结构的辐射声功率,而振动模态间的耦合可能会增大结构辐射声功率,也可能会减小结构辐射声功率,或对辐射声功率没有影响。而且,当振动模态间的耦合作用对辐射声功率的影响不大时,采用振动模态控制可取得较好的减振降噪双重控制效果。将混合的Helmholtz积分方程方法用广义逆引入到三维复杂结构声辐射分析的声辐射模态公式中,解决了特征频率下解不唯一问题。还研究了正方形封闭空间结构声辐射模态的辐射效率和形状,并对结构声辐射的振动模态控制和声辐射模态控制进行了讨论。     

结构振动模态和声辐射模态之间的对应关系及其应用

声辐射模态和结构振动模态之间的内在关系一直缺乏有效的证明。该文证明并揭示了结构振动模态和声辐射模态之间的对应关系,而且对该关系的有效性和实用性进行了验证。首先从声辐射模态和振动模态的概念出发,利用结构振速的模态叠加特性,建立了两种模态之间的联系方程式；在此基础上根据各种模态形状的对称或反对称性推导出两种模态之间的对应关系；然后对其进行了数值仿真验证。研究表明：对于简支矩形平板而言,在低频范围内,奇-奇振动模态对应的主导声辐射模态是第1阶；偶-奇模态对应第2阶；奇-偶模态对应第3阶；偶-偶模态对应第4阶。最后将这种对应关系应用于结构声辐射有源控制中,通过对主导声辐射模态进行抵消,取得了很好的控制效果。     

基于声辐射模态讨论声能量辐射与传递

声辐射模态表示了振动声源表面的辐射模式。基于声辐射模态讨论了振动声源表面声能量辐射和声场中声能量传递的性质,给出声能量辐射和传递的模式。采用表面声强描述振动声源表面的声能量辐射,采用声强描述声能量在声场中的传递。表面声强和声强可分解成两部分,一部分将辐射的声能量传递到远场;另一部分表现为振动声源与声场之间的能量交换。针对矩形板分析了声能量辐射和传递,数值计算结果与理论结果一致。结果表明基于声辐射模态讨论声能量辐射与传递是可行的和有效的。     

基于平面声源的三层有源隔声结构物理机制研究

次级源为平面声源的三层有源隔声结构,深入理解有源隔声的物理机理有助于挖掘降噪潜力及实现系统优化设计。首先对三层有源隔声结构建模并求解系统的振动响应。然后,对控制前三层结构中声能量的传输规律进行深入分析。最后,在辐射板声功率最小条件下,通过分析控制前后声能量传输特性的变化阐述了隔声的物理机理。结果表明,声能量在三层结构中传输形成四个等效的传输通道,中间板与两腔的作用类似带通滤波器,不同的传输通道具有相似的带通特性。有源隔声机理在于,通过控制抑制了通带内的能量传输,显著提高了三层结构整体的隔声性能,从而有效阻止了声波的向后传播。      

有源声屏障中误差传感器的位置优化

有源声屏障利用有源控制系统提高声屏障低频段的降噪效果。有源控制系统中误差传感器的位置对整个系统的降噪效果有较大的影响。通过数值模拟和实验研究误差传感器的位置优化问题,得出了有源控制系统中误差传感器摆放位置的两条结论:(1)所介绍的三种摆放中,误差传感器的位置在次级声源的正上方时,有源控制系统在屏障后方声影区引入的新增插入损失最好,特别是对于距离屏障较远的区域;(2)当误差传感器的位置在次级声源的正上方时,误差传感器与次级声源间的距离存在一个最优距离使得屏障后方声影区的衍射声得到最好的降低。     

散热片对变压器声辐射的影响及优化分析*

油浸式配电变压器表面布有大量散热片结构,使得油箱振动声辐射变得复杂。该文研究了散热片结构对油浸式变压器辐射声场的影响,在此基础上提出了散热片结构尺寸的优化措施。建立了考虑流固耦合的变压器振动和声学分析模型,提出了散热片声场效应评判准则,基于模态分析和频响分析探讨了散热片对变压器振动声辐射影响的振动效应、声源效应和声障效应。实验数据和仿真分析结果表明,变压器散热片对变压器振动声辐射的影响不可忽视,尤其是声源效应。采用遗传算法对散热片分布和尺寸参数进行优化分析,计算结果表明,通过优化散热片可以有效降低变压器表面均方振速和辐射声功率,可为变压器噪声控制和优化提供依据。     

壁面分布次级声源对管道中高阶模式声波的有源控制

针对管道中高阶模式声波的有源控制问题,探究了管道壁面布放次级声源的控制机制。首先根据管道声场模式理论和有源控制准则,推导了无限长管道内次级声源激励声场实现控制的必要条件,然后论证了次级声源沿管道壁面分布的可控性,并提出将空间分布离散化后的控制策略;最后通过数值仿真验证了沿壁面分布的有效性。结果表明,当次级声源在管道壁面的周向分布满足空间采样定律且沿轴向分布具有足够长度时,可以取得显著的有源控制效果.      

管道有源噪声控制中壁面分布次级声源的空间分布优化

为了改进管道中高阶模式声波的有源控制效果,研究了壁面分布次级声源的空间分布优化问题。首先提出管道中次级声源独立控制高阶模式声波的理论模型,然后推导次级声源在管道中各方向上空间分布对控制高阶模式声波的贡献,得到了次级声源空间分布的优化准则。通过将空间分布离散化,采用最小化管道中声能流的控制策略得到次级声源的最优驱动强度,最后通过数值仿真对比最优驱动强度时各种次级声源空间分布对控制性能的影响,验证了通过优化次级声源空间分布能显著提高控制效果。仿真结果表明,当次级声源分布于管道所有壁面且沿管道轴向分布范围较大时,高阶模式的控制效率最高。     

板结构的声辐射模态分析及其高分辨率法向振动速度重建

提出了一种基于声辐射模态的速度基向量构建方法,该速度基向量不受网格划分的影响,可用于高分辨率的板结构法向振动速度重建。首先对板表面稀疏网格的声辐射模态进行计算,再以声辐射模态和模态系数构建板法向振动速度分布的基向量,然后由声场测量声压求解基向量系数,最后由该系数和加密网格的速度基向量重建高分辨率的板法向振动速度分布。以简支板声源进行仿真计算,当测量声压信噪比为30 dB时,低频的法向振动速度重建误差最低可达3.7%;以固支板声源在消声室中进行实验验证,131.5 Hz振动频率下的重建误差低于7%。该方法实现了只需要少量声压测量点即可精确重建板声源更高分辨率的法向振动速度分布。      

基于分布式体积速度传感的结构声辐射有源控制实验研究

以简支矩形薄板为研究对象,首先在波数域内对结构振动体积速度与辐射声功率的关系进行分析,推导出反映结构模态对体积速度贡献规律的数学表达式。在此基础上,结合PVDF (Polyvinylidene Fluoride)压电薄膜的电荷输出方程,利用三角函数的正交性,给出一种方法来设计体积速度传感器,并针对具体模型进行了结构体积速度测量实验。结果表明,所设计的分布式体积速度传感器具有较好的传感精度。在此基础上,利用所设计的传感器进行了结构声辐射有源控制实验研究,分别针对单频和带宽信号激励情况下的有源控制实验取得了满意的控制效果,从而验证了本文PVDF体积速度传感器设计方法的正确性以及通过PVDF膜传感结构声辐射并作为误差传感器进行有源控制的有效性。      

多声源的自由场有源声吸收

本文利用声源辐射阻抗讨论了三维空间有源声吸收问题．推导出适用于任意初级声场条件下的多次级源最优复强度的一般表达式，并通过分析声源辐射阻抗的变化规律阐明了声吸收的机理．在此基础上，以两个点源在平面波声场中的声吸收为例，详细讨论了次级源吸收功率与两源位置的变化关系，并给出消声区域分布规律．最后在半消声室中获得了良好的实验效果，验证了所得结论．