水中弹性结构声散射和声辐射机理——结构和水的声-振耦合作用

从三个方面综述水中弹性结构声散射和声辐射的机理,特别强调声-振耦合或流体负荷作用。首先从阻抗的角度讨论声-振耦合作用。对于典型问题散射和辐射声场可以用阻抗的形式表示,系统的总阻抗等于机械阻抗和辐射声阻抗之和。表面振速只依赖于总阻抗,而声辐射依赖于辐射声阻抗与总阻抗之比。总阻抗等于零给出系统的特征方程,方程的根就是声场函数的极点。其次应用共振散射和辐射理论讨论声-振耦合作用。此理论将声场表示成各种共振再辐射模态的叠加,从振动的角度揭示声-振耦合机理。已经证明,模态的再辐射效率近似正比于复频率极点的虚部。第三,应用基于Sommerfeld-Watson变换的表面弹性波理论讨论声-振耦合作用。此理论将声场表示成各种表面弹性波-环绕波的再辐射的叠加,从波动的角度揭示声-振耦合机理。也可以证明,环绕波的再辐射效率近似正比于复波数极点的虚部。     

弱耦合封闭声腔的声辐射模态理论与计算

有源结构声控制是耦合封闭声腔的声辐射控制的有效方法。在此前的研究中有学者提出了"耦合封闭声腔的声辐射模态"概念,但其在概念和应用上均存在不便之处:其定义实质上是结构模态幅值的一组基函数,这与自由空间内声辐射模态是结构表面法向振速或声压的一组基函数的物理意义并不一致;另一方面,在计算和利用其进行控制时仍然需要用到结构模态,而在实际中辐射结构有用的结构模态信息难以准确、方便地得到。为了解决这些问题,类比自由空间声辐射模态理论,将声势能直接表示为结构表面法向振速的二次型形式,提出了新的结构向耦合封闭声腔的声辐射模态计算方法,并从理论上证明了当耦合面均匀离散时,在一定的条件下,可以简单地利用声腔模态投影向量代替耦合封闭声腔的声辐射模态,从而有效地节约计算资源。通过理论研究,形成了与自由空间内相统一、便于应用的耦合封闭声腔声辐射模态理论,数值计算案例表明,所提出的理论方法可以极大方便耦合封闭声腔的声辐射计算及其有源结构声控制。     

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。     

三弹性圆柱壳体多重耦合声辐射计算方法

为研究多圆柱壳组合结构的声辐射特性,采用模态叠加法建立了3个并排无限长弹性圆柱壳的振动声散射耦合物理模型,充分考虑了三圆柱壳的表面振动与散射声场的耦合,其中散射声场可分解为各圆柱壳刚性散射声场和弹性辐射声场的叠加,数学上将各壳间的声场耦合关系通过柱函数加法公式描述。利用该物理模型,分析了多重散射对稳态声场求解结果的影响,比较了三圆柱壳耦合系统与单个圆柱壳系统的辐射声场指向性、声压级及辐射声功率级的差异及其产生机理,结果表明:结构弹性耦合声辐射不仅在低频对总声场有显著影响,在高频范围也不可忽略;另外,针对本文设定参数的组合圆柱壳,在150 Hz以上频段,两旁圆柱壳对中间圆柱壳在正横方位产生了声辐射遮蔽效应,垂直方位则体现声泄漏作用。本文建立的方法可推广到三维空间任意多壳结构的声振耦合建模。      

用有限元/边界元方法进行结构声辐射的模态分析

采用有限元方法和边界元方法建立了轻流体介质中复杂结构振动声辐射的模态分析模型,可计算结构的模态辐射效率、场点声压、结构辐射声功率和辐射效率等声场特性参数．文中以板和加筋板结构的振动声辐射为例进行了模态分析,并与用远场 Ｒａｙｌｅｉｇｈ积分计算所得结果进行了比较．研究了激励力作用位置对板结构声辐射的影响和加筋板与板的模态辐射效率特点,并指出板加筋后会改变板的模态辐射效率规律．     

各向同性矩形薄板的大振幅振动及其辐射声功率计算

采用有限元和模态叠加理论分析了固支及简支各向同性矩形薄板在集中简谐力作用下的大振幅振动,得出了薄板表面的法向振速分布,并采用声辐射模态法计算了薄板的辐射声功率.首先采用有限元理论推导了基于yon Karman几何非线性应变-位移关系的薄板非线性有限元运动方程,然后通过有限元模态约简法(finite element mo...     

SE-MCNN-CTC的中文语音识别声学模型

针对国内外缺少对振动轮噪声预估的问题,以某型振动轮为研究对象,首先基于动力学有限元理论对振动轮进行频率响应分析,其次采用声学边界元技术对振动轮辐射噪声进行了数值模拟,并通过实验验证了仿真结果的准确性,然后比较了垂直振动与圆周振动两种不同激振形式对辐射噪声的影响,得出垂直振动辐射噪声低的结论,最后对驾驶室声腔模态进行了仿真,与振动轮激振频率相近发生共振。通过调整激振频率,降低了司机耳旁噪声。所得研究成果可为振动轮辐射噪声的预估与改进提供一种切实可行的参考依据。     

有限元+边界元——修正的模态分解法预报水下旋转薄壳的振动和声辐射

本文提出了一种有限元+边界元——修正的模态分解法用于预报水下结构的振动和声辐射问题.通过引入结构的剩余模态计入被忽略的高阶模态的准静态响应,使模态分解法的收敛性大大改善.文中以轴对称力作用下水下弹性薄球壳振动和声辐射问题为例进行了数值计算,给出了kα=1,2,3和4时球壳表面位移、声压和远场辐射声的计算结果.与原有的方法比较可见,该方法提高了模态分解法的收敛性,特别对远场辐射声指向性尤为明显.     

振动表面局部辐射性质与声能量辐射：Ⅰ．理论

本文从自功率谱的角度讨论了振动表面局部辐射性质与声能量辐射。振动表面任何一点表面声压与振速之比定义为点辐射阻抗，建立了振动表面与声场之间的联系。应用柯西积分定理证明了点辐射阻抗实部与虚部之间的色散关系，并讨论了点辐射阻抗的有关性质。以脉动球和摆动球这两种典型声源，验证了本文提出的理论。     

稀疏测点条件下的结构法向速度重建

为了实现稀疏测点条件下结构表面法向速度的准确重建,利用声辐射模态包含结构表面几何形状信息的性质,以声辐射模态作为基函数提出了一种稀疏测点条件下的结构法向振速重建方法。首先对结构表面的声辐射模态进行计算,并建立结构表面法向振动速度与声辐射模态之间的关系;在此基础上,由实际布置情况形成测点位置处的振速与其声辐射模态值的关系,并通过最小二乘法求得展开系数;最后由展开系数重建出结构表面的全部法向振速。利用两端封闭的双层钢质圆柱壳体在消声水池中进行了试验验证,分别开启激振器和转子台进行激励,两个试验的结果均表明,当测点数目较少时,所测的结果不能准确地表示结构的实际振动情况,在波数域内就表现为与振动相关的波数成份的丢失;利用所提出的方法,可以较为准确地重建和恢复结构的表面法向速度及其波数成份,由此验证了所提出方法的有效性。      

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。     

任意边界板结构的声辐射模态误差传感器的设计

获取声辐射模态伴随系数是基于声辐射模态理论进行主动结构声控制(ASAC)的重要环节。以往PVDF分布式传感器的设计难点是振速展开受边界条件的限制,其设计过程往往是针对特定边界条件展开的。本文在声辐射模态理论和两维分布式传感器的压电方程的基础上,将板表面振速分布用Legendre多项式展开,给出了两维板结构的PVDF传感器形状与边界条件无关的设计方法。这样设计得到的传感器能应用于任意边界条件和任意振速分布的两维板结构,且实时性好,拓宽了其应用范围。本文还分别以固定边界条件板及在该板中任取一小区域两种情况为例,证明了该设计方法的可行性。     

基于混合有限元-统计能量分析的箱梁结构噪声特性分析*

为了探讨箱梁的结构噪声辐射规律,提高计算精度及效率,基于混合有限元-统计能量分析理论,建立1/10箱梁有限元-统计能量分析计算模型,并进行模态实验与声学实验验证。在此基础上进行声贡献量以及振动传递规律分析,并与相关文献进行比较。研究结果表明:混合有限元-统计能量分析模型不仅适用于箱梁结构噪声分析,而且在保证计算精度的同时提高了计算效率;在随机激励下,箱梁顶板和左右翼板的声贡献量高达87.3%,底板和腹板的声贡献量仅为13.7%;箱梁结构各子系统声贡献量规律与箱梁结构各子系统的振动大小规律保持一致。     

板厚对无障薄板声辐射特性影响的分析

分析无障薄板的声辐射特性时通常忽略板厚对格林函数的影响而采用双层势计算.本文考虑板厚引起的声辐射阻抗,采用混合势计算结构表面声压与振速,并分析板厚对声辐射参数的影响。根据交界相容性条件,采用边界积分方程分别表示平板上下表面的声压和振速,并合并同类项.进一步将结构的动力方程代入混合势形式的振速方程中,离散声压差值和板的位移为振动模态叠加的形式,获得二重积分形式的声辐射阻抗,从而求解振动模态系数,确定声辐射特性参数.以水下简支矩形板为例计算对比了声辐射参数,并讨论了其对板厚的敏感性。结果表明:板厚引起的声辐射阻抗对声辐射参数的大小影响较小,但随着频率的增加致使共振频率发生较大偏移;在相同阶数的共振频率范围内,板厚度越大,采用双层势计算的误差越大。      

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。      

轨道交通箱型梁腔室结构的减振降噪研究

轨道交通箱型梁在列车荷载作用下产生的低频振动与噪声对人体健康危害很大,针对箱型梁的减振降噪研究具有重要意义。将有限元振动分析理论与声辐射分析边界元法相结合,计算列车荷载作用下箱型梁的结构噪声,并对比分析不同的腔室结构对箱型梁结构噪声辐射的影响。计算结果表明:箱型梁场点结构噪声的辐射受振动水平影响较大;对于不同的腔室结构的箱型梁,跨中场点的最大线性声压级从大到小依次为单箱单室、单箱双室、单箱三室、双箱单室箱型梁;箱型梁采用双箱单室结构形式最有利于结构噪声的控制,且随辐射距离的增加,噪声辐射衰减越快;降低翼缘和腹板振动水平能够有效降低箱型梁结构噪声。分析结果可为城市轨道交通箱型梁的结构减振降噪设计提供一定的理论参考。     

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。     

基于辐射声功率最小化的安静结构设计

本文研究了一种基于模型修改使结构辐射声功率最小的方法，使用了结构动力学、声学和优化理论等学科知识，对结构修改后固有频率变化可以忽略不计时的声辐射优化进行了研究，将设计变量看作外部阻抗，对结构的表面振速进行了重新分布，可以降低结构辐射的声功率。将质量块与动力吸振器进行组合实现声辐射最小化，不但降低了一定频率范围内的平均声功率，还降低了动力吸振器所对应的单频下的声功率；运用遗传算法搜索结构辐射声功率最小时附加质量块或动力吸振器的位置，对附加质量块和有源控制作用下简支钢板的声功率最小化进行了比较研究，阐明了附加外部结构与有源控制实现安静结构的物理机理。最后，对本文提出的基于平板辐射声功率最小化的安静结构设计方法进行了实验验证。     

圆柱壳体瞬态辐射噪声评估算法

通过自身传感器实测振动数据快速评估瞬态辐射噪声,对及时排除故障,保持水下目标隐蔽性具有重要的意义。本文提出一种基于加速度阵列测试数据的圆柱壳体瞬态辐射声场的工程估算方法:借鉴工况传递分析的思路,分析求解瞬态振-声传递率矩阵,将瞬态激励壳体振动的测量数据代入,就可以估算壳体辐射声压级。在振-声传递率求解的过程中引入截断奇异值分解法,改善求逆时的病态矩阵,减少测试中背景干扰带来的估计误差。试验结果证实,该方法可以用来快速评估空气中敲击圆柱壳体所产生的瞬态辐射噪声,大部分频段噪声级估计误差在3 d B以内。本方法可望提供快速估计圆柱形壳体振动水下辐射噪声级借鉴和参考。     

微型扬声器摆动模态对其辐射声场的影响*

与传统电动式扬声器单元相比,微型扬声器单元由于缺少定位支片等部件,更容易受到摆动模态的影响。该文利用激光传感器采集微型扬声器单元振膜各点振动位移,通过理论计算,从辐射声压级、辐射指向性等角度探究矩形微型扬声器单元摆动模态对其辐射声场的影响。经过研究发现,摆动模态会造成微型扬声器单元频响凹陷、中低频存在指向性等现象,对其辐射声场产生明显的影响。