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。      

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。     

矩形封闭声腔壁板轻量化对声固耦合特性的影响

基于模态耦合法建立了考虑对侧柔性壁板的矩形封闭腔体声固耦合模型,导出了耦合系统声振响应随柔性板材料属性及厚度变化的近似关系.通过数值仿真计算,详细分析了单柔性板-单侧激励、双柔性板-双侧激励及双柔性板-单侧激励三种情况下板的轻量化设计对系统声固耦合特性及腔内声压响应的影响.结果表明:对于单柔性板-单侧激励及双柔性板-双侧激励情况,低频段腔内声压主要取决于板厚,其次是杨氏模量,而与板密度关系较弱.因此使用适当增厚的轻质板可以同时达到减重和低频区降噪的目标.对于双柔性板-单侧激励情况,适当的轻量化设计可以显著增强两板间低频段振动的耦合,从而降低该频段的声腔模态响应及腔内噪音.在中高频段,增加板厚和材料密度对降低三种情况的腔内声压均有利。      

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．     

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。     

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。      

弹性板结构封闭声腔的结构-声耦合特性分析

对弹性板封闭声腔结构-声耦合机制、耦合特性、耦合作用对系统固有频率和模态的影响以及影响结构-声耦合程度的系统物理参数进行了深入的理论与数值仿真分析,并导出了耦合系统固有频率估计式。结果表明：强耦合系统具有较强的闭环反馈系统特征,弱耦合系统具有较强的前馈系统特征；正是由于反馈环节的存在,改变了结构、声腔系统的固有特性和固有频率；发现了规则结构-声腔模态簇耦合的特性；并且发现模态间的簇耦合机制决定了整个结构-声腔系统的耦合作用；任何一簇的结构或声模态仅独立影响其同一簇的声或结构模态以及其耦合后的模态固有频率,而对其它簇的模态没有影响；模态间的簇耦合作用不仅能改变系统固有频率,还会改变耦合系统模态次序和板奇奇模态的模态形状。     

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。     

封闭声腔的结构-声耦合的瞬态响应及固有特性分析的时域有限体积法

基于波动理论,采用时域有限体积法(TDFVM)研究封闭声腔结构-声耦合问题的瞬态响应及固有特性。该方法在结构与流体区域分别求解结构动力学方程与非均匀介质中的声波动方程,根据流固分界面上的力平衡与质点振速连续条件实现结构-声耦合。通过数值算例验证方法的正确性和精确性,在此基础上研究封闭声腔结构与空气耦合的瞬态响应及固有特性,分析水深变化对耦合系统声振特性和固有特性的影响。结果表明,随着水深的增加,结构与水的耦合会更加强烈,导致耦合系统的特征频率降低,同时空气腔深度的减小,导致声腔的部分固有频率增加。该法对计算机内存要求低,且可以考虑含有非均匀流体的结构-声耦合。      

三层平板结构声能流计算及传输规律

为了理解多层有源隔声结构的物理机理,同时优化被动隔声结构,需深入分析三层结构中声能量的传输规律。首先对三层板腔结构建模并求解系统的振动响应,然后用数值方法求解平板向封闭空间辐射声的声传输阻抗,并计算各层结构的辐射声功率。最后,通过分析各子系统所占的能量及各层结构四类模态组辐射声功率的变化获得声能量的传输规律。结果表明,按模态类型的不同,能量传输可等效认为存在四个传输通道,各通道的能量传输具有相似的带通特性,其成因在于不同的平板与空腔模态对的耦合强弱不同。      

Theory and calculation for acoustic radiation mode of weak coupled enclosure

Active structural acoustic control(ASAC)is an efficient method in acoustic radiation control of coupled enclosure.In the past research of ASAC,the concept of "acoustic radiation mode(ARM)of coupled enclosure"was proposed,which was a set of basis functions of structural mode amplitude.However,there was an incompatibility with the ARM definition in free space radiation case which was a set of basic functions of normal velocity or pressure on the vibrating surface.Also,there was severe inconvenience for application as structural modes were required while accurate and useful structural modes were difficult to be extracted in practice.To overcome these problems,by analogy to ARM theory of free space,the acoustic potential energy was expressed in quadratic form of normal velocity on coupling surface and ARM of coupled enclosure was redefined.Furthermore,theoretic derivation showed that ARM of coupled enclosure could be replaced simply by corresponding acoustic mode projection of enclosure when the coupling surface was discretized into equal size elements.Therefore,the ARM theory of coupled enclosure which was consistent with that of free space and convenient for application was formed.Finally,numerical calculation was performed and the results proved that the presented theory was very efficient in ARM calculation of coupled enclosure and ASAC.     

弯曲振动矩形板辐射阻抗的计算

本文推导了四边简支矩形板的辐射阻抗表达式, 利用高斯数值积分方法, 计算了其相对辐射阻抗的数值解. 由不同模态下相对辐射阻抗与频率以及不同长宽比对应的相对辐射阻抗与频率的关系可知, 在中低频段, 模态越低, 辐射阻抗越大, 也就意味着辐射声功率和同振质量越大; 对于一定面积和模态的矩形板, r (r=a/b, 长与宽之比)值越接近1, 即越接近正方形, 辐射阻和辐射抗越大. 本文的方法能对其他复杂边界条件下的、无振动解析解的矩形板的辐射阻抗数值量级大小提供一个参考, 也可由计算弯曲振动的阻抗自然地过渡到活塞振动阻抗的计算.     

Vibro-acoustic behaviors of an elastically restrained double-panel structure with an acoustic cavity of arbitrary boundary impedance

An analytical study on the vibro-acoustic behaviors of a double-panel structure with an acoustic cavity is presented. Unlike the existing studies, a structural–acoustic coupling model of an elastically restrained double-panel structure with an acoustic cavity having arbitrary impedance on sidewalls around the cavity is developed in which the two dimensional (2D) and three dimensional (3D) modified Fourier series are used to represent the displacement of the panels and the sound pressure inside the cavity, respectively. The unknown expansions coefficients are treated as the generalized coordinates and the Rayleigh–Ritz method is employed to determine displacement and sound pressure solutions based on the energy expressions for the coupled structural–acoustic system. The effectiveness and accuracy of the present model is validated by numerical example and comparison with finite element method (FEM) and existing analytical method, with good agreement achieved. The influence of key parameters on the vibro-acoustic behaviors and sound transmission of the double-panel structure is investigated, including: cavity thickness, boundary conditions, sidewall impedance, and the acoustic medium in the cavity.     

无障板圆形活塞换能器的辐射阻抗*

辐射阻抗是换能器的最重要辐射声场特性参数之一,影响着换能器的谐振频率、频带宽度、效率以及辐射声功率等。经典声学理论用一阶贝塞尔函数和斯特鲁夫函数给出了圆形活塞换能器辐射阻抗的数学表达式,但仅适用于无限大障板条件。该文用ANSYS有限元软件计算了无障板圆形活塞换能器的辐射阻抗,给出了数值解结果,通过与无限大障板条件下的理论结果相比较,显示了二者之间的偏离情况,尤其是在低频时差异显著。为了借助MATLAB工具模拟无障板圆形活塞换能器的辐射阻抗,并给出较准确的数学表达,选择了一系列初等函数以及它们的复合函数进行曲线拟合,最终给出了辐射阻和辐射抗关于ka的函数表达式,在ka值从0.08到20范围内与有限元计算结果很好吻合。     

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。      

磁致伸缩换能器辐射板形状对声场分布的影响

磁致伸缩换能器可作为热声制冷机的声源装置,辐射板的形状直接影响声压输出效率,从而影响制冷效果。为提高换能器工作效率、减小换能器体积,辐射板需在Terfenol-D棒的激励下产生大振幅、高频率的活塞振型。针对这一问题,应用ATILA软件分析了磁致伸缩换能器辐射板形状对谐振腔振动幅频特性的影响以及对谐振腔内声场分布的影响。结果表明:相同激励条件下,凹球面辐射板出现活塞振型时振幅最大,对应谐振腔中声压幅值最高;谐振腔端面形状为凹球面时,具有聚焦声压幅值的作用;端面形状为凹发射端-凸反射端组合的谐振腔内声压幅值最高。以上结论为合理设计辐射板、谐振腔两端面组合形状提供了参考。     

Modal vibrations of a cylindrical radiator over an impedance plane

The problem of acoustic radiation from an infinite cylinder undergoing harmonic modal surface vibrations near a locally reacting planar boundary is considered. The formulation utilizes the appropriate wave field expansions, the classical method of images, and the translational addition theorem for cylindrical wave functions, along with a simple local surface reaction model involving a complex amplitude wave reflection coefficient applied to simulate the relevant boundary conditions for the given configuration. The analytical results are illustrated with a numerical example in which the cylindrical surface is immersed near a layer of fibrous material set on an impervious rigid wall. The numerical results reveal the important effects of interface local surface reaction and source position on the computed modal impedance component values and the radiated on-axis far-field pressure. The benchmark solution presented can lead to a better understanding of acoustic radiation from near-interface two-dimensional sources, which are commonly encountered problems in outdoor acoustics and noise control engineering. Eventually, it could be used to validate those found by numerical approximation techniques.     

纳米填充硅橡胶超声干耦合特性*

针对工业超声无损检测领域干耦合材料种类匮乏,且声能透射率低的问题,论文在室温硫化硅橡胶基底材料中添加不同成份和配比的纳米颗粒,制备了不同种类的干耦合材料,给出了干耦合条件下超声波的传输模型,得到了声学传输规律,对比分析了干耦合材料种类、厚度、硬度、超声中心频率及载荷因素对声能传输特性的影响。搭建了声学特性测试实验平台,分别对添加氧化铝、铁和二氧化硅纳米颗粒制备的干耦合材料进行了测定,试验结果表明填充二氧化硅质量分数为5%时,所形成的纳米填充硅橡胶的声阻抗提高了13.5%,使用200kPa预载荷对试块测量时回波幅值提高了18.0%,具有良好的声耦合性能。可为实际超声检测时干耦合材料的制备及应用提供参考。