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。      

通过声辐射模态研究结构声辐射的有源控制

以简支平板为例,通过声辐射模态建立了弹性结构声辐射的有源主动控制策略。并分析了声辐射模态的数学和物理意义。研究发现在中、低频时,声辐射模态对应的辐射效率随着模态阶数的增加而迅速降低。在此基础上,本文提出了一种新的控制策略,即抵消前ｋ阶声辐射模态的伴随系数,使得前ｋ阶声辐射模态的声功率为零。本文以点力作动器作为控制力源进行了数值计算研究。     

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。     

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。     

基于声辐射模态的有源控制解耦

在声辐射模态有源噪声控制策略框架下,选择压电陶瓷片作为控制作动器。根据前四阶声辐射模态形状特点提出了四种压电作动器位置布置方法。理论分析及数值计算表明,以这种方式布放的压电作动器不仅能有效地降低结构辐射的声功率,而且控制过程中这四组作动器分工明确,从而将控制方程解耦。在控制前几阶声辐射模态声功率时可以将复杂的多输入/多输出控制系统转变为几个简单的、互相独立的单输入/单输出控制系统。      

利用高分子压电薄膜设计声辐射模态传感器

首先对声辐射模态进行改进,使声辐射模态形状在中、低频时与频率无关。然后在此基础上,以振动梁为例,提出通过设计特定形状的高分子电压薄膜作为传感器测量声辐射模态的伴随系数。实验结果表明这种声辐射模态传感器的设计是可行的。     

基于声辐射模态的有源控制解耦在固定支承板上的研究

基于声辐射模态的主动控制理论,以固定支承板为例,通过四组作动器在固定支承板上的布放,使其能分别控制不同阶声辐射模态辐射的声功率,来使控制方程解耦,从而设计了比较简单与稳定的单输入/单输出控制系统,模拟计算取得了较好的控制效果。同时本文对控制过程中的溢出等问题进行了一定的探讨。     

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。     

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。     

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。      

两种模态展开法预测结构辐射声功率时振动传感器数目的要求研究

在考虑模态幅度估计时采样点数目要求的基础上,比较了使用振动模态展开法和辐射模态展开法预测辐射声功率对速度传感器的数目要求。对于点力激励的小阻尼简支矩形板,发现激励频率低于第一阶本征频率时,使用辐射模态展开法所需的传感器数目较少;而激励频率在本征频率附近时,使用振动模态展开法所需的传感器数目较少。     

分散式速度反馈控制流激薄板声振响应的模态解及特性

采用模态展开法推导了湍流边界层和分散式速度反馈控制共同作用下薄板的响应和声辐射,给出了与分散式速度反馈控制增益系数、单元位置、数量和大小相关的模态阻尼的显示表达式。给定激励和参数的条件下,通过与元素法的计算结果进行对比,验证了模态展开法具有较高的计算效率和准确性。讨论了分散式速度反馈控制单元的布置方式和数量对模态阻尼的影响,以及反馈控制单元的布置方式对薄板动能、辐射声功率和模态平均辐射系数的影响。数值分析结果表明反馈控制单元的数量和布放位置对控制效果影响显著,反馈控制单元沿螺旋线布置能明显拓宽控制频带;两种反馈控制单元布置方式,在动能和辐射声功率控制较好的共振频率处,除第一阶模态外,模态平均声辐射效率随反馈增益的增大明显提高。     

极点配置法弹性平板有源隔声系统优化

对混响声场中的弹性平板有源隔声系统进行优化。根据激励频率范围确定受控模态阶次,在模态空间中建立系统降阶方程,基于极点配置方法,采用分布式系统增加受控模态的阻尼,降低低频共振声传输。同时设计模态滤波器,为控制器提供所需的状态信息。为提高控制效能,本文对传感器和作动器布放位置进行优化,尝试不同极点配置方案,并对耦合控制与独立模态控制方法的隔声效果进行比较。仿真结果显示,极点配置法有源隔声可以有效降低共振声传输,优化布放和独立模态控制方式下,控制力明显降低。优化后的有源隔声系统效能有所提升。      

声辐射问题中的模态分析:I理论

针对复杂振动表面的声辐射问题,提出一种模态分析方法。在振动表面上所有法向振速分布构成一个Hilbert空间;并在此Hilbert空间中,定义了一个包含声辐射性质并且是线性自伴正的算子。通过这个算子,确定了在Hilbert空间中的一组基函数,作为辐射模态,描述了振动表面的辐射模式。基于辐射模态,应用Helmholtz单层势构造了一组声场基函数,作为声场分布模态,描述了辐射声场的分布模式。声辐射行为可用辐射模态和声场分布模态展开表示。一种模态分析的方法引进声辐射问题的研究之中。     

基于近场声压传感的结构声辐射有源控制

为了解决有源声学结构中误差信息的传感问题,提出利用近场声压估算结构声辐功率的方法。首先推导了基于近场声压的声辐射功率计算公式,然后针对单频和宽带辐射噪声,提出了不同的有源控制目标函数,推粤了相应的计算有源控制效果的公式,并借助计算机仿真研究了影响有源控制效果的各种因素。最后探讨了实际条件下实现有源控制误差信息传感的各种方法。结果表明:有限阶声压辐射模态和近场均方声压都可以作为自适应声学结构的目标函数。     

利用声辐射模态重构任意目标的散射声场

水下目标散射声场的重构可以作为水下目标散射特性的研究基础。本文主要利用声辐射模态对水下目标进行散射声场重构研究。首先,在借助声传递矩阵给出的任意结构声辐射模态的流体域求解方法基础上,通过理论证明了目标的散射声压与声辐射模态具有函数关系。其次,借助声场分布模态的概念,同时考虑到声场分布模态病态及声压测量易受噪声污染,提出基于声辐射模态的正则化散射声场重构算法。仿真结果表明,波数越低,重构所需声辐射模态阶数越少,在较高波数时仅需总模态数的大约20%即可对声场进行重构。与基于边界元的声场重构算法相比,计算量减小了至少80%,且克服了赫姆霍兹积分方程最小二乘法仅对球壳结构的重构效果较好而不适用于长条形结构重构的缺陷。     

复杂结构声辐射模态的计算

结构辐射阻矩阵的特征向量就是其声辐射模态,复杂结构的辐射阻矩阵获取困难阻碍了声辐射模态理论的进一步应用。为此提出一种基于等效源方法的复杂结构辐射阻矩阵计算方法,由此形成了一套完整的计算复杂结构声辐射模态方法。最后通过仿真算例对影响结构辐射阻矩阵计算精度的因素进行了分析,给出了复杂结构辐射阻矩阵构造的一般原则。理论推导和数值仿真算例表明所提出的复杂结构声辐射模态计算方法是有效的。该方法简化了复杂结构声辐射模态的计算,计算效率较高。