通过压电式传感器进行简支梁声辐射有源控制

以简支梁为例,通过声辐射模态研究简支梁声辐射的有源控制。由于在中、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。本文提出了一种新的控制策略,即通过设计特定形状的PVDF作为传感器来测量前L阶声辐射模态的伴随系数,使前L阶声辐射模态的声功率最小化。最后通过数值计算研究了控制力和传感器数目对控制效果的影响。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于平面声源实施结构声辐射有源控制的理论研究

摘要研究了利用分布式平面声源对结构声辐射进行有源控制的问题。首先建立了系统的数学模型,然后推导了有源控制条件下次级声源的强度和声功率降低的计算公式。在实际应用中,次级声源参数(面积大小、安放位置、个数等)对控制效果有重要影响,本文基于有源控制的物理机理和数值仿真研究这些问题。结果表明: -般情况下,次级声源板的振动模态分布与初级结构振动模态分布不相同,因此,在低频范围内,需要至少4个分布式次级声源,方能有效地控制初级结构声辐射。     

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。