基于波数域直接求解法的正交加筋板声辐射研究

为了研究正交加筋板的声辐射问题,基于波数域直接求解法,建立了研究正交加筋板声辐射特性的理论模型。先利用傅里叶变换法求解周期结构的声振理论模型,得到波数域中关于结构响应的无限大耦合代数方程组,采用数值方法将其截断成有限项求解,结合稳相法便可快速获得远场辐射声压。该方法对单向和正交加筋板的预测结果与现有文献中的理论结果取得了良好的吻合,验证了理论模型的准确性和可靠性;并进一步通过数值算例研究了作用点位置,加强筋间距及平板厚度对结构声辐射特性的影响。      

基于波数域直接求解法的正交加筋板声辐射研究

为了研究正交加筋板的声辐射问题,基于波数域直接求解法,建立了研究正交加筋板声辐射特性的理论模型。先利用傅里叶变换法求解周期结构的声振理论模型,得到波数域中关于结构响应的无限大耦合代数方程组,采用数值方法将其截断成有限项求解,结合稳相法便可快速获得远场辐射声压。该方法对单向和正交加筋板的预测结果与现有文献中的理论结果取得了良好的吻合,验证了理论模型的准确性和可靠性;并进一步通过数值算例研究了作用点位置,加强筋间距及平板厚度对结构声辐射特性的影响。     

高效半解析方法分析周期正交加筋板的振动-声辐射特性

为了对水下无穷大双周期正交加筋板结构模型在简谐面力激励下的振动响应及声辐射特性进行更为合理的理论预测与分析,建立了加筋板结构的数学模型。结合傅里叶变换、泊松迭加公式及空间波数法,将周期加筋板的振动响应及辐射声压表达为关于结构位移谐波分量的函数方程,对加筋板模型提出了高效分析求解方法并进行了谐波分量截断求解。验证了方法的正确性,并分析了结构的振动特性以及加强筋周期间距和扭矩对辐射声压的影响。结果表明,加强筋的扭转作用影响加筋板结构的振动模态频率,对于较高精度要求的工程应用,加强筋的扭转作用不能忽略。通过调节加强筋周期间距及横截面尺寸,可以降低薄板在较低频域区间的远场辐射声压。      

均匀流中剪切变形加筋层合板声与振动特性研究

基于一阶剪切变形理论, 建立了分析均匀流中周期加筋层合板声振特性的理论模型. 该模型应用对流波动方程及边界条件精确考虑了均匀流与层合板的耦合作用, 加强筋通过法向线力及扭矩与层合板相互作用, 利用傅里叶波数变换和稳相法, 得到了位移谱和辐射声压的解析表达式. 计算结果与已有公开数据符合良好, 验证了模型的有效性. 数值结果表明, 在高频段不能忽略剪切变形和加强筋扭转运动的影响; 增大均匀流速度可降低结构的辐射声压; 适当调整板厚和加强筋间距可有效避开结构的辐射声压波峰. 关键词： 均匀流 第一阶剪切变形理论 层合板 波数变换     

全息声压场的加权范数外推方法

全息声压外推是Patch近场声全息技术的关键步骤.本文提出了全息声压的加权范数外推方法,该方法首先通过实测声压数据的功率谱信息构造频域加权范数,然后通过极小化频域加权范数实现全息声压外推.由于外推过程中同时利用了声压信号的波数域带宽和波数谱形状信息,因此其外推结果优于传统带限外推方法.数值仿真结果表明,该方法无论在外推精度还是计算效率上都明显优于经典的全息声压波数域外推方法.刚性箱体上的声激励固支板声压外推实验进一步验证了该方法的有效性和实用性. 关键词： 近场声全息 全息声压外推 加权范数     

水下近水面锥柱组合壳声固耦合效应的半解析求解方法

针对水下近水面锥柱组合壳声固耦合多借助于数值方法求解的现状,本文提出一种半解析方法从机理上分析此类问题。首先基于能量泛函和Sanders壳体理论、虚拟弹簧法以及力与力矩平衡条件建立锥柱组合壳的结构模型;然后采用Legendre谱元法和二维傅里叶变换得到含自由液面的水下声场模型;最后由非线性迭代法和高斯积分求解耦合系统声振控制方程。通过与参考文献和数值方法结果的对比,验证了本文方法的收敛性、正确性和可靠性。研究结果表明,结构参数、浸没深度和激励频率与远场辐射声压密切相关。本文工作可推广到水下含内部结构的复杂旋转组合壳在不同结构边界及声边界下的声固耦合问题。      

湍流激励下柔性层贴敷加筋板自噪声的特征机理

为了研究湍流激励下柔性层贴敷加筋板自噪声的特征机理,基于湍流边界层壁面脉动压力功率谱模型、周期加筋板弯曲运动方程和固体波动方程以及力平衡与位移连续边界条件,建立了湍流边界层壁面脉动压力激励下柔性层贴敷单向周期加筋板的振动及内噪声物理模型。研究发现:橡胶外贴时对湍流激励下壳板的减振降噪主要依靠橡胶的厚度模态振动。无筋时,橡胶层外贴板较无橡胶贴敷板,主要降低湍流脉动压力的水动力学成分所致结构自噪声,距壳板0.05m时,声压降幅小于3 dB,橡胶外贴加筋板相对于加筋板,对湍流激励结构自噪声的降低基本涵盖整个波数域,距壳板0.7 m处,声压降幅仍然在20 dB左右。肋骨横截面高度或宽度每增大1倍,壳板肋骨处加速度自功率谱级降低3 dB,非肋骨处加速度及板内侧声压自功率谱则基本不变,肋骨间距改变对壳板加速度响应及板内侧声压自功率谱级皆无显著影响。      

部分浸没圆柱壳声固耦合计算的半解析法研究

部分浸没圆柱壳-流场耦合系统的声振分析是一种典型的半空间域内声固耦合问题,其振动及声学计算目前主要依赖于数值方法求解,但无论从检验数值法还是从机理上揭示其声固耦合特性,解析或半解析方法的发展都是不可或缺的.本文提出了一种半解析方法,先将声场坐标系建立在自由液面上,采用正弦三角级数来满足自由液面上的声压释放边界条件;接着基于二维Flügge薄壳理论建立了以圆柱圆心为坐标原点的壳-液耦合系统的控制方程;然后再利用Galerkin法处理声固耦合界面的速度连续条件,推导得到声压幅值与壳体位移幅值之间的关系矩阵并求解该耦合系统的振动和水下声辐射.与有限元软件Comsol进行了耦合系统自由、受迫振动和水下辐射噪声计算结的对比分析,表明本文方法准确可靠.本文的研究为解析求解弹性结构与声场部分耦合的声振问题提供了新的思路.     

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．     

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.     

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。     

强弱耦合板-腔系统的声辐射模态计算与分析EI北大核心CSCD

针对板-腔耦合系统的声辐射模态(ARM)计算问题,提出了一种基于能量原理的声辐射模态计算方法,该方法从能量原理的动力学方程构建起声压模态幅值和结构模态幅值的关系,通过将声势能表示为结构模态幅值向量的二次型形式,得到板-腔耦合系统的声辐射模态,弥补了前人理论在解决声腔为阻抗壁面和结构-声为强耦合条件时的不足。通过数值算例验证了本文计算方法的正确性和有效性,在此基础上分析了壁面和结构-声耦合条件变化对声辐射模态特性的影响。结果表明:声辐射模态辐射效率曲线会在声腔模态频率处产生峰值,阻抗壁面的引入会降低声辐射模态辐射效率在峰值处的幅值,并且阻抗值越小,幅值衰减效应越明显,具体表现为声势能曲线在辐射效率峰值频率处幅值会下降;强耦合条件下低频段声势能响应主要由弹性板结构模态激发,响应峰值密度更高,幅值更低。低频同频宽的声辐射模态辐射效率峰值数更少,峰值频率更高。     

一种水平变化波导中声传播问题的耦合模态法

针对介质参数及海底边界水平变化波导中的声传播问题,本文基于多模态导纳法提出一种能量守恒且便于数值稳定求解的耦合模态方法.将声压表示为一组正交完备的本地本征函数之和,对声压满足的Helmholtz方程在本地本征函数上作投影,推导出关于声压模态系数的二阶耦合模态方程组.耦合矩阵直观描述水平变化因素对模态耦合的贡献.为避免直接求解二阶耦合模态方程组可能遇到的数值发散问题,将其重构为两个耦合的一阶演化方程组,引入导纳矩阵并使用Magnus数值积分方法获得稳定的声场解.利用该耦合模态方法数值计算水平变化波导中的声场,并与COMSOL参考解比较,结果表明该耦合模态理论能够精确求解水平变化波导中的点源及分布源传播问题.     

正交加筋板声透射的板梁理论模型研究

为了研究正交加筋板的声透射问题,基于经典薄板和梁振动理论,建立了正交加筋板声透射的板梁理论模型。首先通过分析加强筋的受迫弯曲和扭转运动,求得了平板和加强筋线接触之间的反力和反力矩,然后将其引入到平板振动控制方程中,得到了正交加筋板声振方程,最后采用空间谐波展开法求解该方程得到了传声损失的表达式;在此基础上,首先研究了无限大平板和单向加筋的隔声性能,通过与解析解及两种简化模型的计算结果作对比,验证了所建理论模型的有效性;并进一步研究了加筋形式对正交加筋板隔声性能的影响。结果表明:选择合适的加筋形式可以有效避开结构的隔声波谷。      

球冠型换能器声辐射指向性分析

为了研究球冠型换能器的声辐射特性,在分离变量法求解球面坐标系下波动方程的基础上,采用基于球谐基傅里叶变换及边界条件的求解模型,给出了球冠型换能器声辐射的远场声压计算表达式和远场指向性表达式;仿真计算了球冠换能器的远场指向性随球冠极角、球半径及振动频率变化的特性,球冠所在球障板的直径和介质中声波的波长比决定着球冠声辐射指向性,在低频或波长大于球障板直径时,球冠声辐射呈无指向性,随着频率的增高即波长的减小或者球障板直径的增大,球冠声辐射的指向性越明显,波束开角越趋向于球冠的开角,而且波束开角内出现波浪状起伏越明显;试制了高频球冠型换能器基阵,测试了换能器基阵300 kHz的指向性,测试结果与理论计算相符合,验证了理论计算表达式的正确性,可为设计球冠型换能器及基阵提供理论指导。      

加肋双层圆柱壳振动声辐射数值计算分析

利用有限元软件ＡＮＳＹＳ和边界元软件ＳＹＳＮＯＩＳＥ对一双层加肋圆柱壳的水下受激振动与声辐射作了数值计算分析研究．该双层柱壳为环向加肋,并且两端带有半球帽．利用ＡＮＳＹＳ软件数值计算了双壳的轴对称模态,及当双壳在水下受点力激励时外表面的法向位移、法向质点振速及表面声压和法向声强的频率响应。然后,将法向位移数据传递给ＳＹＳＮＯＩＳＥ软件,利用边界元技术计算了双壳的辐射声功率及辐射效率的频率响应,及其近场的声压和声能流分布和远场指向性。ＰＡＣＳ数：４３．２０, ４３．３０     

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。      

介质密度对谐振腔声压的影响

基于热声效应的磁致伸缩换能器热声制冷机,其内部的介质密度对于制冷效率的提高有重要作用。选用改变基础声压来控制谐振腔内介质密度的大小,选取了基础声压0.2—1.0 MPa之间,每0.2 MPa作为间隔,对五种基础声压下1 000—8 000 Hz不同激励下用有限元仿真软件ATILA进行仿真分析,得到趋势是呈现增大的,而且最大值在基础声压和激励频率最大值处,达到了359.97 Pa;在基础压力为0.6 MPa、激励频率为2 000 Hz的条件下谐振腔同时满足驻波形态和高声压。并对整机的模型进行激励频率-辐射板位移输出分析,得到在激励频率为9 000 Hz时,辐射板输出位移最大。随着介质密度的增加,热声制冷机内谐振腔内的驻波形态并没有因此而增加,存在一个同时满足驻波状态和高声压的状态。     

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。      

基于平面问题的位移压力混合配点法

引入压力变量,将弹性力学控制方程表达为位移和压力的耦合偏微分方程组,采用重心插值近似未知量,利用重心插值微分矩阵得到平面问题控制方程的矩阵形式离散表达式.采用重心插值离散位移和应力边界条件,采用附加法施加边界条件,得到求解平面弹性问题的过约束线性代数方程组,采用最小二乘法求解过约束方程组,得到平面问题位移数值解.数值算例验证了所提方法的有效性和计算精度.