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。     

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。      

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。     

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。     

三维浅海下弹性结构声辐射预报的有限元-抛物方程法

利用多物理场耦合有限元法对结构和流体适应性强、抛物方程声场计算高效准确的特点,提出了三维浅海波导下弹性结构声振特性研究的有限元-抛物方程法.该方法采用多物理场耦合有限元理论建立浅海下结构近场声辐射模型,计算局域波导下结构声振信息,并提取深度方向上复声压值作为抛物方程初始值;然后采用隐式差分法求解抛物方程以步进计算结构辐射声场.重点介绍了该方法对浅海下结构声辐射计算的准确性、高效性以及快速收敛性后,对Pekeris波导中有限长弹性圆柱壳的声振特性进行了分析.研究得出,当圆柱壳靠近海面(海底)时,其耦合频率比自由场下的要高(低),当潜深达到一定范围时,与自由场耦合频率基本趋于一致;在低频远场,结构辐射场与同强度点源声场具有一定的等效性,且等效距离随着频率增加而增加;由于辐射声场受结构振动模态、几何尺寸和简正波模式影响,结构辐射场传播的衰减规律按近场声影响区、球面波衰减区、介于球面波和柱面波衰减区、柱面波衰减区四个扩展区依次进行.     

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。     

不同边界条件下的封闭矩形声腔的结构-声耦合分析

分析了由2块四边弹性支承的弹性板及4块刚性板构成的封闭矩形声腔的结构-声耦合特性。通过在弹性板边界施加假想的连续分布弹簧系统模拟板的不同边界和连接条件,利用汉密尔顿函数和瑞利-李兹方法,充分考虑了两弹性板之间以及弹性板与腔体内声场之间的耦合。腔体内的声压响应和弹性板的振动速度与Kim的实验结果能较好的吻合,验证了本文理论推导的正确性。最后,通过对耦合声场的分析计算,表明两弹性板之间为弱耦合,耦合声场主要由受到外激励的结构所决定;支承板的线弹簧的刚度变化对耦合声场的影响较旋转弹簧大。     

中频声振耦合的波函数统计能量法

为了提高中频声振耦合的计算效率,提出了波函数-统计能量法的结构-声学耦合方法,该方法从波动理论的角度出发,将波函数法(WBM)和统计能量法(SEA)结合,通过在耦合面分别施加声压激励和速度边界条件,推导了耦合面参数理论计算公式。将该方法用到长方体声腔和钢板耦合的模型中,并对100~1000 Hz的计算结果进行了实验验证。WBM-SEA模型与参考FEM-SEA模型以及实验模型的频响曲线对比结果表明,WBM-SEA与FEM-SEA以及实验结果吻合很好,验证了混合WBM-SEA的有效性。通过收敛性分析发现混合WBM-SEA方法计算时间比混合FEM-SEA方法更少。从而可以得出结论:混合波函数-统计能量法方法对中频声振耦合预测是有效的,且比FEM-SEA更加高效。      

一种分析周期加筋板声辐射的高效方法

为了研究周期加筋板的声辐射特性,建立了一种计算水中周期加筋板在简谐点力作用下的远场辐射声压的高效方法。该方法借助于傅里叶变换法只要先将耦合系统的声振方程,加强筋的弯曲和扭转运动方程,声学波动方程和耦合边界条件转换到波数域中,联合求解得到一组关于平板横向位移的无限大耦合代数方程组,再将该方程组截断成有限大小由数值方法求出波数域中的位移响应,便可结合稳相法得到远场辐射声压。与现有方法给出的结果对比发现二者完全吻合,验证了本文方法的有效性;通过数值方法研究了激励力位置、板厚,加强筋间距和宽度对周期加筋板声辐射特性的影响,得到了具有实际意义的结论。      

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.     

双层壳－流耦合系统的频散方程

同轴圆柱体弹性薄壳（以下简称双层壳）与内外壳间均匀流动的环形流所构成的双层壳－流耦合系统的频散特性，是研究该系统声振特性的基础。本文从Ｆｌｕｇｇｅ无限壳体方程和均匀流场中的声波方程出发，利用边界条件，对该系统的频散方程进行了推导，并给出了相应的算例。     

水中阻尼复合箱体结构的振动声辐射特性研究

基于结构有限元法和声学边界元法,建立弹性层-粘弹性层-外部声场耦合声振数值计算模型,对敷设阻尼材料的壳体结构在水中的振动声辐射性能作了系统的研究。研究结果表明:敷设粘弹性阻尼层使结构振动响应和声辐射水平明显降低, 其减振降噪的效果与阻尼层的几何尺寸、物理参数和外激励频率有关;同未敷设阻尼层的弹性结构相比,敷设粘弹性材料的方箱结构在水中的振动响应,受流体可压缩性的影响不大,同时,不同流体边界条件(自由液面和刚性壁面)的影响也相对减弱。     

某轻客低速轰鸣分析与改进*

某轻客车型在1100-1500rpm加速工况下存在明显车内轰鸣,严重影响乘坐舒适性。本文通过对激励源、悬挂结构传递路径和车身响应详细诊断和分析,分析主要原因为传动系扭振激励过大、激励前悬挂系统模态导致振动传递到车身零件与声腔模态耦合引起轰鸣。最终通过在前风窗下横梁和尾门增加CBS、前围板加强和前转向节增加动力吸振器解决了轰鸣问题。该优化思路为类似问题的优化控制提供重要的参考价值。     

耦合相对转动非线性动力系统的稳定性与近似解

研究了一类含三次非线性耦合项的相对转动非线性动力系统的动力学行为. 建立了具有非线性弹性力、广义摩阻力耦合项的系统动力学方程. 运用多尺度法求解谐波激励下耦合非自治系统的近似解,通过讨论系统的主共振和内共振特性,分析了耦合项对系统响应的影响. 应用奇异性理论研究了主振稳态响应分岔方程的稳定性,得到了系统的转迁集和分岔曲线的拓扑结构. 关键词： 相对转动 非线性耦合动力系统 奇异性理论 稳定性     

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。      

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     

载流双层壳的声振特性研究

本文对内外壳间具有轴向均匀流的无限长同轴圆柱体弹性薄壳（以下简称双层壳）的声振特性进行了研究。采用壳体与流体充分耦合模型，分析了钢壳－水流以及铝壳－气流两个壳－流耦合系统以呼吸模态（ｎ＝０）和梁模态（ｎ＝１）振动时的频散特性，并讨论了流动对这两个系统的频散曲线的影响。     

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。      

具有弹性障板的有限长充液管道的管口声辐射

求解了下端自由、上端带弹性障板的有限长充液管道,在下端受到流体脉动激励时,上端管口向水下半无限空间的声辐射。求解过程中,管道部分采用行波法求解,其中管壁与管内流体的耦合归结到求解充液管道的色散曲线;弹性障板的振动部分则采用模态法来求解,其中弹性障板及管口与外界流体间的声振耦合最终归结到求解模态的辐射阻抗。数值研究表明:管口辐射的流体声和弹性障板辐射的结构声对系统的声辐射均有较大的贡献。