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。     

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。      

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。      

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。      

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。     

稀疏测点条件下的结构法向速度重建

为了实现稀疏测点条件下结构表面法向速度的准确重建,利用声辐射模态包含结构表面几何形状信息的性质,以声辐射模态作为基函数提出了一种稀疏测点条件下的结构法向振速重建方法。首先对结构表面的声辐射模态进行计算,并建立结构表面法向振动速度与声辐射模态之间的关系;在此基础上,由实际布置情况形成测点位置处的振速与其声辐射模态值的关系,并通过最小二乘法求得展开系数;最后由展开系数重建出结构表面的全部法向振速。利用两端封闭的双层钢质圆柱壳体在消声水池中进行了试验验证,分别开启激振器和转子台进行激励,两个试验的结果均表明,当测点数目较少时,所测的结果不能准确地表示结构的实际振动情况,在波数域内就表现为与振动相关的波数成份的丢失;利用所提出的方法,可以较为准确地重建和恢复结构的表面法向速度及其波数成份,由此验证了所提出方法的有效性。      

基于联合波叠加法的浅海信道下圆柱壳声辐射研究

针对浅海信道下弹性结构声辐射预报尚无高效可靠的研究方法,提出了一种浅海信道下弹性结构声辐射快速预报的联合波叠加法.该方法结合了浅海信道传输函数、多物理场耦合数值计算法和波叠加法理论,运用该方法可对浅海信道下弹性结构辐射声场进行快速预报.经数值法和解析解法验证后,从信道下辐射源、环境影响和辐射声场测量的角度研究分析了浅海信道下弹性圆柱壳的声辐射特性,阐释了进行浅海信道下结构声辐射研究的必要性.研究结果表明,仅在低频浅海信道下弹性结构可近似等效为点源,信道上下边界对声场产生显著的耦合影响,高频段的空间声场指向性分布尤为明显,垂直线列阵进行信道下结构辐射声功率测量时,测量结果受到信道环境边界和潜深的影响较大.     

四边简支含多孔材料双层板隔声特性

有限大含多孔材料和空气层复合板结构隔声特性的研究尚不充分。该文旨在研究四边简支边界条件下复合板结构隔声特性。首先基于流体饱和多孔弹性介质的声传播理论计算了声波在多孔介质中的传播波数；继而采用四边简支边界条件下板结构的模态函数，利用模态叠加法和伽辽金法推导了复合板结构隔声系数理论模型，并数值求解复合板隔声量。将理论模型得到的四边简支复合板隔声量与实验结果对比，验证了理论模型的正确性。最后，详细讨论了边界条件、板结构尺寸和多孔材料厚度等主要参数对隔声特性的影响。结果表明：四边简支复合结构隔声特性曲线上“谷值”出现得较少，并且简支复合板隔声特性的第一个“吻合频率”比固支支撑复合板更靠近低频，当频率超过3000 Hz以后，简支和固支边界条件复合板结构隔声特性趋于一致。     

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。      

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     

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。      

声辐射阻测量系统设计及测量精度影响因素分析*

在噪声控制领域,声辐射阻是一个重要的声学变量,在产品的设计阶段,可以通过改变结构表面形状来改变结构的声辐射阻抗,从而达到降噪的目的。本文基于集中参数模型,设计了测量设备,搭建了实验测量系统,并通过对无限大障板上圆形活塞声源的声辐射阻的测量对影响实验测量结果的因素进行了研究,之后对消音器入口处辐射阻进行了测量。测量结果表明:该实验测量系统具有操作简单,测量方便快捷,测量结果精度高等特点,可用于确定结构表面声辐射阻矩阵。     

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。     

炉内管阵列中声源辐射特性数值研究

炉内换热器结构类似于声子晶体,基于声子晶体理论,采用数值计算与软件模拟得到管阵列中声源不同方向的声传播特性,并将两种方法所得结果进行对比分析,研究声源在管阵列中不同位置处的辐射特性.结果表明：声指向性特性与声源通过管排数量,声源频率是否处在声波禁带有关.     

Gauss声束对离轴椭圆柱的声辐射力矩

利用部分波展开法求解得到了Gauss声束入射下刚性和非刚性椭圆柱的声散射系数,推导了一般情况下的声辐射力矩表达式.在此基础上,通过一系列数值仿真详细分析了离轴距离、入射角度和束腰半径对声辐射力矩的影响.结果表明:正向与负向声辐射力矩均可以在一定条件下存在;低频情况下刚性椭圆柱比非刚性椭圆柱更容易产生较强的声辐射力矩;特定频率的入射声场可以激发出非刚性椭圆柱不同阶的共振散射模式,因而非刚性椭圆柱的声辐射力矩峰值与频率的关系更密切;增加束腰半径有利于扩大散射截面,进而增加椭圆柱的声辐射力矩.该研究结果预期可以为利用声辐射力矩实现粒子的可控旋转和流体黏度的反演提供一定的理论指导.     

Bessel驻波对椭球形液滴的声辐射转矩

在实际的声操控中,由于声辐射力、表面张力和重力的共同作用,液滴往往呈现出椭球的形状,在螺旋声场中会受到力矩的作用而发生转动。从声波的散射理论出发,根据部分波展开法求解得到了椭球形液滴在Bessel驻波场中的声散射系数,并给出了其受到的声辐射转矩的解析式。在此基础上,对椭球形不可压缩液滴和椭球形可压缩液滴分别进行数值计算。仿真结果表明,不可压缩液滴的声辐射转矩与声束半锥角的关系更密切,而可压缩液滴则更依赖于特定的频率;提升Bessel驻波场的阶数有利于增强声辐射转矩的峰值,但在中低频处较难对可压缩液滴产生明显的力矩。该研究结果预期对利用螺旋声场进行液滴的操控具有理论指导作用。      

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。     

流体加载下加肋板结构的声辐射特性研究

本文采用有限元和边界元方法对加肋板结构的声辐射进行了计算分析,研究分析了加肋板结构的板厚、板面积、板边长比、肋骨惯性矩和间距、边界条件以及板材和流体介质等对结构辐射声功率的影响,得到了一些有意义的结论,从而为揭示加板结构声辐射规律,降低结构的声辐射提供了一定的依据。     

弯管对末端带弹性障板充液管路辐射声能量的影响

基于声固耦合有限元方法建立了末端带弹性障板的充液管路数值模型,重点分析了不同激励下弯管对管口辐射声能量的影响.结果表明:弯管引入的高阶周向模式耦合使结构振动和流体声传播都发生明显改变,以致系统辐射声能量及主要能量贡献源也发生转移,并随激励方式和频率而不同.对本文管路模型,平面波激励下弯管系统在低频的结构辐射声能量明显增...     

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。