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。     

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。      

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。     

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。     

板结构的声辐射模态分析及其高分辨率法向振动速度重建

提出了一种基于声辐射模态的速度基向量构建方法,该速度基向量不受网格划分的影响,可用于高分辨率的板结构法向振动速度重建。首先对板表面稀疏网格的声辐射模态进行计算,再以声辐射模态和模态系数构建板法向振动速度分布的基向量,然后由声场测量声压求解基向量系数,最后由该系数和加密网格的速度基向量重建高分辨率的板法向振动速度分布。以简支板声源进行仿真计算,当测量声压信噪比为30 dB时,低频的法向振动速度重建误差最低可达3.7%;以固支板声源在消声室中进行实验验证,131.5 Hz振动频率下的重建误差低于7%。该方法实现了只需要少量声压测量点即可精确重建板声源更高分辨率的法向振动速度分布。      

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。     

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。     

裂纹及水介质对薄圆板振动辐射声场特性的影响

在有限元模态分析的基础上,提取了含人工裂纹的薄板各单元的相关参数,并将瑞利积分离散化,进而计算了裂纹薄板辐射声场的轴向声压分布和r=0．5 m球面上声场分布。结果表明,径向裂纹不仅使模态裂解为关于裂纹的对称模态和反对称模态,而且使声场分布有显著的变化。方法的有效性通过完整圆板辐射声场来验证。该方法可用于求解任意形状穿透裂纹薄板辐射声场的计算。还提出了一种简便计算置于无限大障板上的裂纹薄板水中振动频率以及辐射效率的计算方法。在假定薄板作小振幅振动、水中模态挠度近似为真空模态挠度的条件下,利用瑞利积分得到了因流体压而引起的附加质量密度。进而应用瑞利方法得到了薄板水中振动频率与真空中振动频率、无量纲附加虚质量增量之间的关系。在真空中模态的有限元方法分析数据以及采用适当方法处理奇点积分的基础上,应用离散积分计算了无量纲附加虚质量增量的值。从真空中模态特征频率出发用迭代法直到水中频率收敛为止而得到水中薄板的特征频率,进而计算了薄板的模态辐射效率。方法的有效性通过薄板的无量纲附加虚质量增量与Kwak的结果对比的一致性来验证。     

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。     

含损伤黏弹性阻尼加筋层合板声功率和指向性变异

该文旨在研究损伤位置和程度对自由阻尼加筋层合板声辐射功率和指向性的影响.基于Mindlin和Timoshenko梁理论,建立了自由阻尼层合板-梁组合结构有限元模型.数值求解四边简支边界条件自由阻尼加筋层合板振动响应,继而通过Rayleigh积分计算加筋层合板辐射声功率和指向性.将计算得到的前4阶模态固有频率、声辐射功率...     

复杂结构冲击声合成及实验验证

以复杂结构受击振动响应的时域计算为目的, 讨论了结构阻尼的计算方法, 给出一种用于冲击声合成的综合数值方法, 并进行了实验验证. 首先, 考虑到阻尼是影响瞬态振动时变特性的重要因素, 详细讨论了两种模态阻尼的计算方法; 其次, 对阻尼板的受击振动和声辐射进行了时域仿真, 并与时域有限差分法的计算结果进行对比, 显示出两种声音合成方法的计算结果具有高度的一致性; 最后, 针对有限长圆柱壳的受击振动, 将合成声与实验录音进行了对比研究. 结果表明, 合成声与实际录音的时域包络、频谱结构以及衰减趋势基本一致, 证明了采用数值方法进行冲击声合成的有效性. 关键词： 声音合成 模态阻尼 冲击声 数值方法     

水下加筋板振动声辐射的代理模型研究

基于kriging模型建立了水下结构振动声辐射计算的代理模型,可对水下结构的共振频率和声功率级进行预测。还将主分量分解和kriging模型相结合建立了可对整个计算频段内的振动声辐射响应进行预测的代理模型。这些代理模型可以基于样本信息在整个设计空间对水下结构的振动声辐射响应进行实时预测。文中以水下加筋板的振动声辐射为例进行了代理模型的构造和验证。计算结果表明:使用基于kriging方法的代理模型预测水下结构的共振频率及声功率级具有非常高的精度;使用基于主分量分解和kriging模型的代理模型预测整个计算频段内非共振频率处的声功率级响应也具有很好的精度。在水下结构振动声辐射的设计优化中,可以根据需要单独或联合使用这些代理模型。     

环筋对水下平底圆柱壳的声振特性影响

本文建立了计算两端带平底板的有限长圆柱壳水中声辐射的FEM／BEM三维模型，探索了加筋的高度、宽度、数目对平底圆柱壳的辐射功率、辐射效率、法向声强、声场指向性的影响规律。计算方法是在有限元软件ANSYS中做加筋平底圆柱壳建模、模态分析基础上，将有关数据（网格、模态）导入边界元软件SYSNOISE中计算流体结构耦合状态下的辐射声场特性。结果表明：（1）随着环筋高度、宽度增大，激励点声压峰和法向声强峰在0-400Hz频率范围内数目减少且峰向高频方向移动，同时辐射声功率在减小（除个别模态峰值外），而辐射效率随筋高增大而增大。（2）环筋数目的增加使激励点辐射声压和法向声强峰数目明显减少，使辐射声功率明显低于无筋圆柱壳的辐射声功率，辐射效率随环筋数目增大而增大。（3）环筋宽度变化对声场指向性影响不大；圆柱壳声场指向性随环筋高度和数目增加出现较大变化，尤其是在研究的频段内的f=51Hz和f=301Hz上。这对于水下结构辐射噪声预报以及噪声抑制具有重要意义。     

双层加筋结构有源隔声物理机制研究

深入分析双层加筋结构有源隔声的物理机制有助于控制系统的优化设计。用模态叠加法和声振耦合理论对双层加筋有源隔声结构建模。在辐射加筋板声功率最小的控制条件下,从模态耦合的角度对有源隔声的物理本质进行了详细阐述。分析结果表明,由于双层加筋板中筋的耦合作用影响,系统的声能量传输规律及有源隔声机理与现有的模态分析结论相比均发生改变。结合筋的耦合影响,对空腔声场的模态抑制与重构机理进行修正和补充,清晰解释了双层加筋结构有源隔声的物理本质。      

双层加筋结构有源隔声物理机制研究

深入分析双层加筋结构有源隔声的物理机制有助于控制系统的优化设计。用模态叠加法和声振耦合理论对双层加筋有源隔声结构建模。在辐射加筋板声功率最小的控制条件下,从模态耦合的角度对有源隔声的物理本质进行了详细阐述。分析结果表明,由于双层加筋板中筋的耦合作用影响,系统的声能量传输规律及有源隔声机理与现有的模态分析结论相比均发生改变。结合筋的耦合影响,对空腔声场的模态抑制与重构机理进行修正和补充,清晰解释了双层加筋结构有源隔声的物理本质。     

粘弹性夹层板结构声传入的理论分析

应用有阻尼的简正模态概念,推导出夹层板与腔耦合条件下的声波基本方程,并通过数值计算研究了粘弹性层的特性参数对板结构振动及其辐射噪声的影响。结果表明,利用粘弹性层的剪切效应,可以有效地抑制结构的振动和由此所建立的闭空间声压。     

基于声辐射模态讨论声能量辐射与传递

声辐射模态表示了振动声源表面的辐射模式。基于声辐射模态讨论了振动声源表面声能量辐射和声场中声能量传递的性质,给出声能量辐射和传递的模式。采用表面声强描述振动声源表面的声能量辐射,采用声强描述声能量在声场中的传递。表面声强和声强可分解成两部分,一部分将辐射的声能量传递到远场;另一部分表现为振动声源与声场之间的能量交换。针对矩形板分析了声能量辐射和传递,数值计算结果与理论结果一致。结果表明基于声辐射模态讨论声能量辐射与传递是可行的和有效的。     

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。      

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.