水下弹性球壳被激振动和辐射声的时域特性研究

本文在时域上对水下球壳在球冠形均匀单频填充脉冲力源作用下的振动和辐射声问题进行分析和计算。结果表明:在长脉冲力作用下,根据填充频率不同,会激起不同模态振动和产生长的共振辐射声或拍频辐射声,但有一部分模态对远场声辐射的贡献甚微;在短脉冲力作用下,脉冲波在球壳上传播一般会发生展宽和变形。文中还应用DAA2方法简化水——壳体耦合关系和边界元方法计算辐射声场。与精确解比较可知,DAA2方法的结果是令人满意的。     

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     

水中弹性圆柱壳的共振声辐射

研究了在内壁简谐法向线力激励下的水中弹性圆柱壳的振动和声辐射问题，这有助于深入认识水中结构的声辐射机理，验证水下结构共振声辐射理论。本文从经典Ｒａｙｌｅｉｇｈ简正级数解出发导出共振声辐射公式，然后分别用经典公式和共振声辐射公式计算钢圆柱壳的辐射声功率及壳体表面声压曲线。计算结果表明两者符合良好。     

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。     

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。     

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。     

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．     

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。     

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。      

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.     

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     

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.     

水下任意形旋转薄壳振动和辐射声的时域研究

本文通过采用DAA2方法,有限元模态展开和直接积分混合方法以及Kirchhoff推迟势的边界元解法在时域上对水下任意形旋转薄壳振动和辐射声进行研究。以水下椭球壳的端部轴对称激励问题为例,对力源的时间函数分别为单频填充脉冲和δ脉冲两种情况给出了一些典型的数值计算结果和实验结果,并进行了讨论。     

降低加肋双层圆柱壳辐射噪声线谱的结构声学设计

为降低双层圆柱壳辐射噪声线谱,从控制内壳振动响应和衰减壳间振动传递率进行结构声学设计。采用机械阻抗理论分析了环肋圆柱壳模态响应控制机理;由环肋振动方程推导分析了环肋径向机械阻抗特性;基于阻抗失配、波形转换原理提出一种阻抗加强环肋,分析了振动波阻抑特性;利用阻尼减振技术,综合考虑肋板的刚度、阻尼特性,设计了金属橡胶层叠肋板;结合数值计算实例,分析了设计双层壳模型的声辐射性能。结果表明:设计的双层加肋圆柱壳结构能有效降低辐射噪声线谱,在分析频段内辐射声压线谱平均降低约6.6 dB。研究结果对研制低噪声水下航行器具有良好的工程价值和应用前景。      

声辐射问题中的模态分析,Ⅱ.实例

声辐射模态和声场分布模态分别描述了复杂振动表面的辐射模式和声场的分布模式。通过数值计算,揭示声辐射模态和声场分布模态的物理含义。针对球形声源、旋转体声源和立方体声源,给出了声辐射模态和声场分布模态的几何图案。第一阶模态表示单极子辐射行为,第二阶到第四阶模态表示偶极子辐射行为,第五阶到第九阶模态表示四极子辐射行为。声辐射模态和声场分布模态将多极子分解方法应用于复杂声源声辐射问题的讨论。     

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。     

水下双层圆柱壳体结构辐射噪声实时预报方法研究

根据Sommerfeld辐射条件和统计能量假设定义了具有方向性特征的声辐射系数,再结合声辐射效率特性定义了新的参数声辐射因子。在外壳体表面速度实时重构理论基础上提出了用声辐射因子实现水下双层圆柱壳体结构辐射噪声实时预报的方法,还提出了有限长水下圆柱壳体结构声辐射因子的试验测量方法。水下声学试验研究表明该方法预报的辐射声压与实测值吻合较好,能满足水下噪声预报的实时性、远场指向性和工况适应性等计算要求。      

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。