无限长双层加肋圆柱壳水下声辐射解析计算

建立了无限长双层加肋圆柱壳水下声辐射解析计算方法,计算模型采用了Donnell壳体理论,考虑环肋、舱壁和实肋板对内外圆柱壳径向反作用力,利用傅氏变换和模态展开在波数域建立了这种计算模型的声弹耦合控制方程.文中推导了所有结构部件以及水介质的速度阻抗表达式,利用稳相法得到远场辐射声压.计算表明,实肋板和舷间水都是重要的声传递通道,在双层圆柱壳水下声辐射计算时必须考虑实肋板和舷间水的振动传递,双层圆柱壳水下声辐射对结构参数(壳板厚度、舷间距离等)变化不敏感.     

壳间连接形式对双层壳声辐射性能的影响

研究流场中受径向点激励的有限长双层圆柱壳壳间用实肋板连接或用托板连接对其振动和声辐射性能的影响。壳体的振动用Flügge壳体方程描述,将加强构件等价为对内外壳体的支持力,实肋板作用可以等价为周向、轴向和径向三个方向的力和轴向弯矩作用到壳体上。托板近似简化为拉压杆件进行计算,并推导了托板的动反力公式,然后将其引入壳体振动方程,最后求解双壳体声-流体-结构耦合方程,计算结果用辐射声功率、表面振动均方速度级和辐射效率的形式表示。在数值分析部分,讨论了壳间连接型式变化对双层圆柱壳的声辐射性能的影响,分析了托板和实肋板的差别。得出结论:壳间连接越紧密,对应的双层加筋圆柱壳的辐射声功率越高。     

水中有限长纵向加肋圆柱壳体振动与声辐射影响因素研究

本文以水中有限长纵向加肋圆柱壳体为研究对象,推导了水中有限长纵向加肋圆柱壳体的声固耦合振动方程,其中纵向肋骨的作用表现为在基本圆柱壳体声固耦合振动方程中增加相应的附加阻抗,因此壳体的振动和声辐射由壳体机械阻抗、辐射阻抗和纵向肋骨附加阻抗决定。通过数值仿真算例对外力激励下有限长纵向加肋圆柱壳体振动与声辐射影响因素进行了研究。结果表明纵向加肋对水中圆柱壳体的辐射声功率影响不大,但壳体表面平均振动速度明显降低,而材料损耗因子对几乎所有频段内水中圆柱壳体的辐射声功率和表面平均振动速度都有明显抑制作用。     

基于Riccati传递矩阵法分析水下有限长环肋圆柱壳的声辐射性能

采用与以往解析法和FEM/BEM不同的思路,通过运用Riccati传递矩阵法和齐次扩容精细积分法求解水下圆柱壳声振问题的一阶矩阵微分方程,提出一种新的半解析半数值法分析有限长环肋圆柱壳的声振问题。声压解析表达式由满足Helmholtz方程的基本解的线性组合表示;利用液固交界面的法向速度协调条件以及在壳体母线上配点,从而将结构的声振耦合方程转化为求解声压系数的线性代数方程组,实现了对环肋圆柱壳声振问题的求解。数值算例研究了几个重要计算参数对精度的影响;另外通过结果比较表明了该方法的有效性。该方法可以进一步推广到求解有限长环肋圆锥壳以及环肋锥壳组合壳的声振问题。     

充液环肋圆柱壳耦合振动的波动解

研究了充液环肋圆柱壳结构的耦合振动特性。基于Love壳体理论,考虑壳体内部完全充液,采用波动法建立充液环肋圆柱壳耦合振动的频率特征方程,得到了不同边界条件下的耦合频率值。通过与已有文献数据对比,验证了该文研究方法的有效性和正确性。最后通过算例,分析了充液因素、环肋参数、边界条件、壳体几何参数等对充液环肋圆柱壳耦合振动的影响。     

基于改进传递矩阵法的环肋圆柱壳固有振动分析

为了简化传统传递矩阵法中状态向量一阶微分方程复杂推导和得到不同边界条件下环肋圆柱壳的振动特性,基于Flügge壳体理论,通过采用改进传递矩阵法改进状态向量的选取,直接快速地从振动方程推导出圆柱壳结构场传递矩阵,并对场传递矩阵使用精细积分求解。根据环肋和壳体连接处变形连续条件导出环肋处点传递矩。最后通过自由、简支、固支三种不同边界条件下环肋圆柱壳固有频率计算结果与有限元计算结果进行对比,验证了改进传递矩阵法进行环肋圆柱壳振动分析有效性和适用性。     

水下加筋圆柱壳声辐射特性分析的改进精细传递矩阵法

基于Flügge壳体振动理论,将改进精细传递矩阵法应用于水下加筋柱壳声辐射问题的求解;通过应用加法定理和增量存储,改进非齐次项求解方法,构造了加筋圆柱壳的辐射噪声改进精细传递矩阵法。分析了边界条件、结构损耗因子、流体介质以及壳体厚度对加筋圆柱结构声辐射的影响。研究表明,当边界条件从自由、简支到刚固,结构对外辐射声压逐渐降低;随着结构损耗因子的增大,结构对外辐射声压大体上逐渐降低。     

双层圆柱壳振动传递及近场声辐射特性研究

水下加筋圆柱壳体振动和声辐射是近年来研究的一个热点问题。文章从实验和数值计算两个方面,对水下加筋双层圆柱壳的振动传递及声辐射进行了研究。实验模型表面敷设了隔声去耦材料,分为四种工况:双壳全敷设、内全敷设、外全敷设、外部分敷设,对单频激振时内外壳体间的振动传递以及各工况下的近场声压进行了分析。结果表明,托板在内外壳的振动传递中起着较大的作用,内外壳全部敷设隔声去耦材料对抑制振动和声辐射最有效。为了减小托板对振动及声辐射的影响,提出了复合托板结构,即在托板上添加方钢结构,并对含复合托板的圆柱壳声学特性进行了数值研究,表明方钢在中高频段能有效降低壳体的振动及声辐射。     

非均匀加筋圆柱薄壳圆截面内振动的径向模态机械阻抗分析

提出圆柱薄壳的圆截面内运动假设,从声学角度将环肋对壳体的作用等效为径向作用力,根据Hamilton原理建立了简支非均匀加筋圆柱壳的振动控制方程,利用驻波形式解对其径向模态机械阻抗进行了研究。分析表明:对于加筋圆柱壳,环肋与圆柱薄壳的径向模态机械阻抗具有串联连接方式,通过调整环肋的几何参数增大环肋自身的径向模态机械阻抗,可以达到壳体减振降噪的目的,并指出了利用环肋的反共振特性进行加筋圆柱壳结构减振的设计方向。     

壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响

研究了不同壳间连接介质的加筋双层壳的振动声辐射特性.基于Flügge壳体理论和Helmholtz波动方程,求解了双壳体声-流体-结构耦合方程,计算了有限长双层壳体在径向点激励下的声功率和振动速度级.结果表明,水层的耦合作用随频率的增高而降低,托板的耦合作用随频率的增高而增加,托板在内、外壳的振动传递中起着较大的作用.为了减小托板对振动及声辐射的影响,提出了阻尼托板结构,即在托板上添加阻尼材料,对含阻尼托板的圆柱壳声学特性进行了数值研究.结果表明,在中高频段,阻尼有效抑制了振动能量的传递,壳体的辐射声压明显降低,这对水下结构的减振降噪设计具有重要的参考意义.     

加纵肋平底圆柱壳振动和声辐射的FEM/BEM研究

建立了两端带平底板的加纵肋圆柱壳水中声辐射计算的FEM／BEM三维模型，探究了加肋的高度、宽度、数目对平底圆柱壳表面平均速度、辐射功率、辐射效率、声场指向性的影响规律。计算方法是在有限元软件ANSYS中做加肋平底圆柱壳建模、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）纵肋的高度、宽度以及数目增大都可以引起平底圆柱壳的表面平均速度、辐射功率、辐射效率随频率变化曲线峰的移动，同时使声辐射效率增大，但使表面平均速度、辐射功率变化不明显。（2）纵肋的高度、宽度增大都使低频声辐射中两端平底板的贡献量增大，而使研究频域内的高频声辐射在激励力的反方向上增强。当径向激励力作用在纵肋上时适当调整均布纵肋的数目可以改变平底圆柱壳辐射声场的指向性。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。     

波数空间中活塞辐射体近场声压分布的计算及测试

在近场范围内,声源在任何平面上的声场都可以通过平面传播波和倏逝波的叠加来得到。以圆形活塞为例,在波数空间中利用角谱法求得其辐射声场的传播波和倏逝波的分布。借助数值分析方法,对圆形活塞声源声轴线上的声压进行计算,得到相应的近场声压分布曲线。由角谱法计算得到的近远场分界点与点源组合法所得结果一致。对不同声源半径时,不同辐射频率下的声压分布曲线进行比较,得出了近场声压的变化规律。阶梯圆盘在辐射理论上应等于对应圆形活塞的辐射。对设计的阶梯圆盘的轴向声压进行了测试,实验测试结果与理论计算结果基本吻合。     

封闭空腔结构-声耦合场内辐射声粗糙度的研究

基于结构-声耦合场有限元模型以及改进后的Sethares非谐音心理声学模型,计算封闭空腔边界上声固耦合板受简谐力激励后引起的空腔内部辐射声,分析其在评价点被快速调制时产生的粗糙度,并研究调制音声压级、调制音频率以及耦合板刚度对辐射声粗糙度的影响。为计算封闭空腔内部声辐射被其它声源所快速调制时产生的声粗糙度提供依据和预测方法。     

双层弹性-非弹性封闭腔体的内部声场研究

从球坐标中声波波动方程出发，利用本征函数展开方法和界面边界条件，导出了双层弹性封闭球壳的内部散射声场表达式。对于单位源强度的点声源，本文计算了分别由弹性/粘弹性和弹性/吸声材料组成的双层封闭球壳的内部散射声压随频率的变化关系。计算结果表明，粘弹性材料和吸声材料在某些频段对散射声压有十分明显的抑制作用。     

封闭弹性长方体与柱状体连接结构的辐射声场分析

建立了以机械方式连接的封闭弹性长方体与弹性圆柱体的外辐射声场模型。通过在弹性板和壳的四周以及两弹性结构连接点之间施加假想的弹簧系统模拟不同的边界条件和连接条件,利用汉密尔顿函数和瑞利-李兹方法,推导出了腔体外辐射声场的解析解。该模型充分考虑了弹性结构之间的振动耦合以及弹性结构与腔体内声场之间的耦合。通过算例表明,弹性结构的辐射声场主要由其中的直接受力件的辐射声场所决定;弹性结构连接点处线弹簧的刚度变化对辐射声场的影响较旋转弹簧大。同时,运用有限元法计算两个腔体内的声模态和弹性结构的振动模态,及其耦合系数,结合边界元法计算出腔体外的声压响应,并将此数值仿真结果与前面导出的解析结果进行比较,验证理论推导的正确性。     

基于波叠加方法的水下声源辐射声场预报及实验研究

根据基于波叠加方法的声全息技术研究了水下声源的辐射声场预报问题,通过水听器阵列测得的复声压预报三维空间声场的声特性。数值仿真分析了一有限长圆柱壳模型在不同频率力激励作用下的声场预报精度,发现测量阵列尺寸与结构尺寸相近即可准确预测声场。水池和湖上实验分别对柱形换能器声源和加肋双层圆柱壳受激辐射声场进行了预测并和实测值进行了对比,结果表明该方法是一种稳健有效的声场预报方法。不同频率下,二者误差一般在3dB以内,能够满足工程需要。为实际水下大型结构的空间声场预报和降噪性能预估提供了工程参考。     

燃料电池车用漩涡风机壳体辐射噪声数值预测

数值模拟燃料电池车用旋涡风机壳体的结构振动辐射噪声。首先给出燃料电池车上旋涡风机运行时振动噪声测量结果,然后使用Fluent模拟风机内部三维非定常流场,将作用在壳体表面的非定常力加载到壳体模型,使用Nastran对壳体进行动力响应计算,实现气体到结构的单向耦合。接着使用Virtual. Lab模拟风机壳体振动向外辐射的噪声,将试验测量和数值计算结果进行对比,表明此方法能够较为准确地模拟壳体的振动辐射噪声。最后采用这一方法研究散热片及结构阻尼对风机振动辐射噪声的影响。结果表明：无散热片以及增大结构阻尼系数可以降低漩涡风机壳体辐射噪声。     

阻尼处理对水下弹性壳体振动声辐射影响分析

利用有限元软件ANSYS和边界元软件SYSNOISE对水下弹性壳体在不同阻尼处理下受激振动与声辐射特性作了数值计算分析研究,讨论了粘弹性阻尼厚度及敷设方式对水下弹性壳体振动声辐射特性的影响,研究表明：阻尼处理可以有效的降低结构的辐射声功率,阻尼层的厚度不是越厚越好,要结合激励力的频谱特性和壳体的振动特性来选择合适的厚度,敷设方式内粘自由阻尼层要比外粘减振效果好.     

深腔流激振荡特性研究及能量采集初步分析

针对深腔流激振荡现象的内部声场特性及其流体动能利用方法进行了研究,通过对谐振空腔内部的流场和声场进行数值模拟,探究腔体结构尺寸和流速对内部声振荡响应特性的影响,选用合适的空腔结构安装压电换能器初步实现声电能量转换过程,并进行实验验证。结果表明,当谐振腔开口尺寸H_(R)=30 mm,长度L_(R)=230 mm时,可在相当于高压输气管道的流速范围内获得属于第一水力模态和第一声学模态的稳定声振荡;当气体流速为32.26 m·s^(-1)时,声场压力振幅可达4.62 kPa;选用压电陶瓷厚度hp=1.0 mm的压电片进行实验测试,可得开路电压为1.99 V;实验结果与模型预测结果趋势一致。该方法丰富了环境流体动能的利用方式,且有望在低功耗、远距离、低维护等特殊场合的微型无线电子设备中实现无源供电。     

基于大涡模拟和Lighthill声类比的孔腔流动发声特性研究

孔腔流动发声是气动声学研究领域重要的课题,基于大涡模拟和Lighthill声类比方法,探讨了气体在孔腔流动的流激噪声的发声特性。模拟结果表明,孔腔边界层出口剪切涡、边棱处涡街和腔体内反馈涡的运动诱导了孔腔发声,具有明显的偶极子特性,在高频段腔体内激发了声学驻波模态。通过模拟与实验对比分析了不同流量下噪声量级以及频谱分布规律,研究结果表明:24 kHz以下的声频谱会表现出波峰小范围迁移;24 kHz以上频率对应的声压级随流量增大而增大;腔体长度和特征频率近似满足Strouher公式,即声频特征频率随腔体长度的增大而减小。上述研究结果为下一步设计在线监测安全阀泄漏的报警超声波发声器提供了理论依据。