驾驶室结构减振降噪的拓扑优化设计

针对驾驶室减振降噪,提出一种基于驾驶室声振耦合系统声学贡献度分析的结构优化方法.运用模态叠加法求解耦合系统在外界激励下的动力学响应,利用声学贡献度分析、评价并确定对驾驶员右耳声压贡献突出的板件,以贡献度最大面板区域为设计域、一阶固有频率最大化为目标函数对结构进行拓扑优化.结构优化改进后,耦合系统主要激振频率下驾驶员右耳位置峰值声压级降低29dB,表明在保持驾驶室结构重量相对不变的情况下运用该方法有效降低车内噪声.     

振动板速度最小化减振优化设计研究

减振设计是结构设计的重要内容之一，优化设计可在设计阶段通过对设计模型的定量修改获得理想的减振效果。基于有限元直接法计算振动板的频率响应，以板局部厚度为设计变量，计算了振动速度对局部板厚度的灵敏度；以振动板各节点振动速度的平方和最小化为目标，建立了减小振动板振动速度的减振优化数学模型，用可行方向法实现了优化。以一两端固支矩形板的振动为研究算例，对其在1Hz～200Hz的振动实施了优化；优化后振动板各节点在研究频率内的振动速度都得到了降低，降低最大值达0．311m／s。实例结果表明，优化设计通过对结构重量的重新分布可在结构重量相对不变的情况下，在一较宽频段内均得到减振效果。     

基于统计能量法的声场-结构耦合模型高频振动隔振分析

应用统计能量法软件计算高频域卫星的声场-结构耦合响应，并设计被动隔振与主动式有效载荷适配器相结合的减振方案。利用有限元建模和AutoSEA仿真进行减振模拟分析，证明综合隔振方案的提出有效减弱了各阶模态频率上的振动响应，同时也消除了声场振动声压的波动峰值。且充分说明AutoSEA仿真计算对于高频声场-结构耦合问题的可行性与准确性。     

车室低频噪声预测与车身板件声学贡献分析

为预测车室低频噪声,建立车身结构有限元模型和声场有限元模型,并使用网格映射方法将结构-声场有限元模型耦合。建立发动机激励动力学模型和路面随机激励动力学模型,利用Matlab/Simulink计算发动机悬置点激励力和悬架处激励力,并通过快速傅里叶变换得到激励力的幅频特性。加载发动机激励力和悬架激励力,在Virtual.Lab中进行声学响应分析和板件声学贡献分析,预测车室噪声并确定声压贡献较大的板件。最后通过板件厚度参数优化,有效地降低测点声压。     

基于拓扑优化的轿车车身低噪声设计

建立了含门窗的车身结构有限元模型、车内声场有限元模型及结构一声场耦合模型,进行了车内耦合声场预测;建立了拓扑优化分析模型,对关键板件加强筋的位置和截面尺寸进行了优化;另外,对板件厚度也进行了优化分析,优化后车内声压主要峰值降低2dB(A)-3dB(A).     

高声压谐振耦合管共振频率的优化设计

谐振耦合管法产生的声压源具有高声压级、低失真的特点,通常用于高声压传声器在固定频率下的线性度校准。基于声学有限元模型,分析了谐振耦合管的特征频率和频率响应,优化了谐振耦合管的设计,其共振基频的实验值与计算值相差0.8 Hz,500 Hz谐振耦合管实现的声压级可到174 dB,总谐波失真为0.5%。     

油烟机壳体的振动响应优化设计

为了降低油烟机壳体振动产生的噪声,基于油烟机壳体有限元模型,计算壳体在电机激励下的振动响应。在此基础上,以壳体四个部分的厚度为设计变量,保持壳体质量不超过原壳体质量,以壳体上四个敏感点的质点振速峰值为目标函数,对其进行了优化设计研究。利用商业软件Nastran 计算质点振速,基于DOE 方法利用iSIGHT-FD 对壳体厚度进行优化,得到了优化的结构厚度。优化后,设计域各点的质点振速峰值均有不同程度的降低,振动速度级降低最大值达到8.2dB。结果表明,在保持吸油烟机壳体质量不增加的情况下,通过改变壳体四个部分的厚度可以达到降低辐射噪声的效果。     

基底厚度小于热渗透深度的石墨烯薄膜热声理论

基于热声效应，对基底厚度小于热渗透深度的石墨烯薄膜发声器进行理论和仿真研究。首先，利用石墨烯薄膜发声器的热功率平衡方程与气体中的热弹性耦合线性方程组推导出了石墨烯薄膜发声器的近/远场声压表达式。将理论计算结果与实验测试值进行对比，二者吻合良好，验证了理论模型的正确性。然后，利用仿真软件对石墨烯薄膜的近远场声压值进行了仿真计算，并将仿真值与理论值进行对比，二者有良好的一致性，验证了仿真计算方法的有效性。研究表明，石墨烯薄膜发声器的远声场为球面波，近声场近似为平面波。在远场低频段，声压级随输出声频率的增加而缓慢增大；在近场高频段，声压级几乎不受输出声频率的影响。研究结果为基底厚度小于热渗透深度情形下的热致发声器提供了理论计算和分析方法，对石墨烯薄膜声源器件的实验研究具有指导意义。     

脉冲波声场的数值计算与测试研究

针对超声检测中影响缺陷定量准确性的声场问题进行了深入讨论，研究了脉冲波声场的计算方法，设计了相应的计算软件并绘制出实用换能器声轴线上的声压分布曲线，分析了不同材料和厚度的采样回波对频谱的影响，比较了连续波声场和脉冲波声场的分布特性及异同点。对脉冲波声场的测试结果表明，数值计算和实测结果有较好的一致性。本研究结果为提高超声检测中缺陷定量的准确性和科学性提供了依据。     

双传声器声压测量的计算误差分析

利用双传声器测量声压存在系统误差,这个误差主要出现在对两个通道声压进行平均的算法上.当两个传声器之间的声压差很小时,算术平均法和几何平均法计算出的声压级误差的差别可以忽略.在测量平面声场时,声压级误差主要出现在高频;在测量点声源声场时,声压误差级主要和测试距离有关.     

内燃机噪声优化对车内声学的影响研究

提出了内燃机结构辐射噪声的仿真与优化方法,评价了内燃机噪声优化前后车内噪声的变化。建立了内燃机和前围板的有限元模型,通过模态分析验证了模型的精度。采用柔性多体动力学方法计算了内燃机的振动响应,并结合边界元算法得到了结构辐射噪声。完成了机体的结构优化,通过提升刚度使整体模态频率与激励峰值频率分离,从而降低机体结构响应,减小辐射噪声。搭建了内燃机与前围板的声学耦合模型,计算得到经机体结构优化前后的内燃机辐射噪声通过前围板后进入车内的声功率。结果显示,机体的优化方案大幅降低了其辐射噪声,从而减小了整机的辐射噪声。研究内燃机噪声与车内噪声的传递路径后,发现车内噪声有了明显的下降,从而证实了优化设计的可行性和有效性。     

航天器设备舱噪声分析及声学优化设计

噪声是载人航天器舱内非常重要的环境因素,用有限的重量代价获得需要的声学环境是航天器声学设计的主要目标。对含多个隔舱的航天器设备舱采用统计能量分析法建立噪声分析模型,根据实测声源特性分析隔舱内设备对航天员通道噪声的影响,并针对隔舱提出吸声降噪措施。选取隔舱蜂窝板及三聚氰胺泡沫吸声层的厚度为设计变量,采用遗传算法对隔舱声学设计进行优化以降低隔舱重量代价,优化结果与初始设计相比,通道最大声压级减小3 d B,满足通道噪声要求,同时隔舱重量减小9%,验证了优化设计方法的有效性。     

结构声辐射有限元/边界元法声学-结构灵敏度研究

声学-结构灵敏度用于预测结构辐射声压随结构设计变量的变化,该值对结构降噪设计有重要意义。提出了基于有限元法、边界元法的声学-结构灵敏度计算方法。基于有限元法计算结构动力学响应及响应速度灵敏度,基于边界元法计算结构辐射声压及声压对振动速度灵敏度。将两个灵敏度联合,得到声学-结构设计灵敏度。以中空六面体为研究实例,给出了激励频率为1~100 H z时,外场声压对壳厚度的灵敏度,并分析了灵敏度随激励频率、设计变量的变化规律。结果表明,基于有限元法、边界元法的声学-结构灵敏度是有效和正确的。     

变截面管道流噪声数值计算

采用变分形式的Lighthill声类比方程来定量地求解管路内流噪声。数值计算主要分为两步:第一步通过精细的流场网格计算非定常的噪声源;第二步将声源结果守恒插值至声学网格,并通过有限元法计算声传播。在非定常流场计算中采用大涡模拟(LES)湍流模型,以获取噪声源。与试验值对比发现数值计算结果与试验结果趋势一致,从而验证了计算结果的合理性。研究结果表明,在分析原截面突缩管的主要噪声源分布后,优化管截面获得很好的降噪效果。     

Optimality criteria-based topology optimization of a bi-material model for acoustic–structural coupled systems

This article investigates topology optimization of a bi-material model for acoustic–structural coupled systems. The design variables are volume fractions of inclusion material in a bi-material model constructed by the microstructure-based design domain method (MDDM). The design objective is the minimization of sound pressure level (SPL) in an interior acoustic medium. Sensitivities of SPL with respect to topological design variables are derived concretely by the adjoint method. A relaxed form of optimality criteria (OC) is developed for solving the acoustic–structural coupled optimization problem to find the optimum bi-material distribution. Based on OC and the adjoint method, a topology optimization method to deal with large calculations in acoustic–structural coupled problems is proposed. Numerical examples are given to illustrate the applications of topology optimization for a bi-material plate under a low single-frequency excitation and an aerospace structure under a low frequency-band excitation, and to prove the efficiency of the adjoint method and the relaxed form of OC.     

A move coordination method for alternative loads in structural optimization

A decomposition technique for alternative loading conditions in the integrated optimal structural design is developed. The method, called the move coordination, consists of partitioning the large structural optimization problem into a set of smaller coupled subproblems. In each subproblem only one loading condition is considered and the subproblems are solved in a parallel cyclic way. The coupling among the subproblems is accomplished through the introduction of coordinating constraints between each subproblem. These constraints ensure that the final design is the same and feasible for all subproblems. The method developed is illustrated by two examples of member sizing of truss structures using the integrated optimal design formulation and geometric programming. The method presents the advantage of reducing the size of the optimization problem as well as the computer processing time. The method is also suitable for implementation on computers using parallel processing.     

吸声处理对舱室内空调噪声影响的数值分析

通风空调系统辐射噪声是船舶舱室内最主要的噪声源,吸声处理是降低舱室噪声的一种有效途径。为考察吸声处理对降低舱室噪声的效果,建立通风空调管路噪声向船舶舱内辐射的有限元法数值预报模型。以实测的管口声压为噪声源,研究舱室壁面及通风管路吸声对舱室降噪效果的影响,进而用于指导和改进船舶舱室的声学设计。对通风空调系统改变后的舱室噪声进行预报,并针对较高的噪声进行声学设计,使舱室噪声问题得到解决。     

类高尔夫球表面处理对受电弓气动噪声的影响

针对高速列车弓网噪声,为降低主要由细长圆柱杆件构成的受电弓的气动噪声,建立三维圆柱绕流气动噪声分析模型,基于大涡模拟方法、声类比理论模拟圆柱杆件的流场特征,分析远场气动噪声频谱特性与分布规律,并对圆柱杆件表面作球缺型凹坑处理,分析表面处理方案的降噪效果。数值结果表明,来流与圆柱轴向所在平面法向的气动噪声受升力波动影响,声压级最大;圆柱来流方向前后气动噪声受阻力波动影响,声压级最小。圆柱表面球缺型凹坑处理方式可以有效降低圆柱杆件远场R=5 m处最大声压级,凹坑加密,降噪效果更好,优化模型II-1、II-2和II-3在R=5 m处最大声压级分别降低1.5 d B、1.9 d B和2.4 d B。相关结果可为高速列车噪声控制提供参考。     

Topology optimization of composite material plate with respect to sound radiation

In this paper, topology optimization of composite material plate with respect to minimization of the sound power radiation has been studied. A new low noise design method based on topology optimization is proposed, which provides great guidance for acoustic designers. The structural vibrations are excited by external harmonic mechanical load with prescribed frequency and amplitude. The sound power is calculated using boundary element method. An extended solid isotropic material with penalization (SIMP) model is introduced for acoustic design sensitivity analysis in topology optimization, where the same penalization is applied for the stiffness and mass of the structural volume elements. Volumetric densities of stiffer material are chosen as design variables. Finally, taking a simple supported thin plate as a simulation example, the sound power radiation from structures subjected to forced vibration can be considerably reduced, leading to a reduction of 20 dB. It is shown that the optimal topology is easy to manufacture at low frequency, while as the loading frequency increases, the optimal topology shows a more and more complicated periodicity which makes it difficult to manufacture.     

自适应声学结构声压误差传感策略

在自适应声学结构的实现中，误差传感策略是关键的一环，现有研究表明：利用结构表面声压构造目标函数是可行的方法，但实际中只能测量近场声压，由此将带来一系列差异，文中研究这种差异的大小及克服的办法。结果表明：在与次级结构表面平行、面积相等的测量面上，如果测量面距振动结构的距离远小于声波波长，则测量面上离散点的声压平方和作为有源控制的目标函数即可取得良好的降噪效果。