水下圆柱壳低频声辐射特性及有源控制

利用振动模态及声辐射模态分析水下有限长圆柱壳低频模态辐射特性。计算各阶周向振动模态对辐射声功率贡献;将各阶周向模态下轴向振动模态分为奇、偶模态组,分析低频范围内振动模态组与声辐射模态对应关系;以主导声辐射模态声功率为目标函数对水下有限长圆柱壳低频声辐射进行有源控制。结果表明,低频范围内水下简支圆柱壳受径向点力激励时,仅前几阶周向振动模态对辐射声功率有贡献;同一周向振动模态下轴向为奇(偶)振动模态组产生的声功率与具有相同周向阶数而轴向为偶(奇)声辐射模态产生的声功率对应。通过控制前几阶主导声辐射模态即可完成对水下有限长壳体低频辐射噪声抑制。     

基于模态理论的有源声学结构控制机理研究

有源声学结构是近年来提出的一种控制结构低频声辐射的有效方案，它是智能结构在噪声控制领域的具体应用，其控制机理是一个亟待解决的关键问题，文中结合声辐射模态和结构振动模态理论对该问题进行了研究并作了定量解释。研究结果表明：有源控制的机理在于减小结构主导辐射模态的幅度（声功率），同时保证低阶非主导辐射模态的幅度不会有大的升高；在控制高阶辐射模态幅度的同时，低阶辐射模态幅度也被有效控制；四个次级板能够抵消各种类型的振动模态对应的主导辐射模态，从而有效控制结构所有振动模态的声辐射。     

结构声辐射有源控制中主导辐射模态的抵消及次级力的最优布放

在基于声辐射模态理论的结构声有源控制中，主导辐射模态的确定及抵消策略是至关重要的，它直接决定次级力源的优化布放及有源控制的效果。以往研究中对于主导辐射模态的认识是模糊而片面的，现对该问题进行了深入分析。首先基于辐射模态理论和振动模态的叠加性，结合辐射模态幅度和辐射效率，确定了结构在不同的激励频率（振动模态）下对应的主导辐射模态，然后在此基础上对次级力源进行了优化布放，最后用一系列的计算机仿真实例验证了理论结果的正确性。     

有限长圆柱壳结构水下声辐射有源控制实验

以水下有限长圆柱壳为对象,实验研究水下结构声辐射有源控制。实验中通过引入次级力源,以单个或两个误差点处的声压最小为目标函数,分析次级激振器和误差传感器布放（位置和数目）以及激励频率对控制效果的影响。结果表明：有源控制能够有效控制水下圆柱壳线谱噪声;增加次级激振器和误差传感器的数目,能够增大降噪区域;有源控制在3 000 Hz高频处对壳体噪声控制依然有效。有源控制能够对多线谱信号激励壳体辐射噪声产生抑制作用。     

弹性圆柱壳结构振动有源控制理论分析

以两端为简支边界条件的弹性圆柱壳为研究对象,基于Donnell—Mushtari的壳理论分析了圆柱壳自由振动固有频率和结构模态,应用模态叠加方法得出圆柱壳在简谐点力激励下的响应。采用不同控制策略,对圆柱壳结构振动进行有源控制,并结合二次最优理论建立圆柱壳振动有源控制理论模型,得出不同控制策略下的最优次级力。基于所建模型进行计算机仿真,对两种控制策略下圆柱壳结构振动有源控制进行比较分析,所得结论对圆柱壳结构有源控制相关研究具有参考意义。     

舱段结构流固耦合声振特性的模态叠加法研究

圆柱壳加筋结构是水下航行器的主要组成部分,研究复杂柱壳结构的水下振动与声辐射特性具有十分重要的意义.本文以双层加筋圆柱壳舱段为研究对象,考虑舱段外和双层壳体内流体与结构的耦合作用,利用有限元法得到舱段结构的干模态,再利用直接边界元方法得到舱段结构的湿模态,采用模态叠加法研究舱段的流固耦合振动与声辐射特性.文中还比较了不同筋板结构形式和内外壳体内流体耦合作用前后舱段的声辐射特性,分析内外流场对舱段结构噪声辐射的影响规律.     

封闭空间中结构声辐射的有源力控制研究

推导了在初级力源和次级力源共同作用下的弹性结构振动声辐射公式,对封闭空间中的有源结构声控制（ＡＳＡＣ）建立了有源力最优控制模型。模拟实验研究了弹性结构由力源激励所产生的封闭空间声场的特点、有源控制力向量的位置、幅值和次级力源个数的选择等问题。结果表明,弹性结构在力源激励下的封闭声场,是由激励力大小、结构模态和空腔模态间的耦合决定的;对于单模态振动声辐射,应选取振幅最大处作为次级力源的位置,同时优化力的大小;另外,合理选取次级力源个数可有效控制多模态振动声辐射。这些结论为建立封闭空间中结构声辐射有源力控实验系统提供了理论基础。     

多设备源激励下水中柱壳结构声振特性研究

研究多个设备振动激励下的水中有限长圆柱壳体振动与声辐射特性。基于薄壳理论,建立单频多个设备振动激励下水中有限长圆柱壳体的声振耦合方程,采用模态展开法推导出多源激励下壳体振动响应和辐射声功率的解析表达式,分析设备激励源数、激励形式及其组合方式等对壳体振动响应和辐射声功率的影响规律。研究表明:多设备振动激励作用下,施加的多点激励力间距越大,壳体结构振速响应和辐射声功率越低;沿周向施加线激励力,不易激起壳体振动与声辐射,而沿轴向施加的激励力越集中,所激起壳体的振动与声辐射越强;在激励力合力相同的条件下,增加激励力接触面积可有效隔声。研究结果可为水下航行体的振动噪声控制提供理论依据。     

基于声辐射模态的双层板声传输有源控制数值仿真和分析研究

针对双层板结构声有源控制(ASAC)的应用实施过程中全局控制目标函数和误差信号的获取问题,提出了基于辐射模态和结构误差传感的声传输有源控制的思想和策略,建立了双层板腔结构声传输系统及辐射模态控制分析模型.在此基础上对双层板腔声传输有源控制进行了数值仿真和分析研究,重点探讨了控制方法策略及系统参数对有源控制效果的影响及其对应的控制机理.结果表明:在低频范围内,仅需控制前四阶辐射模态声功率,便能和总的辐射声功率最小控制效果基本一样;在低频段声腔(0,0,0)模态在系统耦合响应中起主导作用,因此相比入射板和辐射板作动器控制,利用腔中次级声源作动的控制策略是一种更好的控制策略.     

有源结构在次级力源作用下的模态抑制与重构

基于结构声学理论，以简支矩形板为例建立了弹性结构声辐射有源控制模型，在次能力源分别为点源和分布力源作用下，由计算机模拟结果表明，振动结构声辐射强烈的奇－奇模态能得到有效抑制，并证实了有源结构模态抑制与重构机理的存在，次级力源的作用位置对声辐射的抑制具有重要意义。     

水中板声辐射的声功率模态分析

由于水中结构的振动声辐射要考虑流体加载效应,因此水中结构声辐射的模态分析也与空气中的有所不同。基于辐射声功率的二次型表达式,采用有限元和Rayleigh积分耦合方法,对板结构的水下声功率模态进行了计算分析研究,通过辐射效率、模态振型和辐射声功率等探讨了其特点。结果表明以激励力为变量、考虑了结构阻抗的水下声功率模态具有各阶模态声辐射独立、低频时前几阶模态(特别是第1阶模态)的声辐射占主导地位、模态辐射效率峰值和模态振型物理意义清楚等特点,在水下结构振动声辐射的分析和控制方面有一定实用价值。     

激励力作用位置对圆柱壳辐射声功率影响研究

潜艇上的机械设备不平衡运转会产生激励力,不平衡运转设备引起的艇体噪声是辐射噪声的主要成分。因此研究激励力的位置与声功率的关系是非常具有意义。文章建立了环肋圆柱壳结构声振动分析模型,基于力辐射模态从激励力作用位置变化方面对环肋圆柱壳进行数值计算和分析,研究激励力作用在不同位置处时,辐射声功率的变化规律。为了给出激励力作用位置与壳体辐射声功率的关系,运用力辐射模态概念,依据力辐射模态形态特征,分析判断激励力作用位置对辐射声功率的影响,为有效地减少圆柱壳辐射声功率提供了更为方便的技术手段。     

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.     

阻尼层对水下圆柱壳辐射声场的去耦特性影响

基于模态叠加法,采用Navier方程描述阻尼层,建立敷设粘弹性阻尼层的水下圆柱壳振动声辐射模型。与数值计算结果比对,验证了计算模型的可靠性。分析圆柱壳的径向均方振速和辐射声功率,研究了粘弹性阻尼层对水下圆柱壳辐射声场的去耦特性影响。结果表明,粘弹性阻尼层的径向均方振速频响曲线可以分作三个频段,当频率较高时,粘弹性阻尼层能降低辐射声功率;与壳体厚度相比,阻尼层厚度对阻尼层去耦特性的影响更大。     

冰区环境下圆柱壳声振特性的数值分析

建立了圆柱壳-水-冰的声固耦合系统的数值模型。采用有限元法和边界元法分别建立了圆柱壳结构模型、流体声学模型、冰介质弹性体模型,并进行了振动和水下声辐射计算,将无冰情况下的圆柱壳水下声辐射数值计算结果与模型试验进行对比,验证了数值算法的有效性;在此基础上分析了潜深状态和冰层参数对圆柱壳声振特性的影响规律。结果表明:圆柱壳全浸状态下,冰层对结构的振动影响很小,对声辐射影响较大;圆柱壳与冰层接触时,冰层参数和潜浮状态对振动和声辐射特性影响很大;低频段时声指向性变化不明显,随着频率的增加在高频段时声指向性变得更为复杂;为研究极地冰区环境下的潜艇声振特性提供了一种途径。     

简支矩形板声辐射的有源控制

文章以简支平板为例 ,通过声辐射模态研究结构声辐射的有源控制。首先分析了声辐射模态的数学和物理意义。由于在中、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 ,文中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。文中以压电陶瓷作动器作为控制力源进行了数值计算研究。并与传统的控制策略———声功率最小化策略进行了比较。     

软质面层抑制高阶模态降低地板结构撞击声研究

为了研究并降低地板结构受到激励时产生的撞击声响应,利用振动模态叠加思想,将地板结构受到激励时空间中一点接收到的声信号表示为各阶振动模态的叠加,若某一阶振动模态受到抑制或不被激发则可降低、消除对应频率处的辐射噪声。通过在结构表面铺设软质面层并用标准撞击器激励的方法进行实验研究,结果表明,通过在地板结构表面引入软质面层的方法,可以有效降低地板结构的规范化撞击声压级,因为随着频率的增加,当激励力不足以激发高阶模态时,地板结构不辐射对应频率处的噪声,由此可以达到降噪的目的。     

基于Galerkin法的旋转薄壁圆柱壳非线性行波振动的数值分析

应用Donnell's简化壳理论,在考虑阻尼和几何非线性的情况下,基于Galerkin方法,对旋转的薄壁悬臂圆柱壳在法向激振力作用下的非线性行波振动进行了数值分析.在研究过程中,首先,考虑阻尼并引入几何非线性项,建立薄壁圆柱壳的非线性波动方程,然后,采用Galerkin方法对波动方程进行转换,选取不同的模态组合,得到相应模态坐标下的非线性微分方程,最后用Runge-Kutta法进行数值计算并对圆柱壳的非线性波动振动特性进行了分析.结果表明,几何非线性使圆柱壳呈现明显的硬特性,其硬特性随激振力幅值的增大而得到加强,共振区存在多值性,多模态分析表明,轴向二阶模态对主模态影响较大,计算时宜采用两个轴向模态.     

弹性结构封闭空间有源消声理论研究

本文从理论上研究了外力激励弹性结构条件下封闭空间有源消声问题。首先根据声弹性理论,提出分步代入法求解初、次级声场,然后以封闭矩形和圆柱空间为例,研究了不同介质条件下有源消声规律。结果表明:对于弹性结构封闭空间有源消声,当结构-声腔耦合较弱时,次级声源基本上只能抵消声腔模态;当结构-声腔耦合较强时,次级声源不仅能抵消声腔模态,而且对抵消与声腔模态耦合良好的结构模态辐射声也有作用。     

复杂声边界约束下水中圆柱壳声振特性研究

解析地研究了复杂声边界约束下水中无限长圆柱壳的振动和声辐射问题。该圆柱壳受到轴向均匀线激励力作用,并处于自由液面(或水平水底)和垂直刚性壁面组成的复杂声边界构成的四分之一无限流域中。根据镜像原理和Graf加法定理推导了无限长圆柱壳声振耦合方程,讨论了复杂声边界对圆柱壳振动和声辐射的影响。研究发现两种声边界对圆柱壳振动特性和表面辐射声功率有不同的影响。当圆柱壳离边界足够远时其振动特性和表面辐射声功率几乎不受影响,而其辐射声场仍会受到圆柱壳位置变化的影响,尤其当圆柱壳靠近流域边界时会产生显著的辐射噪声,不利于隐蔽。