局域共振型平板结构的低频振动与声辐射特性分析#br#

抑制低频振动与辐射噪声对提高水下航行器的声隐身性能具有重要意义。首先建立含局域共振元胞的平板结构横向振动模型,采用模态叠加法和谐波平衡法导出耦合振动方程的解析解,其次给出5 Hz～300 Hz范围内平板表面平均振速级与辐射声功率级解析表达式,研究元胞中吸振器参数对平板声振特性的影响,最终对目标频段平板结构的振动控制效果进行优化设计。研究表明：研究的频率范围内,局域共振型平板结构在吸振器固有频率附近会产生能够抑制其低频振动与噪声的频带;随吸振器阻尼的增大,减振频带拓宽且减振降噪性能减弱;多振子元胞具有多个减振频带,频带的叠加使得其低频减振降噪性能优于单振子元胞;经粒子群算法优化后在目标频段单振子、双振子、四振子元胞的减振降噪效率分别可达到26.3 %、29.8 %、29.1 %。研究结果可为水下航行器低频振动以及噪声的控制提供参考。     

考虑声振耦合的平板结构声振特性优化研究

研究多个动力吸振器优化结构的声振特性。根据Hamilton变分原理建立多个动力吸振器—平板—介质系统的声振耦合动力学方程,给出简支边界条件下耦合方程的解;以吸振器的质量、刚度、阻尼和位置为设计变量,以平板结构表面平均振速级和辐射声功率级为优化目标,采用遗传算法进行优化研究。研究表明:在一定频段内,单个动力吸振器能够降低优化目标10 d B左右,采用多个动力吸振器能够控制结构较宽频带的噪声;对于水下结构,可采用两个动力吸振器进行优化,但不能将空气中吸振器的优化结果直接用于水下结构。研究结果可为动力吸振器的减振降噪设计提供理论依据。     

基于COMSOL局域共振声子晶体薄板振动带隙研究

针对低频振动控制问题,研究一种局域共振声子晶体薄板的振动带隙。首先,基于弹性波方程及Bloch定理,探讨应用COMSOL有限元模拟方法开展声子晶体振动带隙计算的可靠性;然后,模拟计算所设计的局域共振声子晶体薄板的振动带隙,分析其带隙结构和元胞结构参数对振动带隙的影响,并以200 Hz～400 Hz的中低频为目标频段,通过选择带隙宽度在目标频段内占比最大的参数组合作为声子晶体薄板的最优设计方案;最后,在频域上考察声子晶体薄板内波的传输特性。研究表明,利用COMSOL有限元模拟方法开展声子晶体振动带隙计算是可靠的,与数值计算方法相比,其计算的带隙参数误差都很小;对于所设计的局域共振声子晶体薄板,元胞的结构参数对振动带隙具有显著影响,通过优选元胞结构参数,可使声子晶体薄板的振动带隙向低频区域移动;薄板内波的传输特性和薄板的振动位移图进一步证实了在振动带隙内薄板对波传播的阻碍作用。     

局域共振型周期管路系统振动特性研究

管路系统广泛应用于船舶动力设备、空调通风管道等系统中,是振动传递的一个重要途径,控制管路的振动可有效抑制其对振动噪声的传递。声子晶体周期管路结构设计技术能有效减低管路系统的低频振动噪声。以一种局域共振型周期管路为研究对象,建立周期管路系统的仿真模型,分析局域振子宽度、外径和材料密度等参数对周期管路减振效果的影响规律,并通过试验进行验证。结果表明：局域振子的宽度和材料密度对管路系统减振效果影响明显,最高可降低7.8 dB;局域振子的外径对管路系统的振级落差影响较小。基于局域共振设计周期管路系统可为管路系统的减振设计提供新的思路。     

局域共振子对手性覆盖层振动和声辐射抑制的影响

为增强某些频率区域内覆盖层对加筋板的声辐射抑制作用,在手性结构覆盖层的圆环内填充软橡胶层包覆的金属核心局域共振子。本文基于有限元方法及Rayleigh积分公式,建立了敷设手性覆盖层加筋板简化梁模型,分析了手性覆盖层的振动抑制特性及局域共振子对手性覆盖层振动的影响。结果表明:手性结构的变形模式和局域共振子与手性结构之间的耦合作用对覆盖层的禁带频率带宽和振动衰减起到关键的作用;手性结构覆盖层对加筋板声辐射抑制作用主要来自于覆盖层的振动衰减能力,声辐射效率的变化对声辐射的影响较小。     

一种新型复合局域共振型声子晶体带隙特性

设计了一种新型复合局域共振型声子晶体,通过建立弹簧-质量块等效模型用于计算带隙的上下边界频率,同时结合有限元方法分析了该结构共振带隙的产生机理,根据带隙起止点频率处的位移模态研究了声子晶体的带隙特性。研究结果表明,该声子晶体结构在频率2 200 Hz附近产生三条完整带隙,其中一条是带宽达406.17 Hz的宽带隙。对于有限周期结构的声子晶体进行了传输特性仿真和隔声实验测试,在相同的频段内弹性波传播受到了阻碍。最后,对影响声子晶体带隙打开的几种因素进行分析,讨论了带隙上下边界调控机制。研究结果为声子晶体获得较宽的低频带隙提供了一种新的设计思路和方法。     

周期局域共振蜂窝板的弯曲振动特性研究

基于声子晶体局域共振原理,设计了周期附加局域振子的蜂窝夹层板结构,利用双协调自由界面模态综合法,计算了周期局域共振蜂窝夹层板弯曲振动的频响特性,并给出了蜂窝夹层板的振型图。分析了局域振子刚度、质量等参数对振动带隙的影响特性,得出了带隙变化的定性规律。研究表明在振动带隙频率范围内,弯曲振动在此蜂窝夹层板能得到有效的抑制,该研究有望为复杂板壳振动控制提供一条新的技术途径。     

Duffing振子激励下平板声振特性研究

针对非线性振动激励下结构声辐射问题,由变分原理导出Duffing振子激励下平板声振耦合动力学方程,由模态展开法及增量谐波平衡法导出轻流体中耦合动力学方程的近似解析解,给出多频激励下平板表面平均振速及辐射声功率表达式,研究激励力频率、非线性项对系统振动及声辐射特性影响。结果表明,Duffing振子激励下平板的声振耦合问题为含离散与连续系统的复杂动力学问题;耦合运动下Duffing振子出现二次跳跃现象与新的共振特性;平板声振特性主要由三次谐波决定。研究结果可为隔振结构的声振设计提供理论依据。     

局域共振型空腔覆盖层的低频吸声机理及调控规律研究

声学覆盖层的低频吸声特性对潜艇声隐身性能具有重要影响.综合考虑空腔型覆盖层结构和局域共振型薄膜材料的低频吸声性能,建立局域共振型空腔覆盖层的有限元模型,研究复合结构在10 Hz～2000 Hz频段内的吸声特性,并采用局域共振理论和模态分析揭示复合结构的吸声机理,进一步得到复合结构低频吸声性能的调控规律.研究结果表明:(...     

幂指数棱台局域共振型声子晶体板的带隙特性与减振机理研究EI北大核心CSCD

针对船体板结构的振动控制,提出了一种新型幂指数棱台局域共振型声子晶体构型。研究表明,该声子晶体兼具局域共振低频带隙和声学黑洞高频带隙,对高频激励和低频激励均有较好的减振效果。声子晶体其低频带隙因共振单元的局域共振效应产生,带隙频段为78~115 Hz。在声子晶体能带结构的高频段中发现了隐藏于平直带的U型频散曲线,且频散曲线间的频段可有效抑制板的垂向振动,即产生垂向高频振动带隙。高频带隙产生的机理是幂指数棱台斜面的能量聚集效应形成的局域共振。随着散射体高度增大,低频带隙的中心频率降低,且带宽增大。棱台的幂次升高会使高频带隙的起始频率与终止频率降低,而边缘厚度的增高会使高频带隙的带宽逐渐变窄。新型声子晶体相较传统声学黑洞构型可有效提高船体板结构强度,从而可实际应用于船舶结构工程领域。研究成果可为舰艇结构振动控制提供支撑。     

中空挤压铝型材振动声辐射特性

随着高速列车车体结构轻量化的发展,中空挤压铝型材结构的车体在高速列车上得到广泛应用,而车体的振动声辐射是高速列车车内噪声的主要来源之一。基于FE-SEA混合法和统计能量分析（SEA）分别建立了高速列车车体铝型材振动声辐射的中频和高频预测模型,计算了在粉红噪声谱激励下和实测轮轨激励下铝型材辐射至半空间的声功率,探索了铝型材几何特征因素和不同速度实测轮轨激励对振动声辐射特性的影响。计算结果表明,在粉红噪声谱激励下,下板对铝型材振动声辐射影响最大,与参考铝型材相比相差大于1 dB。铝型材在实测轮轨激励下,辐射声功率的主要贡献频段为400 Hz～1 600 Hz,速度增大加剧了铝型材在400 Hz以上中高频频段的振动声辐射。相关计算结果将为高速列车车体铝型材的设计提供理论参考。     

双局域共振机制声子晶体带隙特性研究

提出了一种双局域共振机制,结合有限元法对该机制声子晶体结构的带隙生成机理和带隙的影响因素进行了深入分析研究。2个刚性质量体互为刚性边界和振子,由此产生了2个可以互相转化的局域共振单元。双局域共振结构的带隙位置由2个等效单自由度系统的固有频率共同决定,带隙的宽度与2个质量体密度、内振子半径、弹性介质的弹性模量密切相关。研究发现,2个质量体密度差别越大、弹性介质弹性模量越高,带隙的宽度就越大。该机制在一定程度上削弱了基体与振子的紧密耦合关系,该结构具有较大的带隙变化范围,极大地增大了带隙的宽度,为宽频声子晶体结构的研究提供了新的思路。     

内嵌局域共振型散射体结构的低频吸声性能研究

建立了内嵌周期性局域共振型散射体的水下吸声结构模型,验证了轴对称结构分析有限元方法的正确性。讨论了截面形状、芯体材料以及包覆层厚度等参数对吸声性能的影响规律,结合吸声峰处的位移云图及能量耗散密度云图分析了参数的影响机理。仿真试验结果表明,吸声峰由散射体共振引起,且第一、第二吸声峰均与芯体和包覆层的共振密切相关。采用遗传优化算法对变截面柱型局域共振散射体吸声结构在研究频段内的吸声性能进行了优化。优化结果表明,变截面散射体在吸声峰处发生共振的同时能激发更多基体位移,促进纵波模式向横波模式转化,有助于能量耗散并提高吸声系数,为低频宽带吸声结构设计提供了新的思路。     

局域共振型腔体结构吸声瓦的斜入射吸声特性研究

吸声瓦的吸声特性对于水下航行器的声隐身性能具有重要影响.综合考虑空腔覆盖层的结构和局域共振型薄膜材料的低频吸声性能,利用COMSOL软件建立了局域共振型腔体结构的吸声瓦的有限元模型,研究了其在10～2 000 Hz内对斜入射声波的吸声性能,采用振动位移云图揭示其吸声机理,通过位移矢量图和动能密度分布图分析入射角度影响吸...     

心材密度及弹性模量对二维局域共振型声子晶体声波禁带的影响

局域共振型声子晶体由包覆软橡胶后的钢柱周期排列在树脂中形成.本文采用平面波展开法分别计算了该声子晶体在正方形和三角形点阵下的能带结构,分析了各点阵下心材密度和弹性模量对各模态(包括Z模态和XY模态)最低完全禁带的影响.结果发现,在心材弹性模量接近橡胶弹性模量而改变时,禁带上边界变化较大.但总的来说,当心材的密度(弹性模量)增大时,各模态上下边界频率降低(升高).同时三角形排列下禁带宽度大于正方形排列.     

考虑重流体耦合效应的双层板-腔结构振动与声辐射分析

考虑半空间声场内重流体的声振耦合效应,对有限大双层板-腔结构的振动与声辐射特性进行研究。采用改进傅里叶级数描述薄板位移和腔内声压,通过Rayleigh积分建立辐射板表面辐射声压和辐射板位移的关系,基于Hamilton原理,提出采用Rayleigh-Ritz法分析耦合系统声振特性的半解析方法,并通过和有限元结果对比验证方法的收敛性和准确性。分析单位简谐力激励下,声腔厚度和腔内流体介质对双层板-腔结构声辐射特性的影响。结果表明：重流体的耦合效应使薄板（奇,奇）模态振型显著变化,声腔较薄时声辐射对声腔厚度变化较敏感。相较于腔内流体声速,腔内流体密度对声辐射有较大影响。     

敷设阻尼加筋外地板结构振动声辐射特性研究

结合声学分析软件建立高速列车加筋外地板结构有限元模型,研究阻尼材料对加筋外地板声辐射特性的影响,并探究面板厚度、结构阻尼系数和阻尼材料对外地板隔声量的影响。研究结果表明:敷设阻尼层能够有效抑制外地板的声辐射,但不是越厚越好;增加面板厚度及结构阻尼系数能够提高外地板的隔声量;阻尼层厚度存在临界值,此时外地板隔声量最大。加筋外地板敷设树脂类阻尼且增大结构阻尼系数,声学性能较理想。     

共振速度下轨道交通槽形梁结构瞬态噪声分析

为了进一步研究不同列车速度下的桥梁结构噪声问题,基于有限元-瞬态边界元理论,针对轨道交通30 m简支槽形梁,分析在共振、消振速度下桥梁的振动响应及结构声辐射特性。首先,建立槽形梁振动辐射瞬态噪声的有限元/边界元模型;然后,对简支梁在移动列车荷载下诱发的振动进行分析,得到列车荷载通过桥梁时的共振和消振速度;最终,结合声辐射理论,采用瞬态边界元法研究分析不同列车速度引起的桥梁瞬态噪声声场特性。研究结果表明:列车速度的变化引起桥梁结构的位移幅值出现波动性变化;桥梁结构的振动加速度幅值随着速度的增大而不断增大;桥梁结构辐射噪声的变化趋势与结构的振动加速度变化趋势有一定的相关性;当列车以共振速度通过简支桥梁时,结构动力响应值及辐射噪声值有放大趋势,在附近出现峰值;列车共振速度对桥梁结构的远声场瞬态噪声影响效果较为显著;应有针对性地控制列车速度以改善桥梁结构噪声。     

水下航行体垂向弯曲振动声辐射特性

垂向弯曲振动是水下航行体总振动的常见模式,控制弯曲振动是水下航行体设计中重要的一环。考虑声-结构耦合,基于FEM/BEM理论建立航行体弯曲振动声辐射分析的基本方程,计算水下航行体垂向弯曲振动固有频率和振动响应,研究弯曲振动引起的辐射声场特性;并以振动评价基准中的速度限制线作为激励,讨论航行体弯曲振动声辐射。结果表明：航行体垂向弯曲振动会产生较大的辐射噪声,1阶和2阶振动对总振动引起的辐射噪声贡献较大;欲降低低频线谱,须降低振动响应幅值;在结构振动控制设计中,不仅要从结构振动烈度的角度控制弯曲振动响应幅值,还应考虑结构声学性能,从控制弯曲振动引起的声辐射角度出发,补充提出设计指标。