板结构振动声辐射的声功率模态分析研究

论文摘要

在船舶与海洋工程领域,结构的振动与声辐射是一项长期而又复杂的课题。振动与噪声对船舶的稳定性、安全性、舒适性以及舰船的战斗性能影响巨大。因此在船舶设计的早期阶段就必须考虑到如何有效的控制结构的振动与噪声。但是由于噪声构成比较复杂,若能对结构噪声实施有效的主动控制,则有必要掌握结构噪声的机理特点。对结构进行声功率模态分析,能准确的计算出辐射噪声,并且能获知噪声随着外在激励变化的规律。对快速、有效的预报结构的振动与噪声具有重大意义。本文采用数值的方法分别在空气中和水中对板结构进行声功率模态分析,完成的主要工作如下：基于弹性力学有限元法的相关理论,结合Mindlin板弯曲理论建立有限元模型并进行了相关分析。以矩形钢板为例,计算了其在真空中的固有频率及振型,并与解析解相比较,验证其精度。介绍了利用边界元法计算结构振动声辐射,首先基于声学的边界积分方程,求出结构任意点的辐射声功率和辐射效率的表达式,并且利用有限元耦合边界元的方法建立流固耦合运动方程。以矩形钢板为例计算结构在水下的固有频率、振型和辐射声功率,并与真空中的结果作了比较。采用声功率模态对结构声辐射的分析和控制进行了研究。基于声功率的二次型表达式和Rayleigh积分建立了辐射声功率与激励力之间的关系,在此基础上得出以力为变量的声功率表达式。文中以板结构声辐射为例对声功率模态的振型、声功率模态下的声功率计算和模态截断进行了计算分析并对结构声辐射的声功率模态控制进行了讨论。系统阐述了声功率模态的特点。采用有限元法和Rayleigh积分耦合方法对板结构的水下声功率模态进行了分析研究。由于结构在水中要考虑流体加载,因此模态与空气中相比发生了变化。建立了三种模态的声功率表达式。对板结构在水下的辐射声功率、辐射效率进行了计算,并和空气中的结果进行对比。对比结果表明：振动模态在低频时存在较强的耦合；空气中与水中各模态辐射效率在高频时趋于一致：水中声辐射模态与空气中仅仅在声速和密度有差别,因此计算起来较为方便,精度也较高；水下声功率模态由于考虑了结构阻抗,其辐射效率在固有频率处有峰值,且声功率模态以激励力为变量,从控制方面考虑更为合理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 立题依据及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 结构声的主动控制分析研究进展
• 1.3 论文研究工作
• 2 有限元理论与振动分析
• 2.1 引言
• 2.2 弹性力学基本理论
• 2.2.1 弹性力学的基本方程
• 2.3 基于Mindlin板理论构造板单元
• 2.3.1 单元的应变位移关系
• 2.3.2 单元的位移函数和应变阵
• 2.3.3 单元的应力应变关系
• 2.3.4 求解单元质量阵和刚度阵
• 2.4 数值算例
• 2.5 小结
• 3 边界元及流固耦合理论
• 3.1 引言
• 3.2 声学边界积分方程
• 3.3 三维边界元积分方程的离散
• 3.4 流固耦合运动方程
• 3.5 数值算例
• 3.6 小结
• 4 基于模态力的声功率模态分析研究
• 4.1 引言
• 4.2 理论
• 4.2.1 结构声辐射
• 4.2.2 声功率模态表达式
• 4.2.3 振动模态和声辐射模态表达式
• 4.3 数值算例
• 4.3.1 声功率模态与振动模态比较
• 4.3.2 声功率模态与声辐射模态比较
• 4.4 小结
• 5 水下板结构的声功率模态分析
• 5.1 引言
• 5.2 理论
• 5.2.1 结构与声辐射
• 5.2.2 振动模态
• 5.2.3 声辐射模态
• 5.2.4 声功率模态
• 5.3 数值算例和分析
• 5.3.1 振动模态
• 5.3.2 声辐射模态
• 5.3.3 声功率模态
• 5.4 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢