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基于模态分析方法的有源声学结构研究

作　者: 李双
导　师: 陈克安
学　校: 西北工业大学
专　业: 水声工程
关键词: 有源噪声控制有源声学结构结构声辐射振动模态声辐射模态
分类号: TB535
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

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中的具体应用。本论文采用模态分析方法，将传统的结构振动模态理论和新兴的声辐射模态理论结合起来，对有源声学结构的关键问题进行深入的理论和实验研究。论文完成如下工作：(1)系统地总结了结构声辐射有源控制的各种方法及特点，对有源声学结构组成及特点做了分析说明，在总结国内外研究成果的基础上，阐述了有源声学结构的研究发展历程及研究现状，指出了尚需解决的关键问题。(2)分别采用振动模态和声辐射模态方法对结构声辐射进行分析，给出了结构表面法向速度、声场声压分布以及声功率近场计算的求解方法；将振动模态和声辐射模态联合起来对结构声辐射进行分析，解决了两个问题：1)确定了结构在不同的激励频率(或振动模态)下的主导声辐射模态；2)确定了结构各个振动模态间的耦合对辐射声功率的影响。(3)建立了声-振耦合下的有源声学结构理论模型，基于“角落单极子”模型对有源声学结构的降噪机理进行了解释并给出了次级声源的布放准则；基于声辐射模态理论，结合振动模态对次级声源的布放规律进行了定量研究，得出了次级源在各种情况下的最优布放位置以及次级声源的面积、模态分布等因素对控制效果的具体影响。通过增加次级声源个数拓宽对大面积平板声辐射的降噪频带，并从振动模态角度对次级声源的布放方案进行了研究。(4)研究了适用于有源声学结构的两种近场误差传感策略：基于振速的分布式误差传感和基于离散点近场声压的误差传感，对两种传感策略的原理及实现分别进行了深入分析。提出分频段设计法解决了声辐射模态传感器设计中PVDF对形状系数的最高阶次和振动模态的最高阶次选取之间的矛盾，给出了PVDF对的中心线选取原则，在此基础上对PVDF传感器进行了优化设计。分别研究了基于结构表面声压传感和基于测量面声压传感的有源控制，针对单频和宽带辐射噪声构建不同的有源控制目标函数，给出了相应的计算有源控制效果的公式，结合实例仿真结果进行了分析说明。对比了两种传感方式下的有源控制效果，从理论与工程实现两方面讨论了两种误差传感策略的优劣及应用中需要注意的问题。(5)从不同的角度对有源声学结构的降噪机理进行深入研究。首先从声辐射模态的角度进行分析，并得出了次级声源个数与所能抵消的辐射模态之间的定量关系；然后根据初级结构和次级结构各自的“净”辐射声功率的变化，得出了初、次级结构的能量转化机制，利用结构表面声强的变化对此进行了验证；最后对控制前后声场中的声强和声压分布变化进行了计算分析，揭示了次级板的面积、布放位置及个数对降噪效果的影响。(6)采用分布式平面声源作为次级声源，对振动钢板的声辐射进行了抵消实验，验证了以往研究中的一系列关键理论结果。主要内容包括：1)次级声源的布放准则验证；2)平面声源的面积和布放位置对降噪效果的影响；3)基于近场声压的误差传感策略有效性验证，将近场测量面声功率作为有源控制目标函数的有效性验证；4)控制前后声场中声压和声强的变化规律。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-16
第一章绪论  16-24
  §1.1 引言  16-17
  §1.2 结构声辐射有源控制  17-18
  §1.3 有源声学结构的组成和特点  18-21
  §1.4 有源声学结构研究的发展及现状  21-23
  §1.5 论文的主要研究内容  23-24
第二章基于模态理论的结构声辐射分析  24-50
  §2.1 基于振动模态的结构声辐射分析  25-30
    §2.1.1 结构表面法向振速及辐射声场计算  25-29
    §2.1.2 计算声功率的近场方法  29-30
  §2.2 基于声辐射模态的结构声辐射分析  30-35
    §2.2.1 声辐射模态理论  30-32
    §2.2.2 声辐射模态的性质  32-35
  §2.3 结合两种模态进行结构声辐射分析  35-48
    §2.3.1 主导声辐射模态的确定  35-40
    §2.3.2 振动模态耦合对结构辐射声功率的影响  40-48
  §2.4 本文研究方法的适用范围  48
  §2.5 本章小结  48-50
第三章有源声学结构模型及次级声源的布放规律  50-80
  §3.1 平面声源及有源声学结构  50-56
    §3.1.1 平面声源  50-51
    §3.1.2 有源声学结构理论模型  51-56
  §3.2 次级声源的布放准则  56-59
    §3.2.1 基于角落单极子模型的定性分析  56-57
    §3.2.2 计算机仿真  57-59
  §3.3 次级声源的最优布放规律  59-70
    §3.3.1 结构的辐射模态幅度计算  59-63
    §3.3.2 次级声源布放对控制效果影响  63-68
    §3.3.3 次级板面积和模态分布对控制效果影响  68-70
  §3.4 大面积平板声辐射的控制  70-77
    §3.4.1 平板尺寸与有效降噪频带之间的关系  70-71
    §3.4.2 多个次级板的布放  71-77
  §3.5 本章小结  77-80
第四章近场误差传感策略及其实现方法  80-102
  §4.1 引言  80-81
  §4.2 分布式位移传感下的误差传感策略  81-87
    §4.2.1 基于PVDF传感的平板辐射声功率检测  81-83
    §4.2.2 分布式位移传感下的结构声辐射有源控制  83-84
    §4.2.3 仿真结果与分析  84-87
  §4.3 声辐射模态传感器的优化设计  87-92
    §4.3.1 计算公式的改进  88
    §4.3.2 分频段设计法  88-91
    §4.3.3 中心线取值及优化设计  91-92
  §4.4 基于近场离散点声压的误差传感  92-99
    §4.4.1 基于结构表面声压的有源控制  92-95
    §4.4.2 基于测量面声压的有源控制  95-99
  §4.5 离散点声压传感与分布式位移传感的比较  99-101
  §4.6 本章小结  101-102
第五章有源声学结构降噪的物理机制  102-122
  §5.1 基于声辐射模态的控制机理分析  102-108
  §5.2 结构辐射声能量的变化  108-112
  §5.3 声场中的声强矢量分布  112-116
  §5.4 声场中的声压分布  116-120
  §5.5 本章小结  120-122
第六章实验研究  122-139
  §6.1 实验内容及目的  122
  §6.2 实验系统  122-126
  §6.3 初级结构模态试验及次级声源性能分析  126-127
  §6.4 次级声源布放准则验证  127-129
  §6.5 平面声源的面积及布放位置对控制效果的影响  129-132
  §6.6 控制前后声场中声压和声强的变化  132-136
  §6.7 基于近场声压误差传感的有源控制  136-138
  §6.8 本章小结  138-139
第七章全文总结  139-142
  §7.1 论文主要工作总结  139-140
  §7.2 论文主要贡献  140-141
  §7.3 进一步的研究工作  141-142
参考文献  142-150
附录Ⅰ 攻读博士学位期间发表的学术论文  150-152
附录Ⅱ 攻读博士学位期间从事的科研活动  152-153
致谢  153-154

基于模态分析方法的有源声学结构研究

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