箱形梁结构噪声的理论研究

论文摘要

城市轨道交通的飞速发展给沿线居民的生活带来了不可避免的环境振动和噪声污染问题,并且严重影响了沿线高科技生产企业、医院和科研机构等单位中高精密仪器的日常使用。为此控制城市轨道交通振动和噪声对环境的污染,已经成为环境保护领域亟待研究和解决的重要问题。我国城市高架轨道主要采用混凝土箱形梁,其辐射的“二次噪声”以低频噪声为主。低频噪声衰减慢,穿透力强,研究表明低频噪声对人体不仅造成功能性损害,还可引起器质性及精神性损害。因此,降低由其振动引发的低频噪声具有很大的现实意义。箱形梁振动引起的声辐射问题本质上是结构流固耦合声辐射问题,一直是结构声学和控制领域的前沿问题,也是各国学者公认的难点问题。前人的工作大多集中在圆柱壳的研究上。对于箱形梁结构,由于其周向变曲率,使其运动方程采用解析法或半解析法求解具有相当难度,因而用解析法或半解析法分析箱形梁的声辐射问题目前很少有文献报道。本文主要做了如下工作:1、箱形梁声辐射问题各种解析求解思路的探讨。首先研究了空气中无限长混凝土圆柱壳的声辐射问题,并分析了圆柱壳各种参数变化对辐射声压级的影响规律,如外激励幅值、观察点、壳体半径、壳体材质、流体属性、结构阻尼等参数。进而基于圆柱壳流固耦合理论,从共形映射理论、薄板理论和薄壳理论三个切入点入手分别对箱形梁结构噪声展开了理论分析,由于箱形梁的周向变曲率,很难得到箱形梁声辐射问题的解析结论。2、箱形梁声辐射问题的半解析方法的分析。本文基于齐次扩容精细积分法和求解二维Helmholtz外问题的复数矢径虚拟边界谱方法,通过Fourier积分变换和平稳相位法来研究箱形梁声辐射问题,提出了一种具有较高效率和精度的求解空气中无限长混凝土箱形梁声辐射问题的半解析方法,得到了箱形梁声辐射问题的半解析解。箱形梁声辐射问题的求解,关键是对箱形梁的结构动力方程、流场Helmholtz方程、Sommerfield辐射条件以及空气和箱形梁交界面上的协调条件所组合成的流固耦合方程的求解,从而求得箱形梁的辐射声压。本文立足于箱形梁结构噪声的理论研究,找出与结构噪声相关的影响因素,并采取有效的措施从根本上降低这部分噪声。箱形梁声辐射问题理论研究的开展为进一步了解城市高架轨道箱形梁的声辐射特性,对建成线路的噪声控制及对待建线路噪声的前期预测和箱形梁截面的优化设计都具有十分重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究背景及意义
• 1.3 流固耦合问题概述
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 轨道交通结构噪声的研究现状
• 1.4.2 流固耦合问题的研究现状
• 1.5 流固耦合问题的研究方法
• 1.5.1 波数域法/边界积分方程组合法（Combination of WDA&BIE）
• 1.5.2 模态分析法（Modal Analysis Method）
• 1.5.3 有限元法（Finite Element Method）
• 1.5.4 统计能量法（Statistical Energy Analysis）
• 1.5.5 传递矩阵法（Transfer Matrix Method）
• 1.5.6 边界元法（Boundary Element Method）
• 1.5.7 源强模拟技术（Source Simulation Technique）
• 1.6 本文所做的工作
• 第2章 箱形梁声辐射问题解析求解思路的探讨
• 2.1 引言
• 2.2 圆柱壳声辐射问题的解析求解
• 2.2.1 计算模型和基本假设
• 2.2.2 流固耦合方程的建立与求解
• 2.2.3 远场辐射声压的计算
• 2.2.4 数值算例与讨论
• 2.3 箱形梁声辐射问题解析求解思路的分析
• 2.3.1 共形映射法
• 2.3.1.1 圆与正方形之间的共形映射
• 2.3.1.2 圆与正方形之间的拓扑射线法映射
• 2.3.2 薄板理论法
• 2.3.3 薄壳理论法
• 2.4 本章小结
• 第3章 求解箱形梁声辐射问题的半解析方法
• 3.1 引言
• 3.2 齐次扩容精细积分法
• 3.3 箱形梁耦合方程的建立与求解
• 3.3.1 箱形梁声辐射问题的基本假设
• 3.3.2 箱形梁状态微分方程组
• 3.3.3 集中点力和外流场对箱形梁的压力
• 3.3.3.1 集中点力
• 3.3.3.2 外流场对箱形梁的压力
• 3.3.4 耦合方程的求解方法
• 3.4 远场辐射声压的计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢