弹性圆柱壳结构振动与声辐射有源控制研究

论文摘要

有源噪声控制是现代振动噪声控制领域的研究热点,特别是对常见结构的振动声辐射有源控制研究更具有实际应用价值。本文以两端简支的圆柱壳为研究对象,进行了结构声辐射有源控制研究。本文首先基于Donnell-Mushtari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,推导出圆柱壳结构表面均方振速和结构动能的表达式。研究了在空气中,两端面均简支于无限长刚性圆柱形障板上的有限长圆柱壳在径向点力激励下的声辐射响应特性。采用Helmholtz积分法和对应的Green函数,将声压作为壳体载荷。并采用Fourier变换和稳相法,得出了圆柱壳远场辐射声压的解析表达式,并由此得出了辐射声功率和辐射效率。在此基础上,建立了圆柱壳振动与声辐射有源控制理论模型。分别以结构动能最小和辐射声功率最小两种不同的控制策略,建立圆柱壳结构有源控制的模型。根据二次最优控制理论推导了两种控制策略下最优控制力的表达式。并以这两种控制策略进行了全局和局部的有源控制仿真分析。最后,设计并搭建了两端简支圆柱壳实验模型。采用模态分析方法测试了实验模型的振动特性,实验结果与仿真结果吻合良好,验证本实验模型的简支边界条件是可信的。在此基础上进行了相关有源控制实验,验证了本文仿真结论的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 有源噪声控制的发展历程
• 1.3 圆柱壳振动和声辐射的研究现状
• 1.3.1 圆柱壳振动的研究现状
• 1.3.2 圆柱壳声辐射的研究现状
• 1.4 圆柱壳结构声辐射有源控制的研究进展
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 有限长简支圆柱壳结构振动特性分析研究
• 2.1 引言
• 2.2 圆柱壳振动方程
• 2.3 有限长圆柱壳自由振动的固有频率
• 2.4 有限长圆柱壳的强迫振动响应
• 2.4.1 壳体受迫振动的位移响应和速度响应
• 2.4.2 壳体受迫振动的表面径向均方振速
• 2.5 数值仿真与分析
• 2.5.1 两端简支圆柱壳的固有频率与结构模态形状
• 2.5.2 圆柱壳在同一位置点力激励下的响应分析
• 2.5.3 圆柱壳在不同位置点力激励下的响应分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 有限长简支圆柱壳结构声辐射特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 声辐射的理论基础
• 3.2.1 声学波动方程
• 3.2.2 Helmholtz积分方程
• 3.2.3 柱坐标下的Green函数
• 3.3 带有障板圆柱壳的向外声辐射
• 3.3.1 无限大障板中圆柱壳辐射远场的Green函数
• 3.3.2 带有障板的圆柱壳远场的辐射声压
• 3.3.3 辐射声功率
• 3.3.4 辐射效率
• 3.4 数值仿真与结果分析
• 3.4.1 远场声压响应与指向性分布
• 3.4.2 圆柱壳结构模态辐射效率分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 有限长简支圆柱壳结构声辐射有源控制仿真研究
• 4.1 引言
• 4.2 有源力控制的物理机制
• 4.3 线性二次最优控制理论
• 4.4 控制策略
• 4.4.1 结构动能最小化
• 4.4.2 辐射声功率最小化
• 4.5 仿真分析
• 4.5.1 结构动能最小控制策略下的结果分析
• 4.5.2 辐射声功率最小控制策略下的结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 有限长简支圆柱壳结构实验研究
• 5.1 两端简支圆柱壳实验模型的设计与制作
• 5.2 圆柱壳结构振动特性实验研究
• 5.2.1 实验方法和装置介绍
• 5.2.2 实验结果分析
• 5.3 圆柱壳振动有源控制实验研究
• 5.3.1 实验装置介绍
• 5.3.2 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢