动力设备结构声传递的理论分析及阻波技术的研究

论文摘要

动力设备在船舶及海洋工程结构中引起的结构振动及结构声的传递一直以来都是工程师和研究人员所关心的重要课题之一。高强度的结构振动不仅会影响安装在这些海上建筑中的机械设备或电子仪器的正常工作甚至引起结构本身的疲劳破坏,而且还会在舱室中引起二次声辐射,从而影响船员或工作人员的适居环境。基于这个原因,本论文利用理论分析结合试验验证的方法,对动力设备引起的结构噪声在船舶及海洋工程结构中的传递规律以及相应的阻波技术开展了一系列机理性的研究。本文在结构声传递规律的研究上采用了“分繁为简,由简及繁”的技术路线,将复杂结构看作是多个简单结构的组合,由最简单的单转角结构入手,分析构成转角的两板间结构声能量的传递规律以及转角连接线上附加的阻波元件对结构声传递的抑制作用,再利用单转角结构的研究结论分析多转角结构中结构声传递情况,这样就大大简化了计算和分析。而在阻波技术的研究中,本文采取了“主动结合被动,多手段并用”的策略,不仅根据船舶与海洋工程结构的特殊性对采用阻振质量及动力吸振器等被动阻波元件对结构声的抑制作用进行理论分析及实验验证,还从理论上对采用二次控制力与力矩对结构振动进行主动控制作了可行性分析。论文第二至第五章涉及的是结构声传递规律及被动阻波手段的研究,分析由无限尺度向有限尺度,由简谐波入射到任意时变结构波入射,由单转角结构向多转角结构进行深入,同时考虑了转角处耦合的弯曲波、纵波以及近场波的影响。在单转角结构的分析中,本文利用波分析法推导了结构振动在转角连接线处的应力平衡方程,创新地提出一系列无量纲系数,将平衡方程无量纲化,从而统一了附加不同阻波元件转角的结构声透射及反射系数方程。而且由无量纲方程解出的透射及反射系数也能转化为相应的能量透射及反射效率,以研究结构振动能量的传递规律。理论分析的公式表明,结构声在转角结构中的透射及反射系数完全取决于表征转角结构及阻波元件阻抗比的无量纲系数。这些无量纲系数的引入不仅简化了分析及计算,明确了相关物理意义,而且为结构振动的“相似实验”(利用无量纲系数相同的相似模型研究大型结构中的结构声传递规律)的可行性提供了理论依据。同时也为新型阻波元件提供了设计思路及方法。此外,本文结合波分析法及利用半无限长板转角结构处的结构声透射及反射系数,提出了一种求解有限尺度结构模态及固有频率的简化方法。将有限尺度连续系统固有频率及模态的求解转化为某个无量纲矩阵特征值及特征向量的求解问题根据理论公式,本文对一些典型的附加不同阻波元件的钢板转角结构进行了数值计算,以研究转角及阻波元件参数变化对结构声能量传递的影响。研究发现:对于无附加阻波元件的转角,结构声传递主要受钢板的厚度转角的角度的影响;对于附加阻振质量的转角,阻振质量对结构声传递的影响相当于一个“低通滤波器”,将整个频域分成“通带”、“阻带”以及两者间的“过渡带”,其“通带”宽度取决于阻振质量单位长度的转动惯量,而其阻带传递损失或者插入损失则取决于阻振质量的线密度;对于附加动力吸振器的转角,结构声能量的传递完全取决于构成动力吸振器的质量条及等效弹簧是否发生共振,能量透射效率在吸振器固有频率附近会产生较大的波动,且动力吸振器可以降低阻振质量在其通带末端的弯曲波透射效率。本文还设计了简化试验对理论分析及数值计算的部分结果进行了验证,利用由两块钢板构成的成不同角度或附加不同阻波元件的单转角结构对结构声能量密度比和插入损失进行了测量,并且还对其测量误差进行了详细的误差分析。实测结果与理论值随频率变化趋势一致,两者在低频区吻合较好且其误差随频率的升高而增大。其中还提出了利用弯曲波—纵波及纵波—弯曲波能量传递的互易原理进行“互易实验”,将结构在纵向激励条件下的横向振动响应的测量问题转化为等效的测量结构在横向激励条件下的纵向振动响应问题,方便了实验的操作及测量。对于多转角结构的研究,本文采用一种简化方法,将质点振动速度场表示成满足平板横向及纵向振动微分方程的分别沿板长的两个方向传递的简谐结构波振速的叠加,然后利用单转角结构的透射及反射系数,建立各板的未知边界质点振速及外激励在结构中产生的入射波间在各转角处的平衡关系,以线性代数方程组形式表出。这就等同于利用单转角结构的结论对多转角结构进行建模,从而避免了直接求解通过转角边界条件相互耦合的复杂的振动微分方程组,大大简化了计算。数值计算以最简单的双转角结构为例,比较了在附加不同形式阻振质量情况下结构总的结构声能量传递损失。计算发现,无论是否附加阻振质量双转角结构的结构声传递损失随频率都有较大的波动,且其极大与极小值对应于有限长中间板的共振及反向共振频率。同时,附加在双转角结构中的阻振质量仍然能保持其在单转角结构中的阻波特性,在高频区对结构声的传递有较好的抑制效果。本文利用一个模拟船舶机舱段的简化多转角结构模型进行了测试,比较了附加或者无阻振质量的双转角结构在八个1/1倍频带上平均的结构声能量传递损失。由于同时对空间多点及频域的进行了平均处理,实测结果与理论值变化趋势一致且在数值上也较为吻合。本文将附加双阻振质量的单转角结构看作是双转角结构的特殊情况,利用结构声在多转角结构中的传递规律,计算了附加双阻振质量及等重量单阻振质量的结构声能量传递规律。比较发现,附加双阻振质量的单转角结构的传递损失随频率的变化趋势与附加单阻振质量的情况相似,但其数值因两质量间的有限长板的共振情况而有较大波动。对于弯曲波入射而言,无论第二阻振质量在转角前还是后,附加双阻振质量情况下的结构声传递损失都要比附加等质量单阻振质量的情况在高频区大。而对于纵波入射而言,只有第二阻振质量附加在转角后的情况下,双阻振质量才能比等质量单阻振质量获得更高的传递损失。论文第六章对在转角连接线上利用二次控制力与力矩进行结构声主动控制作了理论分析。参照被动阻波技术的研究中由单转角结构至多转角结构的过程,将总的结构质点振动速度场看成是入射波引起的初级速度场和二次控制力与力矩引起的二次速度场的叠加,利用无量纲系数建立结构波分量间的平衡方程,统一了两速度场的求解。最后给出了单转角及多转角结构中最佳控制力与力矩的求解方法,论证了结构声主动控制的可行性。本文的研究不仅揭示了结构声在复杂结构中的主要传递规律,而且论证了各类阻波方法对结构声传递的抑制作用,从而为船舶及海洋工程结构的声学设计提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 结构动力学的研究方法
• 1.3 国内外研究状况
• 1.4 本文研究内容及技术路线
• 1.5 本文的创新点
• 第二章 单转角模型中结构声的传递规律
• 2.1 引言
• 2.2 理论分析
• 2.2.1 半无限长板转角模型
• 2.2.1.1 透射及反射系数
• 2.2.1.2 能量透射及反射效率
• 2.2.2 有限长板转角模型
• 2.2.2.1 转角模型内的速度场
• 2.2.2.2 固有频率及振型
• 2.2.2.3 系统的能量分布
• 2.2.3 几点说明
• 2.3 数值分析
• 2.3.1 透射及反射效率
• 2.3.2 转角参数对透射弯曲波能量的影响
• 2.3.3 低频能量透射近似公式
• 2.4 实验研究
• 2.5 本章小结
• 第三章 转角处阻振质量对结构声的抑制
• 3.1 概述
• 3.2 理论分析
• 3.2.1 半无限长板转角模型
• 3.2.1.1 质点振动速度分布
• 3.2.1.2 能量透射和反射效率以及传递损失
• 3.2.2 有限长板转角模型
• 3.2.2.1 模型内的速度场及能量密度
• 3.2.2.2 固有频率及振型
• 3.3 数值分析
• 3.3.1 透射及反射效率
• 3.3.2 转角及阻振质量参数对弯曲波传递损失的影响
• 3.4 实验研究
• 3.4.1 弯曲波—弯曲波插入损失
• 3.4.2 纵波—弯曲波插入损失
• 3.5 本章小结
• 第四章 转角处动力吸振器对结构声的抑制
• 4.1 概述
• 4.2 理论分析
• 4.2.1 半无限长板转角模型
• 4.2.2 本文提出的无量纲数的物理意义
• 4.2.3 有限尺度板转角模型的固有频率及振型函数
• 4.3 数值分析
• 4.3.1 透射及反射效率
• 4.3.2 结构波能量耗散
• 4.3.3 动力吸振器参数对透射弯曲波能量的影响
• 4.4 实验研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 多转角结构中结构声传递规律及阻波技术应用
• 5.1 概述
• 5.2 理论分析
• 5.2.1 多转角结构模型
• 5.2.2 双转角结构模型
• 5.2.2.1 结构波透射系数
• 5.2.2.2 结构波能量透射效率
• 5.3 数值分析
• 5.3.1 双转角结构传递损失
• 5.3.2 单转角结构附加双阻振质量情况下的传递损失
• 5.4 实验研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 转角结构中结构声主动控制的可行性研究
• 6.1 概述
• 6.2 理论模型及分析
• 6.2.1 单转角结构中的结构声主动控制
• 6.2.1.1 初级速度场
• 6.2.1.2 二次速度场
• 6.2.1.3 最佳控制力与力矩的确定
• 6.2.2 多转角结构中的结构声主动控制
• 6.3 数值计算
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间取得成果