用于降低冲击噪声的非线性消声器设计研究

论文摘要

本文设计了两种降低冲击噪声的新型非线性消声器。能量非线性快速衰减(Nonlinear Energy Sink简称NES)技术是一种能够吸收冲击能量的振动技术。设置有强弹簧和大阻尼的非线性振子通过一个弱弹簧和线性部分相连,当线性系统受到冲击,非线性振子能够以不可逆方式吸收线性系统的能量,并靠自己的大阻尼系数消散振动能量。本文则把上述非线性振子引入到亥姆霍兹共鸣器模型的设计中,得到了非线性消声器模型。亥姆霍兹共鸣器是一种应用广泛的共振式消声器,它能够有效的消除和自己固有频率相同的噪声,其力学模型被描述成单自由度的线性振动系统。将亥姆霍兹共鸣器的腔底设计成活塞,活塞作为线性振子通过弱弹簧连接非线性振子,便设计出了第一种非线性消声器。由于非线性振子的存在,对亥姆霍兹共鸣器的频域分析方法不再适合于非线性消声器。本文则从理想气体的物态方程出发,推导出共鸣器开口处空气柱和活塞的线性耦合项,把非线性消声器描述成时域中的一个三自由度离散振动系统。为了更好的研究共鸣器的性能,本文把非线性消声器作为声波导管的一个旁支来研究。最后建立声波导管,非线性消声器整个系统的描述方程,并在MatLab下展开数值仿真。仿真数据显示,恰当的设计系统参数,非线性消声器能够消除冲击噪声,伴有能量传递现象发生。鉴于亥姆霍兹共鸣器的等效弹性系数较小的特点,本文设计了第二种非线性消声器,把共鸣器短管处的空气柱设计成NES系统的线性振子,腔底的活塞设计成非线性振子,等效弹簧作为连接线性振子和非线性振子的弱弹簧。而后建立第二种非线性消声器模型,模型在时域中被描述成一个二自由度离散振动系统。进而研究了两个相距一段距离的非线性消声器作为声波导管旁支的情况。仿真结果显示,适当的设置系统参数,两个非线性消声器配合工作时能够吸收导管中声波能量的24.85%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 噪声控制的一般方法与消声器
• 1.2.1 噪声控制原理及方法概述
• 1.2.2 消声器
• 1.3 亥姆霍兹共鸣器
• 1.3.1 亥姆霍兹共鸣器简介
• 1.3.2 亥姆霍兹共鸣器的研究现状
• 1.4 能量非线性快速衰减技术
• 1.5 本文的研究对象
• 1.6 本文的主要研究工作和创新点
• 1.7 本章小结
• 第二章 第一种非线性消声器模型
• 2.1 声压级和平面行波的声能量
• 2.2 有旁支的声管模型
• 2.3 亥姆霍兹共鸣器的力学模型
• 2.4 第一种非线性消声器模型
• 2.5 第一种非线性消声器模型作为旁支的声波导管模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 第一种非线性消声器模型的数值仿真
• 3.1 冲击声压
• 3.2 能量提取现象
• 3.3 第一种非线性消声器参数
• 3.3.1 活塞面积和短管面积之比
• 3.3.2 线性振子2 的质量
• 3.3.3 非线性振子3 的质量
• 3.3.4 非线性振子3 的的强弹性系数
• 3.3.5 线性振子2 的的阻尼系数
• 3.3.6 非线性振子3 的的阻尼系数
• 3.3.7 弱弹簧的弹性系数
• 3.4 第一种非线性消声器中的能量分配
• 3.5 本章小结
• 第四章 第二种非线性消声器模型及其数值仿真
• 4.1 第二种非线性消声器结构模型
• 4.2 第二种非线性消声器的力学模型
• 4.3 第二种非线性消声器作为声波导管的旁支
• 4.3.1 结构模型
• 4.3.2 数值仿真
• 4.4 双非线性消声器作为声波导管旁支
• 4.4.1 结构模型
• 4.4.2 数值仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 主要成果
• 5.2 发展和展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文