圓柱殼全頻段聲振特性研究

1、圓柱殼全頻段聲振特性研究指導(dǎo)老師：張亞輝老師楊文健2015.12.26該論文的主要內(nèi)容有： 基于解析法軟件的圓柱殼中低頻段聲振響應(yīng)分析 基于VA One的圓柱殼全頻段聲振響應(yīng)分析 對未來的工作展望1.基于解析法軟件的圓柱殼中低頻段聲振響應(yīng)分析u 解析法軟件理論基礎(chǔ) 解析法求解單、雙層圓柱殼振動與聲輻射響應(yīng)的主要原理 解析法求解單、雙層圓柱殼固有頻率的主要原理u 基于Matlab 平臺的軟件制作方法簡介u 解析法軟件正確性的驗證解析法求解單、雙層圓柱殼振動與聲輻射響應(yīng)的主要原理解析法求解單、雙層圓柱殼固有頻率的主要原理將圓柱殼運動方程中的力激勵項去掉，求剩下項的行列式等于0時的頻率值。由于該方程

2、組是超越方程所以只能搜索求得方程的解。具體方法具體方法:逐個搜索每個頻率，如果搜索到的頻率的行列式值與下一個頻率的行列式值反號，則表示搜索到的頻率的行列式值近似為零，取該頻率為固有頻率。基于Matlab平臺的軟件制作方法簡介在Matlab平臺上開發(fā)軟件界面通常分為三個部分：軟件靜態(tài)界面制作軟件靜態(tài)界面制作、內(nèi)核程序編寫內(nèi)核程序編寫和程序封裝程序封裝。p 軟件靜態(tài)界面制作 靜態(tài)界面的制作就是在空白的GUI模板上加入各種空間的過程，一般來說添加控件有2種方法： 1. 基于GUI的方法：簡單說就是手動在圖形窗口的所需的位置上添加所需大小的控件，并且雙擊控件出現(xiàn)屬性菜單，手動設(shè)置控件的屬性值。 2.

3、基于命令行的方式：通過直接在M文件中編寫添加控件的程序代碼 來完成靜態(tài)界面的制作。命令格式為： H為uicontrol(hfig,屬性名，屬性值，)H為創(chuàng)建對象的句柄值，簡單理解就是控件的代號Hfig為某個圖形窗口的句柄值p 軟件內(nèi)核程序編寫靜態(tài)界面制作完成后，就要編寫動態(tài)程序，通俗的說，就是編寫控件對應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)，也就是在原來無界面的程序的基礎(chǔ)上進行修改，添加一些控制語句來配合界面控件的操作，從而實現(xiàn)界面的功能。每一個控件都對應(yīng)有一個響應(yīng)函數(shù)，當(dāng)用戶在界面上對某個控件進行操作時，matlab就會調(diào)用其響應(yīng)函數(shù)。p 將程序封裝成exe文件軟件的外觀和內(nèi)核程序代碼制作好以后，就要將這些內(nèi)在外在都

4、封裝到一個exe文件中，方便提交用戶使用。封裝的步驟如下:1.首先需要配置自己的Matlab Compiler, Matlab Compiler的作用是將程序編譯成為機器可以直接執(zhí)行的程序。 配置Compiler的方法是在Matlab命令窗口輸入:mbuild一setup按提示選擇matlab自帶編譯器LCCo2.用編譯器編譯所有文件 在matlab環(huán)境中編譯文件，命令是: mcc -m main funl fun2funn其中main為主函數(shù)，funl到funn是子函數(shù)。執(zhí)行完畢后，在MATLAB的CurrentDirectory目錄下，會生成封裝后的exe文件，至此，軟件就制作成功了。解析

5、法軟件正確性的驗證選取單層環(huán)肋圓柱殼為計算模型：單雙層圓柱殼聲振試驗實驗?zāi)Ｐ腿N方法結(jié)果對比驗證將數(shù)值法數(shù)值法、實驗法實驗法的結(jié)果與解析法軟件解析法軟件計算的結(jié)果進行對比：l 由均方振速曲線可以看出，解析法和數(shù)值法計算結(jié)果趨勢基本相同，峰值位置、大小接近。在150Hz-500Hz，兩種計算方法吻合的較好，峰值位置出現(xiàn)較小的偏移;在500Hz-1000Hz，解析法計算結(jié)果曲線整體向左偏移，數(shù)值略大。l 由輻射聲功率曲線可以看出，解析法和數(shù)值法吻合的較好。在150Hz-500Hz 兩條曲線基本重合;在500Hz-1000Hz，兩條曲線峰值位置出現(xiàn)偏移。l 由加速度曲線可以看出，在150Hz-500

6、Hz三條曲線吻合的較好;在500Hz-1000Hz，試驗結(jié)果曲線相對于解析法和數(shù)值法出現(xiàn)偏移。誤差來源l 解析法誤差主要來源： 采用模態(tài)疊加法進行求解，模態(tài)截斷及忽略模態(tài)間的耦合都會使得計算結(jié)果出現(xiàn)誤差。l 邊界元方法誤差主要來源： 網(wǎng)格劃分、積分奇異性的處理。固有頻率計算結(jié)果對比本程序計算結(jié)果與數(shù)值法在模態(tài)階數(shù)較低時固有頻率吻合情況較好，模態(tài)階數(shù)升高后，數(shù)值法結(jié)果略有偏高。本章小結(jié)p 介紹了解析法的基本原理p 在MATLAB平臺上開發(fā)軟件的過程p 將該軟件的計算結(jié)果與傳統(tǒng)數(shù)值計算方法和試驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了該軟件的正確性 2. 基于VA One 的圓柱殼全頻段聲振響應(yīng)分析u VA One

7、理論基礎(chǔ)u VA One 的核心功能和簡要的操作流程u 單雙層圓柱殼聲振響應(yīng)全頻段算例計算u 結(jié)構(gòu)參數(shù)對單雙層圓柱殼全頻段聲振響應(yīng)的影響u VA One 計算結(jié)果與解析法的對比u 本章小結(jié) VA One 理論基礎(chǔ)VA One軟件低頻段中頻段高頻段有限元和邊界元方法Hybrid方法統(tǒng)計能量分析方法有限元方程為：可求得結(jié)構(gòu)各節(jié)點的位移 統(tǒng)計能量分析方法dwwdNwn)()(估算各子系統(tǒng)的動力響應(yīng)劃分子系統(tǒng)模態(tài)相似原則：陣型要有著相同的動力學(xué)特性（相同的阻尼、振動模態(tài)、耦合損耗因子）一根梁有縱向振動子系統(tǒng)（即縱向振動相似模態(tài)群）、橫向振動子系統(tǒng)（橫向振動相似模態(tài)群）和扭轉(zhuǎn)振動子系統(tǒng)（扭轉(zhuǎn)振動相似模態(tài)

8、群）確定各子系統(tǒng)與各子系統(tǒng)間的統(tǒng)計能量分析參數(shù)計算各子系統(tǒng)振動能量模態(tài)密度dKKdNKn)()(模態(tài)數(shù)CK2波數(shù)振動偏微分方程振型函數(shù)頻率方程模態(tài)數(shù)N(K)模態(tài)密度分離變量法邊界條件波數(shù)空間單位頻率內(nèi)的模態(tài)數(shù)一維桿縱向自由振動微分方程：分離變量法：桿件為兩端固支二維平板橫向振動方程為：同樣的，我們可以通過分離變量法得到振型函數(shù)滿足的方程：半徑為K的1/4圓面積內(nèi)模態(tài)數(shù)目為：其中：輸入功率VFP統(tǒng)計能量分析主要應(yīng)用于受隨機激勵的系統(tǒng)，但這里應(yīng)強調(diào)的一點是，統(tǒng)計能量分析最主要的特征之一是只建立被激勵系統(tǒng)的統(tǒng)計模型，不專門對隨機激勵建立統(tǒng)計模型?？紤]線性彈簧共振子受到一個穩(wěn)態(tài)隨機激勵的外力：聲振耦合

9、問題中：聲快振動聲慢振動由于有限板的二維性及邊界條件產(chǎn)生駐波的影響內(nèi)損耗因子模態(tài)內(nèi)損耗因子測量方法 模態(tài)內(nèi)損耗因子測量方法（穩(wěn)態(tài)法） 帶均（頻帶平均）內(nèi)損耗因子測量方法 現(xiàn)場測量方法耦合損耗因子兩個共振子間的耦合損耗因子寫成對稱的形式由外部供給的總輸入功率，都被二個共振子的阻尼元件耗散掉了共振子間的傳遞功率虛擬激勵法解得利用時域中的均方值與頻域中的功率潛密度關(guān)系式:通過虛擬激勵法可得：A只與共振子參只與共振子參數(shù)及耦合參數(shù)有數(shù)及耦合參數(shù)有關(guān)關(guān)兩個線性共振子間功率流正比于兩個共振子解耦能量之差二振型群間的耦合損耗因子假定：Hybrid 方法整個系統(tǒng)的總體運動方程系統(tǒng)的平均互譜響應(yīng)通過有限元、邊界

10、元的方法對其進行求解可得extffS通過混響場的功率流平衡方程VA One 的核心功能 低頻結(jié)構(gòu)振動和噪聲分析的綜合性功能 高頻結(jié)構(gòu)振動及噪聲分析功能 中頻結(jié)構(gòu)振動及噪聲混合求解功能模型生成參數(shù)設(shè)定加載、建立連接、計算結(jié)果查看l 各個子系統(tǒng)的平均能量輸入l 各子系統(tǒng)之間能量傳遞系數(shù)l 結(jié)構(gòu)均方振速l 振動加速度l 輻射聲功率l 輻射效率l 輻射聲壓l 模態(tài)能量操作流程單層殼算例空氣中計算結(jié)果 不論是均方速度還是升功率曲線，在低頻段都呈現(xiàn)多峰值形態(tài)，而中高頻段沒有明顯峰值，隨著頻率增加，曲線緩慢下降。 均方速度曲線和聲功率曲線在全頻段內(nèi)變化趨勢都非常一致，表明了單層殼在空氣中的振動與聲輻射響應(yīng)在

11、全頻段內(nèi)都呈現(xiàn)單調(diào)關(guān)系。 輻射效率曲線符合一般規(guī)律，從低頻開始逐漸升高，到達臨界頻率后逐漸趨近于1，成為有限輻射體?？諝庵杏嬎憬Y(jié)果 從圖中可以看出，單層殼在水中的振動響應(yīng)和空氣中的振動響應(yīng)低頻段峰值位置不同，水中的振動響應(yīng)要小一些，但整個曲線的趨勢還是一致的。 從（b）中可以看出，雖然空氣中的振動均方速度要比水中的振動均方速度大，但高頻段水中的輻射聲輻射響應(yīng)比輻射聲功率反而大。 從（c）中可得，從輻射效率的角度來揭示2中提到的現(xiàn)象。低頻段，重流體負載的存在使得結(jié)構(gòu)的輻射效率下降，而水中的均方振速比空氣中的小，因此該頻段水中的輻射聲功率比空氣中的??；在達到臨界頻率以上，流體負載影響很小，空氣中和

12、水中輻射效率趨近一致，而高頻段水中均方速度比空氣中相差不多，且水中特性阻抗比空氣的特性阻抗大得多，所以高頻段水中的輻射聲功率就會比空氣中的大。雙層殼算例空氣中計算結(jié)果水中計算結(jié)果 從( a)和 (b)可以看到，雙層殼在水中的振動響應(yīng)和空氣中的振動響應(yīng)低頻段峰值位置不同，水中的振動響應(yīng)要小一些，但整個曲線的趨勢還是一致的，這個特性跟單層殼體是一致的。 從 (d),(e)上可以看出，相比于空氣中不同的是，在全頻段范圍內(nèi)，水中的輻射聲功率是隨頻率增加緩慢升高的。這是由于臨界頻率與c2c成正比，水中的臨界頻率比空氣中大很多，如圖3-11 (f)所示，水中還沒達到臨界頻率，輻射效率一直在升高。結(jié)構(gòu)參數(shù)對單雙層圓柱殼全頻段聲振響應(yīng)的影響 單層板算例 改變肋距的影響 改變殼體厚度的影響 雙層板算例 改變實肋板肋距的影響 改變內(nèi)殼厚度的影響 改變外殼厚度的影響 改變肋距的影響單層板 改變殼體厚度的影響 改變實肋板肋距的影響雙層板 改變內(nèi)殼厚度的影響 改變外殼厚度的影響VA One 計算結(jié)果與解析法的對比本章小結(jié)p 使用VA One 軟件對計算模型在空氣中和水中的振動聲輻射響應(yīng)進行計算，并得出了一些結(jié)論p 分析了