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(duì)未來(lái)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(dòng)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(tái)的軟件制作方法簡(jiǎn)介u 解析法軟件正確性的驗(yàn)證解析法求解單、雙層圓柱殼振動(dòng)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(yùn)動(dòng)方程中的力激勵(lì)項(xiàng)去掉，求剩下項(xiàng)的行列式等于0時(shí)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(gè)搜索每個(gè)頻率，如果搜索到的頻率的行列式值與下一個(gè)頻率的行列式值反號(hào)，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?；贛atlab平臺(tái)的軟件制作方法簡(jiǎn)介在Matlab平臺(tái)上開(kāi)發(fā)軟件界面通常分為三個(gè)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(guò)程，一般來(lái)說(shuō)添加控件有2種方法： 1. 基于GUI的方法：簡(jiǎn)單說(shuō)就是手動(dòng)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(dòng)設(shè)置控件的屬性值。 2.

3、基于命令行的方式：通過(guò)直接在M文件中編寫添加控件的程序代碼 來(lái)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(duì)象的句柄值，簡(jiǎn)單理解就是控件的代號(hào)Hfig為某個(gè)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(dòng)態(tài)程序，通俗的說(shuō)，就是編寫控件對(duì)應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)，也就是在原來(lái)無(wú)界面的程序的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，添加一些控制語(yǔ)句來(lái)配合界面控件的操作，從而實(shí)現(xiàn)界面的功能。每一個(gè)控件都對(duì)應(yīng)有一個(gè)響應(yīng)函數(shù)，當(dāng)用戶在界面上對(duì)某個(gè)控件進(jìn)行操作時(shí)，matlab就會(huì)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(gè)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(jī)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(huì)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(yàn)證選取單層環(huán)肋圓柱殼為計(jì)算模型：?jiǎn)坞p層圓柱殼聲振試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿N方法結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證將數(shù)值法數(shù)值法、實(shí)驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)法的結(jié)果與解析法軟件解析法軟件計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比：l 由均方振速曲線可以看出，解析法和數(shù)值法計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)基本相同，峰值位置、大小接近。在150Hz-500Hz，兩種計(jì)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(jì)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(yàn)結(jié)果曲線相對(duì)于解析法和數(shù)值法出現(xiàn)偏移。誤差來(lái)源l 解析法誤差主要來(lái)源： 采用模態(tài)疊加法進(jìn)行求解，模態(tài)截?cái)嗉昂雎阅B(tài)間的耦合都會(huì)使得計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)誤差。l 邊界元方法誤差主要來(lái)源： 網(wǎng)格劃分、積分奇異性的處理。固有頻率計(jì)算結(jié)果對(duì)比本程序計(jì)算結(jié)果與數(shù)值法在模態(tài)階數(shù)較低時(shí)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(tái)上開(kāi)發(fā)軟件的過(guò)程p 將該軟件的計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)數(shù)值計(jì)算方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)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(jiǎn)要的操作流程u 單雙層圓柱殼聲振響應(yīng)全頻段算例計(jì)算u 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)單雙層圓柱殼全頻段聲振響應(yīng)的影響u VA One 計(jì)算結(jié)果與解析法的對(duì)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(jì)能量分析方法有限元方程為：可求得結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的位移 統(tǒng)計(jì)能量分析方法dwwdNwn)()(估算各子系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)力學(xué)特性（相同的阻尼、振動(dòng)模態(tài)、耦合損耗因子）一根梁有縱向振動(dòng)子系統(tǒng)（即縱向振動(dòng)相似模態(tài)群）、橫向振動(dòng)子系統(tǒng)（橫向振動(dòng)相似模態(tài)群）和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)子系統(tǒng)（扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(jì)能量分析參數(shù)計(jì)算各子系統(tǒng)振動(dòng)能量模態(tài)密度dKKdNKn)()(模態(tài)數(shù)CK2波數(shù)振動(dòng)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(dòng)微分方程：分離變量法：桿件為兩端固支二維平板橫向振動(dòng)方程為：同樣的，我們可以通過(guò)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(jì)能量分析主要應(yīng)用于受隨機(jī)激勵(lì)的系統(tǒng)，但這里應(yīng)強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，統(tǒng)計(jì)能量分析最主要的特征之一是只建立被激勵(lì)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型，不專門對(duì)隨機(jī)激勵(lì)建立統(tǒng)計(jì)模型?？紤]線性彈簧共振子受到一個(gè)穩(wěn)態(tài)隨機(jī)激勵(lì)的外力：聲振耦合

9、問(wèn)題中：聲快振動(dòng)聲慢振動(dòng)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(cè)量方法 模態(tài)內(nèi)損耗因子測(cè)量方法（穩(wěn)態(tài)法） 帶均（頻帶平均）內(nèi)損耗因子測(cè)量方法 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法耦合損耗因子兩個(gè)共振子間的耦合損耗因子寫成對(duì)稱的形式由外部供給的總輸入功率，都被二個(gè)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(lì)法解得利用時(shí)域中的均方值與頻域中的功率潛密度關(guān)系式:通過(guò)虛擬激勵(lì)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(gè)線性共振子間功率流正比于兩個(gè)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(gè)系統(tǒng)的總體運(yùn)動(dòng)方程系統(tǒng)的平均互譜響應(yīng)通過(guò)有限元、邊界

10、元的方法對(duì)其進(jìn)行求解可得extffS通過(guò)混響場(chǎng)的功率流平衡方程VA One 的核心功能 低頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲分析的綜合性功能 高頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)及噪聲分析功能 中頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(jì)算結(jié)果查看l 各個(gè)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(dòng)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(jì)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(méi)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(shì)都非常一致，表明了單層殼在空氣中的振動(dòng)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(kāi)始逐漸升高，到達(dá)臨界頻率后逐漸趨近于1，成為有限輻射體?？諝庵杏?jì)算結(jié)果 從圖中可以看出，單層殼在水中的振動(dòng)響應(yīng)和空氣中的振動(dòng)響應(yīng)低頻段峰值位置不同，水中的振動(dòng)響應(yīng)要小一些，但整個(gè)曲線的趨勢(shì)還是一致的。 從（b）中可以看出，雖然空氣中的振動(dòng)均方速度要比水中的振動(dòng)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(lái)揭示2中提到的現(xiàn)象。低頻段，重流體負(fù)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?。辉谶_(dá)到臨界頻率以上，流體負(fù)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(huì)比空氣中的大。雙層殼算例空氣中計(jì)算結(jié)果水中計(jì)算結(jié)果 從( a)和 (b)可以看到，雙層殼在水中的振動(dòng)響應(yīng)和空氣中的振動(dòng)響應(yīng)低頻段峰值位置不同，水中的振動(dòng)響應(yīng)要小一些，但整個(gè)曲線的趨勢(shì)還是一致的，這個(gè)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(méi)達(dá)到臨界頻率，輻射效率一直在升高。結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(shí)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(shí)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(jì)算結(jié)果與解析法的對(duì)比本章小結(jié)p 使用VA One 軟件對(duì)計(jì)算模型在空氣中和水中的振動(dòng)聲輻射響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，并得出了一些結(jié)論p 分析了