结构振动模态的声辐射耦合研究

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对于水声工程而言,结构振动声辐射会产生水下噪声,破坏声隐身性能,对水下生物也有影响,因此对水声工程结构的减振降噪设计和振动控制尤为重要。当在振动模态空间中去研究声辐射时,会发现有的振动模态之间的声辐射相互耦合,这种声辐射耦合会使得结构的振动声辐射控制变得困难,如果可以不考虑耦合的话,那么只针对结构的振动模态进行控制就可以达到减振降噪的双重效果,因此对结构振动模态间声辐射的耦合强度和耦合关系的研究非常有必要。本文主要以基本工程结构矩形板和加筋板为实例,对结构建立了有限元模型,计算了结构在振动模态下的各项模态参数,从结构声功率,结构振动均方速度等角度出发,分析结构在振动模态下声辐射耦合的大小,以及影响耦合大小的因素,可以为振动噪声的控制提供理论基础和新的方法与思路。具体研究内容包括:以经典模态阻尼矩阵的解耦近似方法为基础,根据模态阻尼耦合大小的判别方法推导结构振动模态下的声辐射耦合的解耦近似方法和耦合大小判别方法。分别计算了矩形钢板和加筋板在振动模态下的声辐射耦合矩阵的对角占优性,发现这两种结构的声辐射耦合都不能只用对角占优来解释,并且通过计算发现激励力位置的改变可以改变耦合相对误差的极大值点和极小值点,通过分析矩形板的解耦近似相对误差和总体辐射声功率级图,发现相对误差的大小可以从某种程度上表示振动模态声辐射的耦合大小。通过对比加筋板跟板的耦合相对误差,发现加筋板的误差远小于板,比板的耦合相对误差几乎小了快10倍,从加筋板的相对误差与总体辐射声功率对比图中还发现加筋板的振动模态声辐射耦合大小跟板的规律不一样。分别计算了矩形板和加筋板在不同激励力位置下的激励点法向振速、整体均方速度和由解耦近似引起的声功率级绝对误差。分析了加筋板和板上不同激励点作用时的整体均方速度和激励点法向振速跟激励点位置的关系,对比矩形板和加筋板两种结构的均方速度,发现两种情况下得到的均方速度谷值对应大小随激励频率的变化呈现相反的规律。通过分析激励力作用在结构不同位置时由解耦近似引起的声功率级绝对误差大小随激励频率的变化曲线图,发现了振动模态声功率耦合可以忽略或利用或需要避免的情况。根据模态阻尼耦合系数的计算方法,定义了振动模态下声辐射耦合系数的表达方式,并分别计算了矩形板和加筋板这两种结构在空气中的声辐射耦合系数以及该系数的幅值和相位,并画出了声辐射耦合系数的幅值和相位随激励频率变化的曲线,根据计算结果和曲线图得出了这两种结构产生声辐射耦合的振动模态阶数,并比较不同阶耦合的大小。通过对比矩形板在水中和空气中的耦合矩阵和耦合系数,发现两种情况下的耦合规律是一致的。
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