薄板结构的声功率及其灵敏度研究

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薄板结构在航空航天、汽车制造等领域被广泛应用,在实际应用中薄板结构难免会受到激励而振动并对外界进行声辐射,所以对其振动声辐射进行研究一直是工程应用中的热点问题。探索薄板结构的声辐射功率和声功率关于设计参数的灵敏度为结构低噪声设计提供理论依据是具有潜力的课题。本文主要对薄板结构的声功率及其灵敏度展开了研究。首先,建立了单层薄板结构的有限元模型,求解了矩形单元的刚度矩阵和质量矩阵。回顾了声辐射模态理论,基于声辐射模态理论推导了声辐射功率的表达式。其次,分析了薄板结构的动力学响应和灵敏度,用已得声功率表达式的两边对设计参数求偏导,再结合已求得的动力学响应和灵敏度,得到了声功率关于设计参数的灵敏度表达式。以两相材料单层薄板为数值算例,得到了四边简支和四边固支边界条件下声功率及其灵敏度与材料分布密度、板厚和外界激励频率的变化图,结果表明:在某一外界激励频率下,声辐射功率与材料分布密度和板厚有复杂的线性关系,在外界激励频率接近结构固有频率的某些频率时,声辐射功率达到峰值,声功率灵敏度的变化趋势与声功率的变化趋势基本保持一致。最后,在对单层薄板研究的基础上建立了层合板的有限元模型,对层合板单元刚度矩阵和质量矩阵进行了列式推导,基于声辐射模态理论求解了层合板声辐射功率和声功率关于铺设角度和铺层厚度的灵敏度。以T300复合材料层合板为数值算例,得到了四边简支和四边固支边界条件下声功率及其灵敏度与铺设角度、铺层厚度和外界激励频率的变化图,结果表明:在层合板第一阶固有频率处声辐射功率达到峰值,同时在该处声功率灵敏度有明显的升降过程。
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