動(dòng)力設(shè)備結(jié)構(gòu)聲傳遞的理論分析及阻波技術(shù)的研究.pdf

1、動(dòng)力設(shè)備在船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)中引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)及結(jié)構(gòu)聲的傳遞一直以來(lái)都是工程師和研究人員所關(guān)心的重要課題之一。高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)振動(dòng)不僅會(huì)影響安裝在這些海上建筑中的機(jī)械設(shè)備或電子儀器的正常工作甚至引起結(jié)構(gòu)本身的疲勞破壞，而且還會(huì)在艙室中引起二次聲輻射，從而影響船員或工作人員的適居環(huán)境?；谶@個(gè)原因，本論文利用理論分析結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，對(duì)動(dòng)力設(shè)備引起的結(jié)構(gòu)噪聲在船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)中的傳遞規(guī)律以及相應(yīng)的阻波技術(shù)開(kāi)展了一系列機(jī)理性的研究。

2、本文在結(jié)構(gòu)聲傳遞規(guī)律的研究上采用了“分繁為簡(jiǎn)，由簡(jiǎn)及繁”的技術(shù)路線，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)看作是多個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的組合，由最簡(jiǎn)單的單轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)入手，分析構(gòu)成轉(zhuǎn)角的兩板間結(jié)構(gòu)聲能量的傳遞規(guī)律以及轉(zhuǎn)角連接線上附加的阻波元件對(duì)結(jié)構(gòu)聲傳遞的抑制作用，再利用單轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的研究結(jié)論分析多轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)聲傳遞情況，這樣就大大簡(jiǎn)化了計(jì)算和分析。而在阻波技術(shù)的研究中，采取了“主動(dòng)結(jié)合被動(dòng)，多手段并用”的策略，不僅根據(jù)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的特殊性對(duì)采用阻振質(zhì)量及動(dòng)力吸振器等被動(dòng)

3、阻波元件對(duì)結(jié)構(gòu)聲的抑制作用進(jìn)行理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，還從理論上對(duì)采用二次控制力與力矩對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制作了可行性分析。 論文第二至第五章涉及的是結(jié)構(gòu)聲傳遞規(guī)律及被動(dòng)阻波手段的研究，分析由無(wú)限尺度向有限尺度，由簡(jiǎn)諧波入射到任意時(shí)變結(jié)構(gòu)波入射，由單轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)向多轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入，同時(shí)考慮了轉(zhuǎn)角處耦合的彎曲波、縱波以及近場(chǎng)波的影響。 在單轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的分析中，利用波分析法推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)振動(dòng)在轉(zhuǎn)角連接線處的應(yīng)力平衡方程，創(chuàng)新地提出一系列

4、無(wú)量綱系數(shù)，將平衡方程無(wú)量綱化，從而統(tǒng)一了附加不同阻波元件轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)聲透射及反射系數(shù)方程。而且由無(wú)量綱方程解出的透射及反射系數(shù)也能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的能量透射及反射效率，以研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量的傳遞規(guī)律。理論分析的公式表明，結(jié)構(gòu)聲在轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)中的透射及反射系數(shù)完全取決于表征轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)及阻波元件阻抗比的無(wú)量綱系數(shù)。這些無(wú)量綱系數(shù)的引入不僅簡(jiǎn)化了分析及計(jì)算，明確了相關(guān)物理意義，而且為結(jié)構(gòu)振動(dòng)的“相似實(shí)驗(yàn)”(利用無(wú)量綱系數(shù)相同的相似模型研究大型結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)聲

5、傳遞規(guī)律)的可行性提供了理論依據(jù)。同時(shí)也為新型阻波元件提供了設(shè)計(jì)思路及方法。此外，本文結(jié)合波分析法及利用半無(wú)限長(zhǎng)板轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)處的結(jié)構(gòu)聲透射及反射系數(shù)，提出了一種求解有限尺度結(jié)構(gòu)模態(tài)及固有頻率的簡(jiǎn)化方法。將有限尺度連續(xù)系統(tǒng)固有頻率及模態(tài)的求解轉(zhuǎn)化為某個(gè)無(wú)量綱矩陣特征值及特征向量的求解問(wèn)題根據(jù)理論公式，本文對(duì)一些典型的附加不同阻波元件的鋼板轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，以研究轉(zhuǎn)角及阻波元件參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)聲能量傳遞的影響。研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于無(wú)附加阻波元件

6、的轉(zhuǎn)角，結(jié)構(gòu)聲傳遞主要受鋼板的厚度轉(zhuǎn)角的角度的影響；對(duì)于附加阻振質(zhì)量的轉(zhuǎn)角，阻振質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)聲傳遞的影響相當(dāng)于一個(gè)“低通濾波器”，將整個(gè)頻域分成“通帶”、“阻帶”以及兩者間的“過(guò)渡帶”，其“通帶”寬度取決于阻振質(zhì)量單位長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而其阻帶傳遞損失或者插入損失則取決于阻振質(zhì)量的線密度；對(duì)于附加動(dòng)力吸振器的轉(zhuǎn)角，結(jié)構(gòu)聲能量的傳遞完全取決于構(gòu)成動(dòng)力吸振器的質(zhì)量條及等效彈簧是否發(fā)生共振，能量透射效率在吸振器固有頻率附近會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，且動(dòng)力

7、吸振器可以降低阻振質(zhì)量在其通帶末端的彎曲波透射效率。 設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)化試驗(yàn)對(duì)理論分析及數(shù)值計(jì)算的部分結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，利用由兩塊鋼板構(gòu)成的成不同角度或附加不同阻波元件的單轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)聲能量密度比和插入損失進(jìn)行了測(cè)量，并且還對(duì)其測(cè)量誤差進(jìn)行了詳細(xì)的誤差分析。實(shí)測(cè)結(jié)果與理論值隨頻率變化趨勢(shì)一致，兩者在低頻區(qū)吻合較好且其誤差隨頻率的升高而增大。其中還提出了利用彎曲波一縱波及縱波一彎曲波能量傳遞的互易原理進(jìn)行“互易實(shí)驗(yàn)”，將結(jié)構(gòu)在縱向激勵(lì)條件

8、下的橫向振動(dòng)響應(yīng)的測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為等效的測(cè)量結(jié)構(gòu)在橫向激勵(lì)條件下的縱向振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題，方便了實(shí)驗(yàn)的操作及測(cè)量。 對(duì)于多轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的研究，采用一種簡(jiǎn)化方法，將質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度場(chǎng)表示成滿足平板橫向及縱向振動(dòng)微分方程的分別沿板長(zhǎng)的兩個(gè)方向傳遞的簡(jiǎn)諧結(jié)構(gòu)波振速的疊加，然后利用單轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的透射及反射系數(shù)，建立各板的未知邊界質(zhì)點(diǎn)振速及外激勵(lì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的入射波間在各轉(zhuǎn)角處的平衡關(guān)系，以線性代數(shù)方程組形式表出。這就等同于利用單轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的結(jié)論對(duì)多轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)

9、進(jìn)行建模，從而避免了直接求解通過(guò)轉(zhuǎn)角邊界條件相互耦合的復(fù)雜的振動(dòng)微分方程組，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算。數(shù)值計(jì)算以最簡(jiǎn)單的雙轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)為例，比較了在附加不同形式阻振質(zhì)量情況下結(jié)構(gòu)總的結(jié)構(gòu)聲能量傳遞損失。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是否附加阻振質(zhì)量雙轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)聲傳遞損失隨頻率都有較大的波動(dòng)，且其極大與極小值對(duì)應(yīng)于有限長(zhǎng)中間板的共振及反向共振頻率。同時(shí)，附加在雙轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)中的阻振質(zhì)量仍然能保持其在單轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)中的阻波特性，在高頻區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)聲的傳遞有較好的抑制效果。本文利

10、用一個(gè)模擬船舶機(jī)艙段的簡(jiǎn)化多轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了測(cè)試，比較了附加或者無(wú)阻振質(zhì)量的雙轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)在八個(gè)1/1倍頻帶上平均的結(jié)構(gòu)聲能量傳遞損失。由于同時(shí)對(duì)空間多點(diǎn)及頻域的進(jìn)行了平均處理，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論值變化趨勢(shì)一致且在數(shù)值上也較為吻合。 本文將附加雙阻振質(zhì)量的單轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)看作是雙轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的特殊情況，利用結(jié)構(gòu)聲在多轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)中的傳遞規(guī)律，計(jì)算了附加雙阻振質(zhì)量及等重量單阻振質(zhì)量的結(jié)構(gòu)聲能量傳遞規(guī)律。比較發(fā)現(xiàn)，附加雙阻振質(zhì)量的單轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的傳遞損失隨

11、頻率的變化趨勢(shì)與附加單阻振質(zhì)量的情況相似，但其數(shù)值因兩質(zhì)量間的有限長(zhǎng)板的共振情況而有較大波動(dòng)。對(duì)于彎曲波入射而言，無(wú)論第二阻振質(zhì)量在轉(zhuǎn)角前還是后，附加雙阻振質(zhì)量情況下的結(jié)構(gòu)聲傳遞損失都要比附加等質(zhì)量單阻振質(zhì)量的情況在高頻區(qū)大。而對(duì)于縱波入射而言，只有第二阻振質(zhì)量附加在轉(zhuǎn)角后的情況下，雙阻振質(zhì)量才能比等質(zhì)量單阻振質(zhì)量獲得更高的傳遞損失。 論文第六章對(duì)在轉(zhuǎn)角連接線上利用二次控制力與力矩進(jìn)行結(jié)構(gòu)聲主動(dòng)控制作了理論分析。參照被動(dòng)阻波技術(shù)

12、的研究中由單轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)至多轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的過(guò)程，將總的結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度場(chǎng)看成是入射波引起的初級(jí)速度場(chǎng)和二次控制力與力矩引起的二次速度場(chǎng)的疊加，利用無(wú)量綱系數(shù)建立結(jié)構(gòu)波分量間的平衡方程，統(tǒng)一了兩速度場(chǎng)的求解。最后給出了單轉(zhuǎn)角及多轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)中最佳控制力與力矩的求解方法，論證了結(jié)構(gòu)聲主動(dòng)控制的可行性。 本文的研究不僅揭示了結(jié)構(gòu)聲在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的主要傳遞規(guī)律，而且論證了各類阻波方法對(duì)結(jié)構(gòu)聲傳遞的抑制作用，從而為船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計(jì)提供了理論