声学耦合空间建模方法及其特性研究

摘要

结构与声腔之间的耦合，声腔与外界声场之间的耦合及声腔与声腔之间的耦合作为声学耦合空间系统三大耦合类型，一直是船舶舱室噪声控制和设计领域研究的重要课题。复杂的耦合边界对声学耦合空间系统声振特性有着严重的影响，对声学耦合空间系统开展理论方法建模，耦合机理，声振特性方面的研究具有重要意义和理论价值。本文对声学耦合空间系统的理论方法建模和声振特性进行了系统的研究。现将本文的研究内容简述如下：
　　建立了弹性板-封闭声腔耦合系统理论模型，采用能量原理分别对双层弹性板-封闭声腔耦合系统和双层板加筋结构-封闭声腔耦合系统进行描述，利用Rayleigh-Ritz方法求解未知的傅立叶系数。验证了弹性板-封闭声腔耦合系统模态和声振响应的正确性。对双层弹性板-封闭声腔耦合系统进行了参数化研究，研究表明封闭声腔深度、弹性板边界条件、声腔内边界阻抗及声腔内声介质等条件对双层弹性板-封闭声腔耦合系统声振特性具有重要影响。
　　提出了三维开口声腔建模方法，建立了开口声腔结构的声压分布模型。采用能量原理对开口声腔进行描述，本文从声腔开口处声压和振速对外界声场所做的功，以及开口边界处辐射声压对声腔内部所做的功，两种做功的方式真实描述了开口声腔内部与外部声场的耦合方式。在处理辐射声压对内部声场做功过程中，本文采用了Gauss-Legendre数值积分方法处理做功表达式中的四重积分，提高了声压求解速度。利用Rayleigh-Ritz方法求解声激励响应下未知的傅立叶系数。对三维矩形开口声腔声压响应进行了实验测试和数值仿真，验证了本文方法预测三维矩形开口声腔系统声压响应的准确性。对三维矩形开口声腔系统进行了数值研究，研究表明，声腔壁面阻抗和开口面积对三维矩形开口声腔声压分布具有重要影响。
　　建立了弹性板-三维开口声腔耦合系统声振模型，建模过程中考虑内部声腔与弹性结构耦合，声腔与外界声场耦合，外界声场与弹性板耦合三种耦合方式及弹性板通过开口界面处辐射声压对内部声腔产生反作用。开口界面处辐射声压由声腔开口处质点振动所引起的辐射声压和弹性板结构振动所引起的辐射声压两方面所组成。采用能量原理对弹性板和三维局部开口声腔进行描述。利用Rayleigh-Ritz方法求解声激励响应下未知的傅立叶系数。对弹性板-开口腔耦合系统进行了数值仿真，验证了本文方法预测弹性板-开口腔耦合系统声振响应的准确性。对弹性板-开口腔耦合系统进行了数值研究，结果表明，边界条件，开口尺寸及声腔体积对弹性板-开口腔耦合系统能量及声振特性具有重要影响。
　　提出了耦合空间建模方法，建立了耦合空间声学分析模型。利用能量原理对耦合空间各个子空间进行描述，在建立子空间拉格朗日函数过程中，耦合空间之间的能量交流采用耦合开口处声压差与速度乘积在开口面上积分的形式来表达。利用Rayleigh-Ritz方法求解未知的傅立叶系数，最终求得耦合空间模态分布情况。对耦合空间声压响应和声压模态分别进行了实验测试和数值仿真，验证了本文方法预测耦合空间模态及声压响应的准确性。从耦合类型及耦合开口尺寸研究和分析了耦合空间模态分布特性。
　　建立了声源激励下耦合房间能量及声强向量场分布模型，利用能量方法对具有典型代表性局域模态和非局域模态频率下的弱阻尼耦合声腔的势能，动能和声强开展了系统的研究。数值计算结果表明模态振型对耦合房间的能量分布及声强分布具有重要影响。非局域模态频率下声腔势能，声腔动能及声强均匀地分布在耦合房间内，局域模态频率下声腔势能，声腔动能及声强集中分布在子房间内。

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第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 弹性板-封闭声腔耦合系统建模及特性分析

2.1 双层弹性板-封闭声腔耦合系统理论建模

2.2 双层弹性板-封闭声腔耦合系统方法验证及特性分析

2.3 双层板加肋结构-声腔耦合系统建模

2.4 双层板加肋结构-声腔耦合系统方法验证

2.5 本章小结

第3章 三维矩形开口声腔的建模方法

3.1 理论推导

3.2 数值结果和讨论

3.3 本章小结

第4章 弹性板-开口腔耦合系统建模及声振特性研究

4.1 理论推导

4.2 方法验证和数值研究

4.3 本章小结

第5章 耦合空间建模及声学特性分析

5.1 理论推导

5.2 方法验证与算例研究

5.3 本章小结

第6章 耦合房间的能量分布特性研究

6.1 耦合房间的理论建模和求解

6.2 算例结果和分析

6.3 本章小结

第7章 声学耦合空间系统相关实验

7.1 三维矩形开口声腔实验

7.2 耦合声腔实验

7.3 本章小结

结论

1 全文总结

2 创新点

3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢