声腔结构中频声振耦合建模研究及不确定性影响分析

摘要

众所周知，任何复杂的机械系统都可以被视为由诸多不同子系统组合而成。由于系统的各个组成部分在制造材料、结构和尺寸方面的差异性，就导致了系统局部结构间动态特性的差异性，从而使得整个系统结构的振动在相当广的频率区间内表现出由模态密度较低子结构产生的长波变形和由模态密度较高子结构产生的短波变形同时并存的复杂混合振动特征。学术界因此将系统振动中局部低频振动与局部高频振动同时并存的复杂振动情况笼统的定义为系统的“中频振动”。而在此频段内，传统的有限元法、边界元法和统计能量分析法均在一定程度上丧失了计算的准确性及有效性。因此，复杂组合系统中频振动问题一直是学术界主要研究课题之一。
　　由于复杂组合系统的子系统在制造、装配和测量等过程中不可避免地存在着误差，正是由于这些微小误差的存在而引起了系统的不确定性。在大多数情况下，这些不确定性数值较小。但是，随着频率的升高，系统的动态特性对参数的变化越来越敏感，不确定性对系统的整体动态特性影响也逐渐增大;此外，许多不确定性因素耦合在一起，可能导致实际声振耦合系统响应产生较大偏差，甚至出现反相现象。目前，对不确定性的建模研究主要还是局限于系统的非参数不确定性，而针对模型不确定性对系统响应的影响及量化研究较少。此外，不确定数值分析与优化方法的研究主要集中在不确定结构领域，其在声-固耦合系统领域的研究尚处于起步阶段。
　　本文在江苏省科技支持计划项目(BE2014133)、江苏省产学研前瞻性联合研究项目(BY2014127-001)及东南大学水声信号处理教育部重点实验室开放性基金项目(UASP1301)的资助下，针对声腔结构的典型中频声-振问题及不确定性因素对声腔结构动力学响应分析进行了深入研究，并取得了一些有意义的结论。该研究结果对声腔结构及类声腔结构的中频声-振设计及腔内噪声的控制有重要的理论意义及实用价值。本文的主要研究内容及创新点如下:
　　(1)推导了混合模型的建立过程及求解过程，详细介绍了Hybrid finite elementstatistic energy analysis method（混合FE-SEA方法）的理论原理，并对混合FE-SEA方法的使用前提假设做了说明。以典型中频框架-板系统为研究对象，建立了混合FE-SEA模型。通过引入参数不确定性分别研究了结构动态特性不确定性、连接边界不确定性在确定激励下对混合模型计算结果的影响，得出了一些有意义的结论。
　　(2)针对具有不同边界条件的声腔结构的内损耗因子和耦合损耗因子不易获取等问题，提出了一种新的通过实验测量来确定各子系统的内损耗因子及子系统间的耦合损耗因子计算方法。研究了具有不同边界条件的矩形声腔损耗因子的获取方法，该方法通过测量系统子结构总损耗因子以及子系统间的能量比，可直接同时计算内损耗因子和耦合损耗因子。该方法无需做任何条件简化，计算结果能更全面反应子系统的损耗特性。
　　(3)基于中频混合理论建立了带孔隙隔声结构传递损失的Diffuse acoustic fieldSemi-infinite field(DAF-SIF)预测模型，研究了带孔隙隔声结构的声传递特性，并与解析结果进行了对比分析。研究了不确定性对带孔隙板隔声性能的影响特性，分析了结构在不同边界条件、不同开孔率及是否密封条件下的声传递特性，为工程上隔声设计及噪声治理提供理论基础。
　　(4)提出了一种基于随机矩阵理论的建模方法，详细介绍了非参数不确定模型的建模原理及过程，研究分析了非参数不确定性对声-振耦合系统的中低频响应影响。该方法在耦合系统有限元的基础上，通过引入随机矩阵来描述系统中质量阵、阻尼阵和刚度阵的不确定性，进而可以从根本上分析量化非参数不确定性对系统响应的影响。基于随机响应的置信区间分析方法，通过数值算例分析了一般声-固耦合系统在结构刚度为不确定因子时对系统声-振响应的影响。本文研究工作将为不确定声-固耦合系统的分析与优化提供有效方法，具有重要的理论意义与应用价值。
　　(5)基于混合FE-SEA方法建立某工程机械驾驶室的混合模型，对驾驶室内的中频噪声进行了预测及分析，并通过实验对模型准确性进行了验证。针对驾驶室模型中内损耗因子及耦合损耗因子等参数存在的不确定性（风挡玻璃本身是夹层结构，且与周围结构之间存在粘弹性介质连接;板结构与驾驶室框架之间的焊连接），本文利用第三章中提出的相关计算理论，用虚拟实验的方法计算了玻璃子系统的内损耗因子及耦合损耗因子。用实验测量的方法获取了模型机械激励及空气声激励。建立了驾驶室内半无限流场模型，分析并量化了各板件结构对驾驶室内声压的贡献量。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 中频振动的界定

1．3 中频振动方法的研究现状

1．3．1 低频方法的中频延伸

1．3．2 高频方法的中频延伸

1．3．3 混合法

1．4 声振耦合分析中的不确定性

1．4．1 不确定性的主要类型

1．4．2 不确定性的研究进展

1．5 国内外研究现状总结

1．6 论文研究内容及安排

第二章 基于混合模型的参数不确定性结构中频振动分析

2．1 概述

2．2 混合FE-SEA方法理论基础

2．2．1 直达场与混响场

2．2．2 FE子系统动力学方程

2．2．3 SEA子系统的能量平衡方程

2．3 混合FE-SEA模型的主要参数

2．3．1 子系统模态密度与模态叠合系数

2．3．2 子系统的内损耗因子

2．3．3 子系统的耦合损耗因子

2．4 参数不确定性对中频振动响应的影响分析

2．4．1 结构动态特性不确定性对混合模型计算的影响

2．4．2 耦合点不确定性对中频振动的影响分析

2．5 小结

第三章 基于实验的不同边界声腔结构损耗因子计算方法

3．1 引言

3．2 不同边界声腔结构的损耗因子计算理论基础

3．2．1 研究对象

3．2．2 理论原理

3．3 基于理论计算损耗因子的实验研究

3．3．1 实验模型及方案设计

3．3．2 实验设备及实验过程

3．3．3 实验数据计算与分析

3．4 小结

第四章 基于混合模型带孔隙隔声结构的声传递特性分析

4．1 引言

4．2 带孔隙板的隔声性能计算

4．2．1 声传递损失(Sound transmission loss)

4．2．2 单层板声传递损失理论基础

4．2．3 板的隔声性能影响参数

4．2．4 孔隙的声传递损失计算

4．2．5 带孔隙隔声板的声传递损失计算

4．3 基于混合模型的孔隙板声传递特性分析

4．3．1 带孔隙隔声结构的声传递损失计算

4．3．2 带孔隙隔声板的声传递特性分析

4．3．3 不确定性对孔隙板声传递特性的影响分析

4．4 小结

第五章 声-固耦合系统的非参数不确定性建模研究

5．1 概述

5．2 声-固耦合系统的运动方程

5．3 声-固耦合系统的模态分析

5．4 声-固耦合系统的非参数不确定性建模

5．4．1 随机矩阵的概率统计特性

5．4．2 声-固耦合系统的随机矩阵模型

5．4．3 随机响应的收敛性及置信区间分析

5．5 数值算例

5．6 小结

第六章 基于混合方法的工程机械驾驶室中频结构声学预测

6．1 概述

6．2 驾驶室混合FE-SEA模型的建立

6．3 驾驶室混合模型参数的确定

6．3．1 驾驶室混合模型中的参数不确定性

6．3．2 驾驶室混合模型参数的获取

6．4 驾驶室混合模型的吸声处理

6．5 驾驶室混合模型的激励获取

6．6 驾驶室的中频结构声学预测

6．7 基于半无限流场(SIIi’)的板件声学贡献量分析

6．8 小结

第七章 全文总结与展望

7．1 论文成果及创新点

7．2 展望

致谢

参考文献

博士期间的研究成果