浅腔噪声和尾迹声共振现象的机理及影响研究

摘要

气动噪声是汽车、机车等交通工具运行过程中的主要噪声之一，浅腔噪声和绕流噪声作为气动噪声的主要形式，其机理研究也逐渐受到重视。流过浅腔结构的高速气流在满足一定的气动声学条件时，浅腔结构周围会产生强烈的气动噪声，高速气流在流过障碍物时会在其后方产生周期性的涡脱落现象，从而引发气动噪声的产生。当气动噪声的声压级较大时，某些机械结构也存在着失效的风险。本文将基于计算流体力学和声学类比方法对浅腔噪声和绕流噪声的机理和频谱特征进行研究，并寻求能够降低噪声载荷下机械结构响应的方法。主要研究内容和结论如下：
　　(1)通过大涡模拟和声学类比的方法分析了二维浅腔结构内流体的自激振荡过程，和其对应的声场分布。气体经过浅腔时的振荡过程是由于浅腔内部涡结构周期性的生成、破碎和消失引起的，涡结构周期性变化的频率即腔体内流场波动的频率，也是腔体周围气动噪声的主要频率。基于此，研究了浅腔结构和气流速度对流场和声场的影响，气流速度的增大在提高流场自激振荡频率的同时还会提高流场周围噪声的强度并且使噪声主要频率增大;当浅腔结构过长或过深时，流场将不存在自激振荡现象，噪声中也不再存在某些定频峰值。
　　(2)采用声学有限元和数值模拟的方法分析了包含板件腔体的声模态、气流绕板件时的流场分布和噪声特征。分析结果表明，尾迹后方流场分布是由尾部两侧涡结构的周期性脱落引起的，板件尾迹所产生的噪声在频域上具有尾迹流场的频率成分和第五阶声模态频率。
　　(3)基于文中对两种典型气动噪声机理的研究，使用Monte-Carlo方法模拟了噪声载荷的时域信号，建立了钛合金薄板及其粘弹性约束层阻尼处理后的有限元模型，结合有限元方法分析了薄板在高强度噪声载荷作用下的振动响应，并对比粘弹性阻尼添加前后的动力学响应分析了噪声环境下的粘弹性阻尼薄板的减振性能。研究结果表明，粘弹性约束层能改变钛合金薄板的固有频率，能够降低噪声载荷引起的薄板位移和应力响应。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 研究现状

1．2．1 浅腔自激振荡噪声研究现状

1．2．2 尾迹噪声研究现状

1．2．3 噪声载荷下的减振技术现状

1．3 本文的主要工作

2 流体动力噪声相关理论

2．1 声学基本方程

2．2 大涡模拟方法

2．2．1 大涡模拟基本原理与步骤

2．2．2 滤波器

2．2．3 亚格子应力模型

2．3 声学类比方法

2．3．1 Lighthill方程

2．3．2 Lighthill-Curle相似理论

2．3．3 FW-H声波波动方程

2．4 蒙特卡罗方法

2．5 本章小结

3 浅腔结构的噪声分析

3．1 浅腔结构及边界条件

3．2 浅腔内流场分析

3．2．1 浅腔内部流场的演化过程

3．2．2 浅腔内部的速度及压力分析

3．3 浅腔结构的声谱特征分析

3．4 气流速度对浅腔噪声的影响

3．5 几何结构对浅腔噪声的影响

3．5．1 浅腔深度对浅腔噪声的影响

3．5．2 浅腔长度对浅腔噪声的影响

3．6 本章小结

4 板件尾迹引起的声腔共鸣分析

4．1 空腔声模态分析

4．2 尾迹流场分析

4．2．1 尾迹流场分析的边界条件

4．2．2 流场分析

4．3 声学分析

4．4 本章小结

5 噪声激励下粘弹性阻尼板的动力学分析

5．1 噪声载荷的表达

5．1．1 白噪声信号的表达

5．1．2 浅腔噪声信号的表达

5．2 约束层阻尼钛合金薄板有限元建模

5．3 约束层阻尼钛合金薄板模态分析

5．4 噪声载荷作用下钛合金薄板振动响应分析

5．4．1 白噪声下的动力学响应

5．4．2 浅腔噪声下的动力学响应

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢