基于压电片的水中结构声辐射主动控制模拟研究

摘要

智能结构应用在结构振动声辐射控制领域内，是当前的研究热点问题，在大空间结构适应复杂环境的运行中己得到应用，而水下结构声辐射的主动控制研究，具有重要的理论意义和应用前景。基于数值模拟对舰船结构进行振动噪声的设计控制，能使舰船结构具有良好的动态特性，满足舰船低振动、低噪声的设计要求，而对水下结构振动声辐射主动控制的深入研究，应能够很好的解决舰船结构的振动噪声问题。压电材料作为一种新型的智能材料，以其良好的机电耦合特性，在结构振动声辐射的主动控制领域得到了广泛应用。 本文首先介绍了压电材料的基本特性，给出了压电材料的本构方程，以及压电材料在结构振动声辐射主动控制中的应用。其次将无界静止流域中结构表面声压的积分方程，采用边界元方法进行离散，并与结构有限元相耦合，得到了流体－结构耦合自由振动方程。然后根据Hamilton原理，基于Mindlin板弯曲理论，建立了含压电片结构的二维有限元分析模型，同时也给出了压电片作为传感器的传感方程和作为作动器的作动方程，另外，根据压电材料的机电耦合特性，推导出了压电作动器的驱动电压到梁位移响应的频响函数，得出了压电片的最佳布置位置在梁的最大应变处。再将有限元方程同基于Rayleigh积分的边界元方程相结合，采用速度负反馈控制方法，建立了水下含压电片结构的声辐射主动控制模型。最后，通过数值模拟，对压电片位置进行改变，讨论了在空气中和水中对结构声辐射的控制效果影响，得出空气中压电片应布置在结构应变最大处，在水中的布置位置与空气中并不相对应，讨论了控制增益和作动电压的关系，改变控制增益可以改变控制效果，但应在一定范围内选取，使得作动电压不得超过压电片的最大可承受电压。另外，针对同一板模型，通过分别使用压电片和压电层对结构声辐射的控制效果对比，得出使用压电片的控制效果要好于使用压电层，并且在结构表面布置压电片对结构固有频率的影响要远远小于压电层对结构固有频率的影响，因此，压电片的实际应用价值更高。

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1论文的目的和意义

1.2结构声主动控制的研究和发展

1.3智能结构振动主动控制技术研究的国内外现状

1.4本文的主要研究内容

2压电材料

2.1压电材料简介

2.1.1压电材料压电性的物理机理

2.1.2压电材料的压电效应

2.2压电材料的基本方程

2.2.1本构方程

2.2.2三维问题

2.2.3平面问题

2.3压电材料的材料常数

2.4压电材料在结构振动声辐射中的应用

3结构振动声辐射的基本理论

3.1引言

3.2声学基本方程

3.3结构声辐射和声散射计算的边界元法

3.3.1 Helmholtz声学边界积分方程

3.3.2边界积分方程的离散

3.3.3奇异积分的处理

3.3.4特征频率问题的处理

3.3.5场点声压、辐射声功率和辐射效率的计算

3.4流体加载下结构振动声辐射计算的理论

3.4.1结构有限元与流体边界元的耦合方程

3.4.2声场—边界元方程

3.4.3结构—声场耦合方程和声辐射

4压电智能结构理论

4.1引言

4.2压电智能结构的有限元建模

4.2.1有限元模型的基本假设

4.2.2有限元模型

4.3压电智能结构的振动主动控制

4.3.1控制机理

4.3.2压电片布置方案

5水下压电智能结构声辐射的主动控制模拟研究

5.1引言

5.2水下压电智能结构声辐射的主动控制模型

5.3数值模拟

5.3.1压电悬臂梁的固有频率

5.3.2 双压电晶片悬臂梁自由端挠度

5.4数值算例及讨论

5.4.1悬臂梁

5.4.2四边简支板

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢