一种结构高频机械噪声在线预报方法

摘要

本发明公开了一种结构高频机械噪声在线预报方法，属于噪声预报技术领域。该方法包括：针对工程实际结构建立合理有效约束载荷统计能量分析模型；利用所建立统计能量分析模型获取各受激子系统质量数据；通过测试获取各受激子系统振动响应数据；结合质量与响应数据计算各受激子系统能量数据；根据模型获取各受激子系统对应辐射声功率能量机械导纳数据；最后计算得到结构辐射声功率，完成在线预报。本发明的有益效果是：利用系统传递导纳不变性，实现了从载荷到辐射声功率的快速计算，解决以往算法耗时较长问题，实现了结构机械噪声的快速预报。本发明精度可观，耗时较短，可应用于在线预报工程实际，有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及噪声预报技术领域，具体为一种结构高频机械噪声在线预报方法。

背景技术

统计能量分析把研究对象从用随机参数描述的总体中抽取出来，忽略被研究对象的具体细节，关心的是时域、频域和空间上的统计平均值，方法同时采用了能量的观点，为解决复杂系统宽带高频动力学问题提供了一个有力工具。

统计能量分析可用一基本方程表征，即功率流平衡方程，方程给出了方法基本的统计思想，也给出了该思想下系统间的输入输出关系。

经典统计能量分析理论中，系统载荷为子系统外界输入功率。目前，对于激励源输入功率的获取在实验室环境下有一定精度，但也仅仅局限于点源激励。对于工程实际结构，由于受激状况复杂、形式多样，可能是点激励、线激励及面激励，且物理、化学及声振环境恶劣，激励设备与结构间通常没有传感器安装条件，导致受激结构功率输入情况无法获取，结构声振环境预报工作开展遇阻。目前，常用的载荷定义方式主要分为四大类：输入功率、力、声和约束载荷激励。对于输入功率载荷，可直接利用统计能量分析基本公式完成结构声振分析。对于力或声激励，则可通过相关公式直接计算得到受激结构输入功率，然后进一步利用基本公式开展分析计算。而对于约束载荷，其主要包括：加速度、速度及能量等。目前，约束载荷下结构声振环境预报研究比较成熟，且激励设备安装附近区域振动响应提取相对容易，较输入功率、力及声载荷应用更为普遍。现有高频声振环境预报技术精度已相当可观，由于实际模型通常较为复杂，即使现有计算方法耗时较以往有了大幅缩短，但模型求解时间仍远远超出了在线预报的时效性要求，无法实现结构高频辐射噪声的实时监测。

发明内容

为解决现有机械噪声预报耗时过长，不能实现在线预报的问题，本发明在经典统计能量分析原理基础上，提出了一种复杂激励下结构高频机械噪声在线预报方法。

本发明的流程框图如图1所示，框图给出了本发明基本分析流程。本发明技术方案主要包括如下步骤：

步骤1：建立合理有效的约束载荷结构统计能量分析模型。首先，根据统计能量分析子系统划分基本原则，对模型进行合理的子系统划分。进一步，在子系统划分的基础之上，获取各子系统间耦合关系。进而，结合各子系统损耗特性得到功率流平衡方程损耗矩阵。最后，根据实际激励情况在相应子系统施加约束载荷，利用公式

完成结构约束载荷统计能量分析模型建立，模型包含n个子系统。其中，E_i为子系统i能量响应，i＝1…n，η_ij为子系统i与子系统j之间的耦合损耗因子。当j＝i时，η_ii表示子系统i内损耗因子。

步骤2：获取模型各受激子系统质量数据。在步骤1所建统计能量分析模型中，根据受激子系统几何及材料参数确定其质量。对于考虑流体负载统计能量分析模型，由于流体负载作用效果与频率相关，该情形下各受激子系统质量为一频率相关数组。

步骤3：获取模型各受激子系统振动响应数据。步骤1中模型载荷数据为受激子系统振动响应数据，通过测试获取，一般为加速度数据。利用步骤1载荷数据，根据转换关系得到子系统平均速度振动响应。

步骤4：获取模型各受激子系统振动能量响应数据。利用公式

E＝mv²

将步骤2获取的质量及步骤3获得的速度平方振动响应相乘，得到各受激子系统能量响应。式中，E、m、v分别为子系统振动能量、质量及速度。

步骤5：获取模型各受激子系统对应辐射声功率能量机械导纳数据。子系统i对应能量机械导纳，为子系统i单位能量约束载荷，其它受激子系统j零能量约束载荷作用下，声场辐射声功率值。其中，i＝1…r，j＝1…r且j≠i。采用公式

获得各子系统对应辐射声功率能量机械导纳H_noise，i。式中，E_i，unit＝1，表示子系统i单位能量约束载荷；E_j，zero＝0，表示子系统j零能量约束载荷；为子系统i单位激励，子系统j零能量输入条件下结构辐射声功率；H_noise，i为子系统i对应结构辐射声功率能量机械导纳。

步骤6：完成辐射声功率在线预报。将步骤4中获取的受激子系统振动能量及步骤5中获取的能量机械导纳数据代入预报公式

$P_{\mathrm{noise}}=\underset{i=1}{\overset{r}{\Sigma }}{E}_i{H}_{\mathrm{noise},i}$

计算得到结构辐射声功率，完成预报工作。

本发明的有益效果是：本发明以统计能量分析理论为基础，提出了一种在统计能量分析概念下的机械传递导纳概念-能量机械传递导纳。对于给定的分析系统，其能量传递矩阵为一常量。本发明利用系统传递导纳不变性实现了结构受激载荷到辐射声功率之间的快速计算，解决以往算法耗时较长问题，实现了结构机械噪声的快速预报。本发明精度可观，耗时较短，可应用于在线预报工程实际，有广阔的应用前景。

附图说明

图1：本发明的流程框图；

图2：实施例中双层圆柱壳结构示意图；

图3：实施例中受激子系统载荷数据；

图4：实施例中受激子系统能量机械导纳数据；

图5：实施例中结构辐射声功率预报与测试数据。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明。

本实施例中以两实际设备激励双层圆柱壳体为模型，图2给出了试验测试用结构示意图，试验中，试件完全浸没于水中，内壳底部受到两激振设备的同时激励，试验中主要完成对壳体结构振动响应的提取，为模型声辐射预报提供载荷数据。本实施例采用以下步骤完成结构辐射声功率预报：

步骤1：根据实际双层结构建立相应统计能量分析模型。首先，根据统计能量分析子系统划分基本原则将模型划分为内壳、外壳，端板、实肋板、内壳声空腔、内外壳间声空腔及外流体场子系统。同时，各子系统定义相应内损耗因子及考虑流体负载作用。进一步，根据各结构间连接关系，建立子系统间耦合关系，如空腔与结构间的面耦合、结构与结构间的线耦合等等。最后，根据实际激振设备安装情况在相应子系统施加约束载荷，其中载荷数据为试验实测加速度数据。至此，完成了对结构统计能量分析模型的建立。图2中标示出了模型激振位置，为方便描述，我们分别称左侧受激结构为子结构1，子系统质量、速度平方振动响应及振动能量分别用m₁、E₁表示。同样，称右侧受激结构为子结构2，对应有参数m₂、E₂。而模型载荷数据如图3所示，该数据为试验实测数据。

步骤2：根据实际模型几何及材料参数，计算得到各受激子系统原始质量。同时，由于模型完全浸没于水中，流体负载作用明显，因此子系统质量还应考虑流体负载影响，称之为附加质量。综合子系统原始质量及流体作用附加质量，最终获取系统各受激子系统质量数据。

步骤3：根据图3中各受激子系统加速度约束载荷数据，利用加速度与速度之间的转换关系，得到系统受激子系统速度平方振动响应数据。

步骤4：利用子系统能量计算式，结合子系统质量及振动响应数据，计算得到模型受激子系统振动能量数据。

步骤5：根据能量机械导纳表达式，将子结构1振动能量约束载荷设置为1J，同时将子结构2振动能量约束载荷设置为0J，利用约束载荷统计能量分析基本公式，计算得到结构辐射声功率及传递导纳H_noise，1获取系统能量机械导纳数据。同样，子结构1加载0J，子结构2加载1J振动能量约束载荷，可得到传递导纳H_noise，2。整理各频率子结构1、2对应辐射声功率能量机械导纳数据如图4所示。

步骤6：在各受激子系统振动能量及能量传递矩阵已知的情况下，代入声辐射预报公式，得到模型声辐射预报结果表达式为

E_noise＝E₁H_noise，1+E₂H_noise，2

将相应数据代入上式，即可完成结构高频机械噪声预报，预报及测试结果对比如图5所示。