阻尼抑振降噪性能评估技术研究

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阻尼技术是振动噪声控制的有效方法,在航空、航天、航海、轨道交通等诸多工程应用中取得了显著的效果。但是随着应用领域的扩大,特别是水下大厚度声学覆盖层的广泛使用,阻尼计算、测试和评估等方面的理论研究较为滞后,这些问题的研究对减振降噪具有重要的意义。  首先,发展了谱有限元法,分析了水下自由阻尼结构的结构损耗因子特性,研究了其辐射损耗因子特性;根据谱有限元研究结果,讨论了背衬大小、形状以及加肋对阻尼测试结果的影响。研究发现:阻尼层中同时传递纵波和剪切波,纵波决定垂向位移,剪切波决定水平方向位移;自由阻尼结构的结构损耗因子同载荷激励起的波的类型有关,受边界反射波的影响较小;对于阻尼层较厚、材料阻尼较大的水下自由阻尼结构,辐射损耗因子占阻尼损耗因子的比例较小;面积、形状(平板、圆柱)、加肋对水下自由阻尼圆柱壳的阻尼损耗因子影响较小,因此可以使用平板背衬进行测量。  然后,综合应用理论、试验和数值仿真的方法,研究了衰减法阻尼测试精度的影响因素,主要包含频段内多模态导致的多段衰减、频段外模态能量泄露、滤波器本身的阻尼特性等。研究表明:当不考虑频段外模态影响时,频段内各模态的模态阻尼差异决定衰减法阻尼测试精度,差异越小,精度越高;频段外模态的衰减率越小、幅值越大、距离越接近该频段,其对衰减法阻尼测试精度的影响越大;滤波器自身的阻尼特性导致可测损耗因子存在上限值,使用反向滤波技术大大提高了该上限值。  第三,在阻尼计算和测试的基础上研究阻尼结构减振降噪性能的评估问题,分三种不同情况进行了讨论:  (1)使用有限元数值仿真方法,对阻尼特征值评估方法的适用性和局限性进行了讨论,研究发现:如果阻尼处理在较大程度上改变振动系统固有特性,那么阻尼特征值评估方法存在一定局限性,这时需要对刚度、质量、阻尼、温度、频率等指标进行综合考虑;对于真空中阻尼层较薄的自由阻尼结构,阻尼特征值可以用来评价结构振动的大小;对于水下只有阻尼层材料阻尼存在较大差异的自由阻尼结构,阻尼特征值可以比较准确描述抑振降噪性能;对于水下阻尼层杨氏模量或者厚度存在较大差异的自由阻尼结构,阻尼特征值不能用于评估其抑振降噪性能;  (2)针对敷有大厚度声学覆盖层的水下平板的振动和声辐射问题,使用三维弹性理论建立了“结构-阻尼材料-流体”声振耦合模型,使用数值仿真方法探讨了水下大厚度声学覆盖层结构的结构参数大范围变动对振动和声辐射的影响规律。研究表明:当大厚度声学覆盖层结构参数在大范围内变化时,结构参数对声振参数的影响规律非常复杂;声振参数随声学覆盖层杨氏模量或厚度变化存在一系列峰值和谷值;  (3)提出了优于阻尼特征值评估方法的水下大厚度声学覆盖层的抑振降噪性能评估方法。对于低频情况,提出一种缩聚有限元-边界元方法,利用有限元方法中已经技术成熟的动态子结构等方法,将潜艇巨大的自由度数目缩聚到声学覆盖层外表面节点相互之间的传递导纳矩阵,以及激励点到声学覆盖层的输入导纳向量,通过该传递导纳矩阵以及输入导纳向量,同边界元法产生的声辐射阻抗矩阵耦合,从而计算声辐射功率。对于高频情况,提出一种基于小试件声振实验数据和声振参数缩比率的新评估方法。该方法借助统计能量分析概念和理论公式,将声辐射问题转化为基底层振级、振级落差、声辐射效率三个子问题,分别研究其缩比率,综合得到声辐射功率的缩比率,根据该缩比率以及小试件声振试验测得的声辐射功率,计算大试件声辐射功率;  最后,以列车竹地板为例,讨论了多层复合板的隔声性能评估及阻尼应用,并进行了实验验证。研究发现:中间多孔吸声材料层的杨氏模量主要影响共振控制区域和吻合控制区域,杨氏模量越小,吻合区隔声性能越好,对质量控制区域的影响很小;提高材料阻尼,可以减弱共振和吻合频率区的声能透射,从而提高隔声量。
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