基于瞬态边界元法的铁路车轮声辐射研究

轨道车轮的振动声辐射瞬态特性分析能够直观反映车轮结构的时域振动响应和时域声辐射特性.利用有限元/瞬态边界元法的计算机仿真技术,对S形辐板车轮在时域下进行振动及声辐射特性分析.研究结果表明:踏面和辐板的轴向位移响应级基本一致,且轮辋和辐板之间轴向振动存在耦合关系;踏面、轮辋和辐板轴向位移响应级的变化趋势一致,具有类似于"拍"的周期特性;在车轮轴线上距离车轮30m处的声压集中在60~80dB,且随时间的增加整体缓慢上升,再趋于平稳;声压主要分布在3 500Hz以下的频段.研究结果为瞬态声辐射仿真技术在车轮振动声辐射特性研究中的应用提供参考.     

高速铁路箱梁桥-声屏障结构振动噪声初探

声屏障是轨道交通重要的降噪措施之一,但在列车经过时声屏障同样会产生振动成为向外辐射噪声的声源.以内折型声屏障为研究对象,将其简化为适用于声学计算的板壳单元,通过建立高架线路结构的有限元模型,以中国高速铁路无砟轨道谱作用下的声屏障以及箱梁桥-声屏障的动力学响应作为声学边界条件,基于有限元-边界元理论分别求解单独声屏障和箱梁桥-声屏障的声辐射特性,初步探究了声屏障对高架路段结构声辐射的影响,在此基础上进一步考虑了地面反射的作用.研究结果表明:声屏障的振动形式主要表现为水平局部振动以及垂向整体振动,水平局部振动对自身结构噪声辐射的影响最大,其结构噪声集中在0～180 Hz的低频段,与桥梁结构噪声频率范围重合度较高;桥梁上安装声屏障后的振动分布发生明显地改变,使得声压在部分频段内降低,周围声场的分布也发生了明显变化而且总体上声压增加了1～2 dB;刚性地面的反射会使整个声场的声压增大,声压增加值最大可达5 dB.因此,声屏障对高架线路的整体结构声辐射能够产生很大的影响,考虑地面反射的作用后更加显著.     

各种典型边界FGM矩形板面内自由振动的二维弹性分析

为获得功能梯度材料（FGM）矩形板面内自由振动的动力学响应,基于二维线弹性理论建立了功能梯度材料矩形板面内自由振动的控制微分方程.采用微分求积法（DQM）数值研究了9种典型边界下FGM矩形板面内自由振动的频率特性,分析了边界条件、长宽比及梯度指数对自振频率的影响.分析结果表明:通过设置梯度指数为0,将FGM矩形板退化为各向同性矩形板,与已有各向同性矩形板的文献结果进行比较,表明了DQM的适用性和精确性;9种边界下长宽比对FGM矩形板基频的影响不同,基频随长宽比的增大而增大的板分别为:C-C-C-C板、SS2-C-SS2-C板、C-C-C-F板、SS1-C-SS1-C板、C-C-F-F板和SS1-SS1-SS2-SS2板;基频随长宽比的增大而减小的板分别为:F-F-F-F板与C-F-C-F板;SS1-SS1-SS1-SS1板发生剪切自锁现象,基频随长宽比的增大而基本保持不变;基频随梯度指数的增大而快速减小,梯度指数p 10时,基频变化不再明显.      

结构声辐射边界元声学灵敏度研究

声学灵敏度反应了结构振动引起的辐射声压与结构表面法向振动速度之间的关系.分析了基于边界元法的结构振动声辐射计算原理,推导了声学敏度.用有限元法计算结构动力学响应,以有限元法计算的结构振动速度为边界条件,基于边界元法计算结构振动幅射的声压及声压对振动速度的灵敏度.以一六面体的振动为研究实例,得到了其振动的外场声压及其对结构振动法向速度的灵敏度.结果表明声学灵敏度只与结构几何形状及设计域点的位置有关.     

结构声辐射边界元声学灵敏度研究

声学灵敏度反应了结构振动引起的辐射声压与结构表面法向振动速度之间的关系.分析了基于边界元法的结构振动声辐射计算原理,推导了声学敏度.用有限元法计算结构动力学响应,以有限元法计算的结构振动速度为边界条件,基于边界元法计算结构振动幅射的声压及声压对振动速度的灵敏度.以一六面体的振动为研究实例,得到了其振动的外场声压及其对结构振动法向速度的灵敏度.结果表明声学灵敏度只与结构几何形状及设计域点的位置有关.     

水中有限长功能梯度材料圆柱壳声辐射研究

研究了径向简谐集中力激励下的水中功能梯度复合材料有限长圆柱壳的振动和声辐射问题。从有限长功能梯度材料振动方程出发,利用模态叠加法,推导出了圆柱壳在径向集中力激励下,平面振动平均振速和声辐射效率表达式。通过数值仿真计算了不同梯度指数下圆柱壳的平均振速、辐射功率和辐射效率。为功能梯度材料圆柱壳声辐射的研究提供了一种有效方法。     

腹板开孔对轨道交通箱梁振动噪声的影响

实测了城市轨道交通简支箱梁各板件的振动与近场噪声, 结合板件声辐射理论研究了箱梁结构振动辐射噪声和箱梁振动的关系; 基于箱梁结构噪声易产生绕射的低频特性, 计算了矩形混凝土板件在不同开孔工况下辐射的结构噪声变化情况; 在考虑箱梁腹板开孔的基础上建立了车辆-轨道-箱梁耦合有限元模型和箱梁振动-结构噪声有限元-无限元模型, 分析了箱梁腹板开孔前后各板件的振动和结构辐射噪声变化情况。研究结果表明: 箱梁板件声辐射效率随频率的增加并不呈现线性关系, 箱梁各板件近场低频(低于250 Hz) 辐射噪声与结构振动加速度级也并非简单的线性关系, 箱梁辐射噪声由箱梁振动和箱梁各板件声辐射效率共同决定; 对于两端简支的开孔板件, 在开孔率基本一致(0.4%左右) 的情况下, 开孔直径越小, 板件振动辐射噪声声压级越小; 采用有限元-无限元方法模拟箱梁近场低频结构噪声, 既能解决单独采用有限元法时声场边界反射的影响, 也避免了采用有限元-边界元方法时多软件交叉使用的不便; 腹板开孔虽然增加了箱梁板件在某些频率(100~125 Hz) 处的振动响应, 但由于箱梁内、外部声场连通, 使得声短路效应增加, 降低了板件的声辐射效率和相应频段的噪声; 腹板开孔后在1~250 Hz频段内顶板、底板和腹板附近的总声压级分别降低了9.43、2.74和1.63 dB, 从而使箱梁结构噪声得到了控制。      

声辐射阻抗传感器元件设计与声阻抗测量实验研究

声辐射抗阻是声优化设计中的关键设计变量,但目前尚未有成熟商用传感器面市,各种测量方法皆处于实验室研究阶段,文中根据前期研究所得的用可测量——声压表达的声辐射阻抗计算公式,选择了实验中用以近似点声源腔的扬声器和测量结构表面及扬声器内声压的声压传感器．设计了声辐射阻抗传感器,选取了信号采集设备并搭建了实验系统,用该套测量系统测量了无限大障板上圆形活塞的声辐射阻抗,对比了无限大障板上圆形活塞自点表面声阻实验值和解析解,结果表明在1～3kHz频段实验值和解析解非常接近,通过进一步改进低频段的性能后,可使用该装置对复杂结构表面辐射声阻进行测量．     

基于背门约束系统的车内低频轰鸣声控制

汽车背门一般通过铰链、锁销、缓冲块等约束系统安装和固定在车身上,其刚体模态振动与车内声腔声压耦合,是导致低频轰鸣声的主要原因.本文建立了背门振动-乘员舱声压的一维板-腔耦合声学解析模型,分析研究了边界约束刚度对板件振动速度响应及腔内耦合声压的影响规律,并进行了实车实验验证;通过调节锁销相对位移和缓冲块相对高度,解决了某车型低频敲鼓声问题.分析结果表明：在板件刚体模态振动下,腔内耦合声压幅值沿远离板件方向逐渐增大,且在声腔底部位置最大;板件振动速度相应及腔内耦合声压峰值幅值随边界约束系统刚度减小而降低;在低频轰鸣发生的20～30 Hz频率范围内,乘员舱前排位置声压峰值幅值比中排及后排位置大约8 dB(A),验证了理论分析结果的正确性;乘员舱内耦合声压峰值幅值随着锁销相对位置的增大和缓冲块相对高度的减小而降低,锁销相对车身向车尾方向增大2 mm或者缓冲块相对高度减小2 mm,可以使背门振动速度减小约0.002～0.003 m/s,前排声压峰值幅值降低3.5～14.8 dB(A).     

中面受载阶梯式变厚度板的自由振动

采用Mindlin中厚板理论，基于Levy解法和微分容积法，给出一种求解轴向受压的阶梯式变厚度板的自由振动问题的半解析解，板的边界条件为两对边简支、另两边任意。首先利用Levy求解技术将厚板的控制微分方程转化为一维问题，然后根据板的不连续情况将其划分为若干一维单元，在每个单元内用微分容积法将控制微分方程离散成为一组齐次线性代数方程，在相邻的单元连接处应用位移连续条件和平衡条件，引入边界约束条件后得到一组关于各配点位移的齐次线性代数方程，由此可得到求解系统固有频率的特征方程。利用子空间迭代法求解特征方程，并给出了阶梯式矩形板在各种边界条件下的解，讨论了各种几何尺寸对固有频率的影响。     

潜艇螺旋桨直接辐射噪声的数值计算

采用计算流体力学与声学边界元方法相结合求解了潜艇尾部大侧斜螺旋桨的直接辐射噪声.与一般螺旋桨噪声计算不同的是,螺旋桨非定常计算时引入了潜艇尾部桨盘面的速度分布作为非均匀来流,能够提供更加真实的螺旋桨脉动压力源场.提取桨叶表面的声偶极源项后,采用边界元方法,求解FW-H方程,得到了螺旋桨空间测点的声压谱和总声级.桨盘面速度分布由全附体潜艇粘性流场数值计算得到,其可信性由艇体表面的压力系数与试验值的比较给予了验证.螺旋桨数值模型的可信性由敞水特性预报值与试验值的比较进行了验证.     

高速铁路桥梁全封闭声屏障结构噪声特性

开展了高速铁路桥梁和桥梁-全封闭声屏障典型结构断面的振动和噪声测试,建立了高速铁路桥梁-全封闭声屏障系统结构噪声的快速多极边界元法(FMBEM)数值预测模型,深入分析了板件的车致振动与结构噪声辐射的相关性和时频特性,并以此验证了FMBEM数值预测模型求解结构噪声的准确性;对比分析了有、无全封闭声屏障工况下32 m简支箱形梁桥结构噪声的空间和频域分布特性,并比较了FEBEM与边界元法(BEM)的计算效率。分析结果表明:桥梁-全封闭声屏障系统板件的振动与噪声的频谱分布规律基本一致;受全封闭声屏障隔声作用和梁体遮蔽作用的影响,距箱梁底板表面0.3 m处测得的噪声信号基本反映了底板的结构噪声特性,其余测点则不同程度地受到其他板件或轮轨系统辐射噪声的影响;计算与实测噪声的幅频特性吻合较好,峰值处计算误差在1.5 dB以内;全封闭声屏障的安装导致桥梁板件的振动和结构噪声均减小,也改变了桥梁周围的声场分布特性,桥梁板件表面场点的总声压级降低了0.8 dB,梁体下方地面场点总声压级增大了4.1~9.4 dB;梁体斜上方场点总声压级增大了9.6~18.1 dB,桥梁-全封闭声屏障结构顶部局部区域的结构噪声比无声屏障的桥梁大12.4 dB以上;FMBEM计算耗时为传统BEM的1/3,计算更为高效。      

Numerical study for turbulent flow of drag and flow noise with wavy wall

In this paper, a numerical simulation of flow-induced noise by the low Mach number turbulent flow with a sinusoidal wavy wall was presented based on the unsteady incompressible Navier-Stokes equations and Lighthill’s acoustic analogy. Large eddy simulation (LES) was used to investigate the space-time flow field and the Smagorinsky sub-grid scale (SGS) model was introduced for turbulence model. Using Lighthill’s acoustics analogy, the flow field simulated by LES was taken as near-field sound sources and radiated sound from turbulent flow was computed by the Curle’s integral formulation under the low Mach number approximation. Both spanwise wavy wall and streamwise wavy wall with various wall wave amplitudes were discussed to investigate their effects on reducing the drag and flow noise. The relationship between flow noise and drag on the wavy wall is also studied.     

高速列车噪声源声功率与速度的函数关系

为了解决既有对数经验公式无法拟合高速列车显著声源贡献率与速度的函数关系这一问题，使用轮辐声阵列进行高速列车车外声源识别试验；根据显著声源位置对列车表面进行区域划分，量化分析显著声源区域的声功率级和声功率贡献率与速度之间的关系；在既有对数经验公式的基础上，根据不同种类噪声声功率随速度的变化特性，建立新的拟合公式；结合列车噪声测试数据对新的拟合公式进行验证. 研究结果表明:列车以350 km/h运行时，下部区域对列车总辐射噪声的贡献率占70%以上，升弓区域对局部区域声功率的影响最显著，超过50%；随着速度的增长，下部区域的贡献率逐渐减小，弓网区域逐渐增大，显著声源区域的贡献率变化先快后慢，最后趋于稳定；利用新的拟合方法得出，列车声源区域的声功率级和声功率贡献率与速度的拟合度基本都在0.9以上.      

墩顶弹性约束下双柱式桥墩复合自振基频近似算法

在Rayleigh能量法和Southwell频率合成法的基础上导出墩顶弹性约束下双柱式桥墩结构复合振动基频计算公式,将基频表示成各惯性元和变形元所组成的系统频率合成,利用有限元模型验证该公式的正确性,并分析不同类型的弹簧约束刚度对桥墩自振频率的影响,对桥墩结构状态的评定具有一定的参考作用。     

Precision Improvement of the Discrete Calculation Method for Sound Radiation Research

Sound radiation of thin plates is a common problem in engineering. Hashimoto proposed the discrete calculation method(DCM) to deal with the problem. The calculation of the radiation impedance of the rectangular element is more cumbersome than that of the circular one, so the discrete rectangular radiation element is approximated by the circular one. However, error is also introduced. The formula developed by Sha has been employed to get self- and mutual-radiation impedances of rectangular radiation element. Numerical study was performed to verify error introduced by the approximation Hashimoto adopted. Experimental researches on sound radiation of a 2 mm-thick and a 4 mm-thick magnesium alloy plates were also carried out to evaluate the errors introduced by the approximation. The experimental results indicate that the circular approximation Hashimoto adopted overestimates the sound radiation efficiency. The maximum error levels of the radiation efficiencies of the2 mm-thick and 4 mm-thick magnesium alloy plates are up to 0.15 and 0.12, respectively. The effect of element aspect ratio on the sound radiation efficiency is also remarkable.     

Winkler地基上材料非线性矩形薄板的主共振

为了研究Winkler地基上材料非线性矩形薄板受简谐激励的非线性振动,应用弹性力学理论,建立了其动力学方程,并用Galerkin方法将其转化为非线性振动方程.应用非线性振动的多尺度法,求得系统主共振的近似解,并进行了数值计算.研究表明,随着阻尼系数、几何参数和激励幅值的改变,主共振响应曲线有跳跃和滞后现象,振幅随阻尼系数的增大而减小.此外,还对系统主共振响应方程进行了奇异性分析,得到了开折参数平面的转迁集和分岔图.     

Effect of absorption layer on interior sound field of sonar dome

Using the finite element method (FEM) and boundary element method (BEM) and considering the sound absorption layer which is covered on the backing of the sonar dome, the interior field in the dome which is excited by the incident plane wave has been studied. This method is validated by comparing numerical results with that of classic elastic theory. Then the effect of parameters of the sound absorption layer on interior sound field has been analyzed. The numerical calculation results show that uniformity of interior sound pressure is improved when the backing is covered with a sound absorption layer. The thicker the layer is, or the higher the loss factor of layer is, the more uniform the sound field is.     

Calculation Method of Wave Forces on Large Round-Ended Caisson Foundation

This paper presents an analytical formula for estimating the longitudinal wave forces on a large roundended caisson foundation. The establishment of the formula is based on the superposition of the theoretical formula of wave forces on a large circular cylinder and the empirical formula of wave forces on a large rectangular cylinder. With the formula transformed into an inertial force form, a specific inertia coefficient with an exact expression is extracted from the formula. The numerical calculations of the wave forces on round-ended cylinders are carried out by the boundary-element method. The undetermined coefficients in the expression of the inertial coefficient are determined by the numerical results. It is obvious that the numerical values can be well expressed by the computation values from the established formula. By a model experiment carried out in laboratory wave flume, the correctness of the analytical formula is further verified by the measured wave forces on a test model of a round-ended bridge caisson foundation. The comparison shows that the experimental forces can be approximately estimated by this simple calculation method.