轻/重流体介质中振动板声辐射模态下的声辐射阻尼研究

从能量的角度定义声辐射阻尼为结构振动一周内系统以声波形式耗散的能量与结构振动总能量的比值,将辐射声功率分解到各声辐射模态下,基于模态声辐射阻尼定义,建立FEM/BEM耦合数值模拟方法和相应的计算机程序,研究了振动板在轻/重流体介质中的声辐射模态、模态辐射效率、辐射阻尼和模态声辐射阻尼.研究结果表明轻/重流体中辐射模态基本相似,重流体中第一阶模态辐射效率远大于其他各阶模态辐射效率;低频时结构第一阶模态声辐射阻尼与总的声辐射阻尼接近,重流体中的第一阶模态声辐射阻尼在总的声辐射阻尼中占绝对优势,其他各阶模态辐射阻尼比重很小.     

考虑横向剪切变形下水中矩形板声振特性研究

基于Mindlin板振动理论,获得镶嵌在无限大障板中的矩形简支板的横向振动方程,并研究矩形板在空气和水中的振动和声辐射特性。根据哈密尔顿(Hamilton)原理建立结构系统总能量关系,利用结构质量矩阵和刚度矩阵建立简谐点激励下水中简支矩形板的声振耦合方程,采用模态叠加法表示结构振动响应、声辐射阻抗方程以及结构辐射声功率,分析了单一模态量和整体量的相互关系,讨论了自辐射模态和互辐射模态的变化规律,并比较了空气和水中矩形板结构声振特性。     

流体中弹性板声辐射阻尼研究

针对空气和水两种介质,分别研究弹性薄板的几何参数及激励位置对声辐射阻尼的影响.采用的结构振动与声场耦合的数值求解方法--有限元/流体边界元(FEM/BEM)法进行推演以及讨论结构与流体数值模拟单元.从能量的角度定义弹性板声辐射阻尼,取得声辐射阻尼的数值计算公式.利用文中的数值模拟方法对弹性例板声辐射阻尼进行计算.通过对弹性板声辐射阻尼数值模拟结果的分析认为,水中弹性板振动的声辐射阻尼远大于空气中的声辐射阻尼;相同外加激励载荷作用下,弹性薄板的板厚对相应声辐射阻尼几乎没有影响;随着板边长尺寸的增加,板的声辐射阻尼也有增大的趋势;板声辐射阻尼不随激励位置的改变而改变.     

流体中弹性板声辐射阻尼研究

针对空气和水两种介质，分别研究弹性薄板的几何参数及激励位置对声辐射阻尼的影响。采用的结构振动与声场耦合的数值求解方法——有限元／流体边界元（FEM／BEM）法进行推演以及讨论结构与流体数值模拟单元。从能量的角度定义弹性板声辐射阻尼，取得声辐射阻尼的数值计算公式。利用文中的数值模拟方法对弹性例板声辐射阻尼进行计算。通过对弹性板声辐射阻尼数值模拟结果的分析认为，水中弹性板振动的声辐射阻尼远大于空气中的声辐射阻尼；相同外加激励载荷作用下，弹性薄板的板厚对相应声辐射阻尼几乎没有影响；随着板边长尺寸的增加，板的声辐射阻尼也有增大的趋势；板声辐射阻尼不随激励位置的改变而改蛮。     

开孔平板水下振动及声辐射特性

采用有限元与间接边界元相结合的方法,以开有圆孔、四边简支、无障板的钢制平板为对象,开展开孔板水下振动及声辐射特性研究。首先,计算开孔板在空气中和水中的固有频率。在空气中,开孔板的固有频率较无孔板低,随着开孔面积增大,大部分固有频率降低;在水中,由于开孔可明显降低平板水下振动的附连水质量,开孔板的固有频率升高,且随开孔面积的增大,固有频率升高。然后,开展单位力激励下开孔板的水下振动声辐射研究,相同激励下,开孔板大部分频段的辐射噪声和辐射效率明显降低,且随着开孔面积的增大,降低量增大,辐射声功率和辐射效率的峰值向高频移动。研究结果表明,开孔可显著改变平板水下振动与声辐射特性。     

开孔平板水下振动及声辐射特性

采用有限元与间接边界元相结合的方法,以开有圆孔、四边简支、无障板的钢制平板为对象,开展开孔板水下振动及声辐射特性研究。首先,计算开孔板在空气中和水中的固有频率。在空气中,开孔板的固有频率较无孔板低,随着开孔面积增大,大部分固有频率降低;在水中,由于开孔可明显降低平板水下振动的附连水质量,开孔板的固有频率升高,且随开孔面积的增大,固有频率升高。然后,开展单位力激励下开孔板的水下振动声辐射研究,相同激励下,开孔板大部分频段的辐射噪声和辐射效率明显降低,且随着开孔面积的增大,降低量增大,辐射声功率和辐射效率的峰值向高频移动。研究结果表明,开孔可显著改变平板水下振动与声辐射特性。     

流场中变截面加筋柱壳结构声振特性分析

基于传递矩阵法给出了流场中变截面加筋柱壳结构在受集中力和声压作用下振动与声辐射的求解过程,并在确定模态截断算法有效性的基础上开展对结构振动特性的研究,分析了环板-圆柱壳加筋柱壳结构的损耗因子、流体介质、壳体厚度、环肋数目对其声振特性的影响.结果表明,流体介质的存在使结构振动减小,辐射声压增加;损耗因子增加,振动和辐射声压在中高频段降低;壳体厚度增大,壳体的振动响应减小,低频段辐射声压降低,高频段辐射声压交叉波动;环肋数目增加,结构振动减小,在中高频段,辐射声压降低.     

流场中变截面加筋柱壳结构声振特性分析

基于传递矩阵法给出了流场中变截面加筋柱壳结构在受集中力和声压作用下振动与声辐射的求解过程,并在确定模态截断算法有效性的基础上开展对结构振动特性的研究,分析了环板-圆柱壳加筋柱壳结构的损耗因子、流体介质、壳体厚度、环肋数目对其声振特性的影响。结果表明,流体介质的存在使结构振动减小,辐射声压增加;损耗因子增加,振动和辐射声压在中高频段降低;壳体厚度增大,壳体的振动响应减小,低频段辐射声压降低,高频段辐射声压交叉波动;环肋数目增加,结构振动减小,在中高频段,辐射声压降低。     

粘弹性复合材料结构水中振动及声辐射研究进展综述

文章系统回顾了水中结构振动和声辐射的理论和计算方法.介绍了声场和水中弹性结构声-振耦合问题求解的理论及数值方法的研究情况.文中也回顾了粘弹性复合材料板壳结构动态特性和声辐射的研究情况,并对水中粘弹性复合材料结构声辐射问题的研究前景进行了展望.     

部分浸没悬臂平板的声振特性

研究水下结构的声辐射问题时,流体声介质通常被假设为无限域,然而对于大部分水面海洋结构物,则是部分浸没在水中,自由液面的作用不可忽略。通过构造反对称边界条件来考虑自由液面的影响,采用有限元法结合间接边界元法研究水中部分浸没悬臂平板的振动和声辐射特性。首先,计算悬臂平板在不同浸没深度下的固有频率和模态振型,并与已有文献的算例进行对比分析,验证该方法的正确性;然后,对半浸没悬臂板的声辐射特性进行计算,并讨论载荷位置和浸没深度对平板声振特性的影响。研究表明:平板在水中的固有频率随着浸没深度的增加而降低;载荷位置对平板辐射声功率级有影响且和频率有关;平板辐射声功率是随着浸没深度的增加而增大,低频段辐射声功率曲线的峰值随着深度的增大有向低频移动的趋势。     

结构声辐射的声功率模态分析研究

采用声功率模态对结构声辐射的分析和控制进行研究。基于声功率的二次型表达式和Rayleigh积分建立辐射声功率与激励力之间的关系,并在此基础上得出以力为变量的声功率表达式。以板结构声辐射为例,分析声功率模态的振型、声功率模态下的声功率计算和模态截断,并讨论结构声辐射的声功率模态控制方法。通过声功率模态与结构振动模态和结构声辐射模态的对比,系统地阐述声功率模态的特点。     

求解圆柱壳弯曲振动声辐射问题的一种近似解析法

圆柱壳梁式弯曲振动是一种常见模态,其基于摆动柱声辐射理论。通过引入修正因子,将无限长柱的声压计算转换到有限长柱的声压计算中,提出一种求解圆柱壳弯曲振动声辐射问题的近似解析法。结合算例,计算了其弯曲振动的远场声学特性,并与广泛应用的边界元进行了比较。结果表明,两者具有较好的一致性,近似解析法简单快速,可作为工程评定方法。     

声辐射边界元的数值计算

采用有限元与边界元方法研究结构的声辐射声场,利用有限元方法求解结构的表面速度分布,作为Helmholtz边界积分方程的边界条件,计算结构辐射的声场。边界积分方程中奇异积分的计算采用非等参单元变换,并采用CHIEF方法对Helmholtz方程的非唯一处理,并通过脉动球源与辐射立方体对仿真计算进行验证,结果表明,采用非等参单元与CHIEF方法计算的结果与理论的结果有良好的一致性。     

静水压力作用的水下结构振动及声辐射

采用有限元／边界元方法开发了静水压力作用的水下结构振动与声辐射的计算程序。依据不同分析域的特点，对结构域和流体内域采用有限元方法，对流体外域采用边界元方法。分析了流体一结构相似特性，使通过对常规结构有限元分析程序中的参数作合理设置，使之能直接用于内域流体声学有限元分析。流体外域采用边界元方法，选取合适的格林函数，能够考虑无穷远和自由液面边界条件。流体对结构的作用表现附加质量和附加阻尼。采用FORTRAN代码计算外域流体附加质量和附加阻尼矩阵，采用结构有限元分析程序对结构和内域流体作有限元分析，采用DMAP代码将附加质量和附加阻尼同结构质量矩阵和阻尼矩阵相叠加，实现了流固耦合计算。通过几何刚度矩阵对结构刚度矩阵修正来考虑静水压力对结构声辐射的影响。     

不等间距分舱结构声辐射特性研究

研究舱段结构振动、声辐射特性随分舱形式改变的变化规律,对潜艇结构声学优化设计具有十分重要的意义。从结构声学设计的角度出发,在保持相邻两个舱段总长度不变的情况下,调整两个舱段的长度,采用结构有限元法、结构有限元耦合流体边界元方法,以辐射声功率、湿表面均方法向速度和辐射效率作为衡量结构噪声辐射能力的主要衡量指标,系统地研究整个结构振动和声辐射特性。在流体部分的计算中,采用网格重叠算法,以提高计算效率。通过调整分舱形式,在一定频段,改变了整个舱段结构振动声学传递函数的谱峰频率,降低了谱峰幅值,因此,可以通过改变分舱形式以改变舱段结构声学特性,使设备激振力的谱峰频率与结构振动声学传递函数的谱峰频率错开,实现对辐射噪声的控制。     

Experimental and numerical investigations on vibration characteristics of a loaded ship model

In this paper, vibration characteristics of the structure in the finite fluid domain are analyzed using a coupled finite element method. The added mass matrix is calculated with finite element method (FEM) by 8-node acoustic fluid elements. Vibration characteristics of the structure in finite fluid domain are calculated combining structure FEM mass matrix. By writing the relevant programs, numerical analysis on vibration characteristics of a submerged cantilever rectangular plate in finite fluid domain and loaded ship model is performed. A modal identification experiment for the loaded ship model in air and in water is conducted and the experiment results verify the reliability of the numerical analysis. The numerical method can be used for further research on vibration characteristics and acoustic radiation problems of the structure in the finite fluid domain.     

加载船模振动特性的数值与实验研究（英文）

In this paper, the vibration characteristics of the structure in the finite fluid domain are analyzed using a coupled finite element method. The added mass matrix is calculated with finite element method(FEM) by 8-node acoustic fluid elements. The vibration characteristics of the structure in the finite fluid domain are calculated combining structure FEM mass matrix. By writing relevant programs, the numerical analysis on vibration characteristics of a submerged cantilever rectangular plate in finite fluid domain and loaded ship model is performed. A modal identification experiment for the loaded ship model in air and in water is conducted and the experiment results verify the reliability of the numerical analysis. The numerical method can be used for further research on vibration characteristics and acoustic radiation problems of the structure in the finite fluid domain.     

求解外域辐射和散射声场的分形有限元方法

应用二级分形有限元方法计算了外域声场.用一人工边界把外域声场分为两部分,人工边界以内使用常规有限元方法,人工边界以外的无限大区域使用分形有限元方法.使用分形有限元方法,一方面形成几何自相似网格使得相邻层之间的单元刚度矩阵和质量矩阵具有非常简单的关系,另一方面引用自动满足无限远辐射条件的全域插值函数把节点自由度变换为一组广义坐标,因而计算量可以大大减少.数值计算结果表明:该方法对于计算无限大外域声场是有效的.     

Calculation method of underwater acoustic and vibration response of cabin segment based on onshore vibration test北大核心CSCD

[Objective]This paper proposes a method for calculating the acoustic and vibration response of underwater cylindrical shell structures based on land-based vibration test results.[Methods]An axisymmetric boundary element method (BEM) is introduced to describe the radiation acoustic field of the shell. The relationship of acoustic pressure at the nodal point of the generatrix with velocity is obtained by solving the numerical solution of the boundary element integral equation, then the acoustic radiation impedance matrix of the outer surface of the shell and acoustic transfer vector (ATV) are constructed. Based on the assumption that the low-order vibration mode of an underwater cylindrical shell is the same as that of an onshore cylindrical shell, combined with the modes and acoustic radiation impedance matrix of an onshore cylindrical shell, the modal added mass and damping are calculated. [Results]The natural frequency calculation formula of the underwater cylindrical shell is established on the basis of the onshore mode, and the calculation method of underwater vibration response and acoustic radiation characteristics with the vibration response in air as input is obtained based on mode superposition method.[Conclusion ] The numerical results of a typical cylindrical shell with internal structure show that the method meets the engineering accuracy requirements. © 2023 Chinese Journal of Ship Research. All rights reserved.