艙筏隔振系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、控制.pdf

1、艙筏隔振技術(shù)是當(dāng)前艦船減振降噪領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，它可以有效地隔離艦船主、輔機(jī)系統(tǒng)和其它動(dòng)力設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)傳遞，降低艇體的水下輻射噪聲。在以聲學(xué)設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的安靜型潛艇設(shè)計(jì)中，機(jī)械系統(tǒng)噪聲定量預(yù)報(bào)和機(jī)械噪聲控制及優(yōu)化是潛艇機(jī)械噪聲研究急需突破的兩大問題。因此，本論文以“十一五”國防預(yù)研項(xiàng)目“浮筏聲學(xué)性能優(yōu)化”，“高性能主動(dòng)隔振器的研究”和國家安全重大基礎(chǔ)研究973項(xiàng)目子專題“高效隔振浮筏聲學(xué)構(gòu)建原理”為背景，突破傳統(tǒng)的隔振與總體聲學(xué)性能割裂的

2、局限性，致力于建立艙筏隔振系統(tǒng)定量化的振動(dòng)傳遞及聲輻射計(jì)算方法和以聲學(xué)性能為目標(biāo)的優(yōu)化方法，并有針對性地提出艙筏振動(dòng)傳遞控制和遠(yuǎn)場聲輻射抑制方法，以指導(dǎo)艙筏聲學(xué)設(shè)計(jì)，降低整艇機(jī)械噪聲，該研究具有重要的國防意義和實(shí)用價(jià)值。
　　第一章，在閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，全面綜述了柔性復(fù)雜隔振系統(tǒng)的彈性耦合效應(yīng)、水下復(fù)雜圓柱殼體結(jié)構(gòu)的流固耦合效應(yīng)的研究發(fā)展概況。從研究對象和建模方法兩個(gè)角度分別進(jìn)行論述，介紹了若干極具潛力的艙筏隔振系統(tǒng)建模方

3、法。較為全面地綜述了艙筏隔振系統(tǒng)的主、被動(dòng)和寬頻帶振動(dòng)噪聲控制方法及隔振系統(tǒng)振動(dòng)聲學(xué)性能優(yōu)化方法，指出當(dāng)前建模、控制和優(yōu)化方法在指導(dǎo)艙筏隔振系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化、控制的難點(diǎn)所在。
　　第二章，針對艙筏隔振系統(tǒng)的定量化聲學(xué)設(shè)計(jì)這一目標(biāo)，利用基于頻響函數(shù)綜合的彈性子結(jié)構(gòu)建模方法和基于解析試函數(shù)的有限元、邊界元耦合方法，建立了典型艙筏隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞和聲輻射的整體模型。研究了艙筏隔振系統(tǒng)的多點(diǎn)多向各個(gè)層面的彈性耦合效應(yīng)、艇外流場的流固耦合

4、效應(yīng)及隔振器的駐波效應(yīng)對艙筏隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞和聲輻射特性的影響，并對結(jié)果進(jìn)行討論分析，得到了一些頗具價(jià)值的結(jié)論。討論分析了帶內(nèi)部基座的圓柱殼體子結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對艙筏隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞和聲輻射特性的影響，給出了帶內(nèi)部基座的圓柱殼體結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計(jì)原則。提出了基座均方力和均方速度傳遞率，功率流傳遞率，殼體表面均方振速傳遞率，殼體表面輻射聲功率傳遞率和遠(yuǎn)場均方聲壓傳遞率等隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞和聲學(xué)性能評價(jià)指標(biāo)，分析了隔振性能評價(jià)指標(biāo)和遠(yuǎn)場聲輻射指標(biāo)之間

5、的關(guān)系，給出了不同載荷工況下可以替代遠(yuǎn)場聲壓評價(jià)指標(biāo)的性能指標(biāo)。
　　第三章，針對艙筏隔振系統(tǒng)中、高頻基礎(chǔ)非剛性導(dǎo)致隔振性能下降，引起水下遠(yuǎn)場聲輻射增強(qiáng)的問題，利用彈性波在周期結(jié)構(gòu)阻帶內(nèi)無法傳播的特性，提出了在振動(dòng)傳遞途徑上設(shè)置周期結(jié)構(gòu)，對特定帶寬頻率內(nèi)的振動(dòng)傳遞進(jìn)行純被動(dòng)寬頻帶的控制方法以及一種曲梁周期結(jié)構(gòu)，充分利用曲梁具有徑向剛度和切向剛度耦合及波型轉(zhuǎn)換的特性，利用曲梁來傳遞載荷。利用波動(dòng)法系統(tǒng)地研究了曲梁和直梁，曲梁和質(zhì)量耦

6、合系統(tǒng)中波的傳播，傳遞和反射，驗(yàn)證了振動(dòng)經(jīng)過曲梁傳遞后發(fā)生的波型轉(zhuǎn)換特性和能量的傳遞、反射。為簡化曲梁周期結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提出了m-k等效模型，利用傳遞矩陣不變量法和波向量法研究了曲梁周期結(jié)構(gòu)的帶隙特征和輸入輸出導(dǎo)納特性，結(jié)果表明曲梁周期結(jié)構(gòu)具有較低頻段的寬頻帶隙。利用傳遞矩陣法研究了曲梁周期結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)為彈性板的單自由度系統(tǒng)、兩自由度系統(tǒng)和艙筏隔振系統(tǒng)中的應(yīng)用。結(jié)果表明，曲梁周期結(jié)構(gòu)作為機(jī)械濾波器能有效地抑制帶隙內(nèi)基礎(chǔ)共振峰和上、下隔振器駐

7、波頻率處的振動(dòng)傳遞和聲輻射。在理論分析的基礎(chǔ)上，給出艙筏隔振系統(tǒng)中曲梁周期結(jié)構(gòu)工程實(shí)用的設(shè)計(jì)原則和方法。
　　第四章，針對低頻共振峰處的振動(dòng)傳遞和導(dǎo)致的基座-殼體結(jié)構(gòu)的聲輻射，采用主動(dòng)隔振的方法對其進(jìn)行控制。以內(nèi)部彈性子結(jié)構(gòu)振源-多通道主被動(dòng)隔振器-水下帶基座的圓柱殼體結(jié)構(gòu)受體這一耦合系統(tǒng)為研究對象，利用基于頻響函數(shù)綜合的子結(jié)構(gòu)方法和基于FxLMS的多通自適應(yīng)控制算法，建立了該耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型和控制模型。結(jié)合耦合的有限元、邊界

8、元模型，首次研究了對基座連接點(diǎn)的振動(dòng)加速度進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)，對水下遠(yuǎn)場聲輻射抑制的影響。數(shù)值仿真結(jié)果表明，采用主動(dòng)隔振對基座各連接點(diǎn)的振動(dòng)加速度進(jìn)行控制后，可以有效地抑制低頻時(shí)殼體徑向變形為主的強(qiáng)全局輻射模態(tài)的聲輻射，但抑制效果受到各個(gè)控制通道之間耦合強(qiáng)弱的影響，并與圓柱殼體結(jié)構(gòu)的模態(tài)密切相關(guān)。在理論分析的基礎(chǔ)上，對由振源板-四通道主動(dòng)隔振器-流體加載板組成的主動(dòng)隔振系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對系統(tǒng)某階共振頻率（對應(yīng)流體加載板的第一階共振模態(tài)）受

9、到接近該頻率的激勵(lì)干擾時(shí)進(jìn)行主動(dòng)控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該頻率處流體加載板連接點(diǎn)的振動(dòng)和水下聲輻射得到了明顯的抑制。這位機(jī)械-結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)噪聲控制提供了一種控制手段。
　　第五章，以艙筏隔振系統(tǒng)的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，利用基于頻響函數(shù)綜合的子結(jié)構(gòu)方法，推導(dǎo)了基于頻響函數(shù)子結(jié)構(gòu)的導(dǎo)納靈敏度，得到了艙筏隔振系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞和聲輻射結(jié)果對浮筏和基座連接點(diǎn)的頻響函數(shù)及上、下層隔振器的剛度（阻尼）的靈敏度表達(dá)式。為克服靈敏度分析容易陷入局部最優(yōu)的缺

10、點(diǎn)，結(jié)合全局搜索能力較強(qiáng)的遺傳算法，提出混合遺傳算法。利用靈敏度方法，遺傳算法和混合遺傳算法對低頻段上、下層隔振器的剛度在各個(gè)振動(dòng)傳遞和聲輻射優(yōu)化目標(biāo)下進(jìn)行優(yōu)化，并對各個(gè)優(yōu)化目標(biāo)下的結(jié)果進(jìn)行討論，研究了各個(gè)優(yōu)化目標(biāo)之間的聯(lián)系和區(qū)別。討論了流固耦合效應(yīng)、外載荷激勵(lì)和優(yōu)化頻帶對優(yōu)化結(jié)果的影響。數(shù)值仿真結(jié)果表明，以振動(dòng)傳遞特性為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果不能保證遠(yuǎn)場輻射聲壓的最優(yōu)，以傳遞到基座的均方力最優(yōu)時(shí)的結(jié)果不能保證傳遞功率流的最優(yōu)。在優(yōu)化時(shí)，需

11、要考慮流固耦合的影響，并詳細(xì)考慮不同的優(yōu)化目標(biāo)?；旌线z傳算法兼顧靈敏度分析的局部搜索能力和遺傳算法的全局搜索能力，因而能夠得到更優(yōu)的結(jié)果，但需要更多的迭代次數(shù)。
　　第六章，針對利用實(shí)測頻響函數(shù)進(jìn)行綜合時(shí)的常見問題，分析了各種誤差對綜合結(jié)果的影響，利用矩方法研究了誤差在綜合過程中的傳遞，采用SVD濾波和分頻段插值等方法對頻響函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值處理。利用以帶基座圓柱殼體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的多點(diǎn)耦合單層隔振系統(tǒng)，驗(yàn)證了基于頻響函數(shù)綜合的子結(jié)構(gòu)法

12、對綜合應(yīng)用數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)方法得到的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行混合建模的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)行振動(dòng)傳遞建模時(shí)，隔振系統(tǒng)的多點(diǎn)多向耦合效應(yīng)和隔振器的阻抗特性對綜合結(jié)果的影響巨大。對基于頻響函數(shù)綜合的子結(jié)構(gòu)方法在艙筏隔振系統(tǒng)中振動(dòng)傳遞建模的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并分析了綜合結(jié)果產(chǎn)生誤差的原因。對設(shè)計(jì)制造的曲梁周期結(jié)構(gòu)的導(dǎo)納進(jìn)行測試，驗(yàn)證了曲梁周期結(jié)構(gòu)帶隙的存在和周期結(jié)構(gòu)建模方法的準(zhǔn)確性。研究了曲梁周期結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)為彈性板的單自由度系統(tǒng)、兩自由度系統(tǒng)、多

13、點(diǎn)耦合單層隔振系統(tǒng)和艙筏隔振系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，曲梁周期結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制帶隙內(nèi)基礎(chǔ)共振峰處的振動(dòng)傳遞，抑制效果和結(jié)構(gòu)的模態(tài)（激勵(lì)點(diǎn)位置，測點(diǎn)位置和不同的頻率點(diǎn)）密切相關(guān)。曲梁周期結(jié)構(gòu)在隔振系統(tǒng)中的性能和所承載的質(zhì)量與本身的質(zhì)量之比有關(guān)。周期結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)傳遞受到輸入輸出端負(fù)載的影響。對多點(diǎn)耦合單層隔振系統(tǒng)中安裝曲梁周期結(jié)構(gòu)前后振動(dòng)傳遞的對比測試結(jié)果表明，安裝曲梁周期結(jié)構(gòu)后，基座連接點(diǎn)的響應(yīng)在帶隙內(nèi)得到了平均10～15dB的衰減，