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结构声辐射与声传输有源控制理论与控制技术研究

靳国永  
【摘要】: 由结构的振动而引起的声辐射及其控制问题一直是相关声学工程领域的重要研究课题。结构声有源控制技术(ASAC)是解决低频结构噪声的有效手段。对结构声辐射有源控制范畴的误差传感与控制方法理论、控制机理以及控制实施的关键技术等方面的研究均具有重要的理论意义和应用前景。本文对结构声辐射有源控制的方法理论、机理以及控制技术等方面进行了系统深入的研究。现将论文的主要内容和主要研究成果简述如下: 针对弹性板封闭声腔系统的结构—声耦合问题,从全新的分析角度进行了结构—声的耦合机制、耦合特性、耦合作用对系统固有频率和模态的影响以及其影响因素的理论与数值仿真分析。提出了结构—声耦合问题的一种新的分析方法,将板—腔耦合系统模拟成控制理论中的反馈与前馈系统,据此可以方便直观的分析结构—声耦合机制和决定系统耦合程度的影响因素。证明了强耦合系统具有较强的反馈系统特征,弱耦合系统具有较强的前馈特征。揭示了规则弹性封闭空间具有严格的模态簇耦合的特性。模态间的簇耦合机制决定了整个结构—声腔系统的耦合作用;任何一簇的结构或声模态仅独立影响其同一簇的声或结构模态以及其耦合后的模态固有频率,而对其它簇模态没有影响。 从辐射模态的概念和角度研究了利用结构误差传感技术对弹性封闭空间结构声辐射进行有源控制。首先,基于时间平均声势能的二次型表达式,利用特征值分解得到了弹性封闭空间结构声辐射模态,分析了辐射模态的数学和物理意义并揭示了辐射模态与声腔模态以及辐射模态与结构模态之间的内在耦合关系。然后,通过声辐射模态建立了弹性封闭空间结构声辐射有源控制模型。最后,采用压电陶瓷作动器作为控制力源进行了封闭空间结构声辐射有源控制数值计算与分析研究。 综合运用有限元建模和模态耦合理论,在利用有限元计算结构和声腔的特征频率和模态振型,声模态质量,结构模态质量,进而求出耦合系数后,利用声—固耦合理论建立了复杂舱室空间结构声辐射有源消声系统控制和分析模型,并对其进行有源消声研究。利用这一方法可以对复杂封闭空间进行理论分析,而不受封闭空间形状的限制,从而拓宽了有源消声技术的研究范围,为复杂舱室空间有源消声的实施奠定理论基础。 利用子系统模态综合理论,结合阻抗—导纳矩阵法建立了声通过双层板向自由空间传输和向封闭空间传输及其有源控制两种物理模型的分析模型,导出了系统模态响应的矩阵表达式。该表达式各部分物理意义明确,并便于进行系统耦合分析、有源控制理论和数值研究。然后,在此模型的基础上,研究了两种传输模型下的传输特性。结果分析表明,声通过双层板腔系统的传输特性具有较强的前馈特征和较弱的反馈特征,系统前两个基频处,是双层板系统最强的能量传输和声辐射频率区。 建立了各种控制策略下统一的有源控制仿真计算模型,在此基础上对双层板声传输有源控制进行了全面深入的数值研究,并对各种控制策略下的控制机理进行了深入分析。结果表明:入射板PZT控制策略对入射板模态更有效;辐射板PZT控制一般仅对辐射板模态有效;腔控制策略对入射板、腔以及辐射板模态均有效,且整体控制效果明显优于入射板控制和腔控制,从而说明,在双层板声传输控制中,采用腔中次级声源的控制策略是一种更好的控制策略。建立了双层板声传输的辐射模态控制分析模型,并分析讨论了辐射模态阶数和腔中介质参数对有源控制性能的影响。 针对结构声有源控制技术的实施问题,提出了一种基于联立方程式方法的误差通道在线辨识算法。与前人的在线建模方法相比,既无需在控制信号输出端叠加随机噪声,也不同于利用控制信号本身的整体建模方法,而是巧妙的利用了控制收敛过程中不同采样时刻控制权系数的不同权值。该方法用参考信号作为辨识输入信号,辨识环节又不出现在控制环节中,从而在根本上避免了主控制环节与辨识环节间的相互不良影响,大大降低了控制系统的复杂度并提高了控制精度。 针对结构声辐射有源控制实际应用中的误差传感问题,结合PVDF压电薄膜的电荷输出方程,利用三角函数的正交性提出了一种新的PVDF压电式传感器设计方法,设计了一种传感结构表面体积速度的PVDF传感器。该设计方法的优点是仅需三条一定形状的PVDF薄膜平行粘贴即可,并且有非常高的传感精度。数值仿真表明精度令人满意,使用激光测振仪的测量结果验证了该方法的正确性,并成功应用于结构声辐射有源控制实验,取得了很好的控制效果。


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