舱筏隔振系统声学设计及优化、控制

【摘要】：舱筏隔振技术是当前舰船减振降噪领域的关键技术,它可以有效地隔离舰船主、辅机系统和其它动力设备的机械振动传递,降低艇体的水下辐射噪声。在以声学设计为主导的安静型潜艇设计中,机械系统噪声定量预报和机械噪声控制及优化是潜艇机械噪声研究急需突破的两大问题。因此,本论文以“十一五”国防预研项目“浮筏声学性能优化”,“高性能主动隔振器的研究”和国家安全重大基础研究973项目子专题“高效隔振浮筏声学构建原理”为背景,突破传统的隔振与总体声学性能割裂的局限性,致力于建立舱筏隔振系统定量化的振动传递及声辐射计算方法和以声学性能为目标的优化方法,并有针对性地提出舱筏振动传递控制和远场声辐射抑制方法,以指导舱筏声学设计,降低整艇机械噪声,该研究具有重要的国防意义和实用价值。 第一章,在阅读大量相关文献的基础上,全面综述了柔性复杂隔振系统的弹性耦合效应、水下复杂圆柱壳体结构的流固耦合效应的研究发展概况。从研究对象和建模方法两个角度分别进行论述,介绍了若干极具潜力的舱筏隔振系统建模方法。较为全面地综述了舱筏隔振系统的主、被动和宽频带振动噪声控制方法及隔振系统振动声学性能优化方法,指出当前建模、控制和优化方法在指导舱筏隔振系统声学设计和优化、控制的难点所在。 第二章,针对舱筏隔振系统的定量化声学设计这一目标,利用基于频响函数综合的弹性子结构建模方法和基于解析试函数的有限元、边界元耦合方法,建立了典型舱筏隔振系统振动传递和声辐射的整体模型。研究了舱筏隔振系统的多点多向各个层面的弹性耦合效应、艇外流场的流固耦合效应及隔振器的驻波效应对舱筏隔振系统振动传递和声辐射特性的影响,并对结果进行讨论分析,得到了一些颇具价值的结论。讨论分析了带内部基座的圆柱壳体子结构参数变化对舱筏隔振系统振动传递和声辐射特性的影响,给出了带内部基座的圆柱壳体结构的声学设计原则。提出了基座均方力和均方速度传递率,功率流传递率,壳体表面均方振速传递率,壳体表面辐射声功率传递率和远场均方声压传递率等隔振系统振动传递和声学性能评价指标,分析了隔振性能评价指标和远场声辐射指标之间的关系,给出了不同载荷工况下可以替代远场声压评价指标的性能指标。 第三章,针对舱筏隔振系统中、高频基础非刚性导致隔振性能下降,引起水下远场声辐射增强的问题,利用弹性波在周期结构阻带内无法传播的特性,提出了在振动传递途径上设置周期结构,对特定带宽频率内的振动传递进行纯被动宽频带的控制方法以及一种曲梁周期结构,充分利用曲梁具有径向刚度和切向刚度耦合及波型转换的特性,利用曲梁来传递载荷。利用波动法系统地研究了曲梁和直梁,曲梁和质量耦合系统中波的传播,传递和反射,验证了振动经过曲梁传递后发生的波型转换特性和能量的传递、反射。为简化曲梁周期结构的设计,提出了m-k等效模型,利用传递矩阵不变量法和波向量法研究了曲梁周期结构的带隙特征和输入输出导纳特性,结果表明曲梁周期结构具有较低频段的宽频带隙。利用传递矩阵法研究了曲梁周期结构在基础为弹性板的单自由度系统、两自由度系统和舱筏隔振系统中的应用。结果表明,曲梁周期结构作为机械滤波器能有效地抑制带隙内基础共振峰和上、下隔振器驻波频率处的振动传递和声辐射。在理论分析的基础上,给出舱筏隔振系统中曲梁周期结构工程实用的设计原则和方法。 第四章,针对低频共振峰处的振动传递和导致的基座-壳体结构的声辐射,采用主动隔振的方法对其进行控制。以内部弹性子结构振源-多通道主被动隔振器-水下带基座的圆柱壳体结构受体这一耦合系统为研究对象,利用基于频响函数综合的子结构方法和基于FxLMS的多通自适应控制算法,建立了该耦合系统的动力学模型和控制模型。结合耦合的有限元、边界元模型,首次研究了对基座连接点的振动加速度进行主动控制时,对水下远场声辐射抑制的影响。数值仿真结果表明,采用主动隔振对基座各连接点的振动加速度进行控制后,可以有效地抑制低频时壳体径向变形为主的强全局辐射模态的声辐射,但抑制效果受到各个控制通道之间耦合强弱的影响,并与圆柱壳体结构的模态密切相关。在理论分析的基础上,对由振源板-四通道主动隔振器-流体加载板组成的主动隔振系统进行实验研究,对系统某阶共振频率(对应流体加载板的第一阶共振模态)受到接近该频率的激励干扰时进行主动控制,实验结果表明该频率处流体加载板连接点的振动和水下声辐射得到了明显的抑制。这位机械-结构的低频振动噪声控制提供了一种控制手段。 第五章,以舱筏隔振系统的声学优化设计为目标,利用基于频响函数综合的子结构方法,推导了基于频响函数子结构的导纳灵敏度,得到了舱筏隔振系统的振动传递和声辐射结果对浮筏和基座连接点的频响函数及上、下层隔振器的刚度(阻尼)的灵敏度表达式。为克服灵敏度分析容易陷入局部最优的缺点,结合全局搜索能力较强的遗传算法,提出混合遗传算法。利用灵敏度方法,遗传算法和混合遗传算法对低频段上、下层隔振器的刚度在各个振动传递和声辐射优化目标下进行优化,并对各个优化目标下的结果进行讨论,研究了各个优化目标之间的联系和区别。讨论了流固耦合效应、外载荷激励和优化频带对优化结果的影响。数值仿真结果表明,以振动传递特性为优化目标的优化结果不能保证远场辐射声压的最优,以传递到基座的均方力最优时的结果不能保证传递功率流的最优。在优化时,需要考虑流固耦合的影响,并详细考虑不同的优化目标。混合遗传算法兼顾灵敏度分析的局部搜索能力和遗传算法的全局搜索能力,因而能够得到更优的结果,但需要更多的迭代次数。 第六章,针对利用实测频响函数进行综合时的常见问题,分析了各种误差对综合结果的影响,利用矩方法研究了误差在综合过程中的传递,采用SVD滤波和分频段插值等方法对频响函数数据进行数值处理。利用以带基座圆柱壳体结构为基础的多点耦合单层隔振系统,验证了基于频响函数综合的子结构法对综合应用数值分析和实验方法得到的频响函数数据进行混合建模的正确性。实验结果表明,在进行振动传递建模时,隔振系统的多点多向耦合效应和隔振器的阻抗特性对综合结果的影响巨大。对基于频响函数综合的子结构方法在舱筏隔振系统中振动传递建模的应用进行实验验证,并分析了综合结果产生误差的原因。对设计制造的曲梁周期结构的导纳进行测试,验证了曲梁周期结构带隙的存在和周期结构建模方法的准确性。研究了曲梁周期结构在基础为弹性板的单自由度系统、两自由度系统、多点耦合单层隔振系统和舱筏隔振系统中的应用。实验结果表明,曲梁周期结构能够有效地抑制带隙内基础共振峰处的振动传递,抑制效果和结构的模态(激励点位置,测点位置和不同的频率点)密切相关。曲梁周期结构在隔振系统中的性能和所承载的质量与本身的质量之比有关。周期结构中的振动传递受到输入输出端负载的影响。对多点耦合单层隔振系统中安装曲梁周期结构前后振动传递的对比测试结果表明,安装曲梁周期结构后,基座连接点的响应在带隙内得到了平均10～15dB的衰减,壳体上的测点也得到了4～5dB的衰减。因此,曲梁周期结构为舱筏隔振系统的振动传递宽频带控制提供了一种具有重要应用前景的新思路。 第七章,对本文的研究内容作了全面总结,并对下一步的研究进行了展望。