艙筏隔振系統(tǒng)聲學設計及優(yōu)化、控制.pdf

1、艙筏隔振技術是當前艦船減振降噪領域的關鍵技術，它可以有效地隔離艦船主、輔機系統(tǒng)和其它動力設備的機械振動傳遞，降低艇體的水下輻射噪聲。在以聲學設計為主導的安靜型潛艇設計中，機械系統(tǒng)噪聲定量預報和機械噪聲控制及優(yōu)化是潛艇機械噪聲研究急需突破的兩大問題。因此，本論文以“十一五”國防預研項目“浮筏聲學性能優(yōu)化”，“高性能主動隔振器的研究”和國家安全重大基礎研究973項目子專題“高效隔振浮筏聲學構建原理”為背景，突破傳統(tǒng)的隔振與總體聲學性能割裂的

2、局限性，致力于建立艙筏隔振系統(tǒng)定量化的振動傳遞及聲輻射計算方法和以聲學性能為目標的優(yōu)化方法，并有針對性地提出艙筏振動傳遞控制和遠場聲輻射抑制方法，以指導艙筏聲學設計，降低整艇機械噪聲，該研究具有重要的國防意義和實用價值。
　　第一章，在閱讀大量相關文獻的基礎上，全面綜述了柔性復雜隔振系統(tǒng)的彈性耦合效應、水下復雜圓柱殼體結構的流固耦合效應的研究發(fā)展概況。從研究對象和建模方法兩個角度分別進行論述，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、被動和寬頻帶振動噪聲控制方法及隔振系統(tǒng)振動聲學性能優(yōu)化方法，指出當前建模、控制和優(yōu)化方法在指導艙筏隔振系統(tǒng)聲學設計和優(yōu)化、控制的難點所在。
　　第二章，針對艙筏隔振系統(tǒng)的定量化聲學設計這一目標，利用基于頻響函數綜合的彈性子結構建模方法和基于解析試函數的有限元、邊界元耦合方法，建立了典型艙筏隔振系統(tǒng)振動傳遞和聲輻射的整體模型。研究了艙筏隔振系統(tǒng)的多點多向各個層面的彈性耦合效應、艇外流場的流固耦合

4、效應及隔振器的駐波效應對艙筏隔振系統(tǒng)振動傳遞和聲輻射特性的影響，并對結果進行討論分析，得到了一些頗具價值的結論。討論分析了帶內部基座的圓柱殼體子結構參數變化對艙筏隔振系統(tǒng)振動傳遞和聲輻射特性的影響，給出了帶內部基座的圓柱殼體結構的聲學設計原則。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場均方聲壓傳遞率等隔振系統(tǒng)振動傳遞和聲學性能評價指標，分析了隔振性能評價指標和遠場聲輻射指標之間

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

6、合系統(tǒng)中波的傳播，傳遞和反射，驗證了振動經過曲梁傳遞后發(fā)生的波型轉換特性和能量的傳遞、反射。為簡化曲梁周期結構的設計，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構的帶隙特征和輸入輸出導納特性，結果表明曲梁周期結構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構在基礎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)中的應用。結果表明，曲梁周期結構作為機械濾波器能有效地抑制帶隙內基礎共振峰和上、下隔振器駐

7、波頻率處的振動傳遞和聲輻射。在理論分析的基礎上，給出艙筏隔振系統(tǒng)中曲梁周期結構工程實用的設計原則和方法。
　　第四章，針對低頻共振峰處的振動傳遞和導致的基座-殼體結構的聲輻射，采用主動隔振的方法對其進行控制。以內部彈性子結構振源-多通道主被動隔振器-水下帶基座的圓柱殼體結構受體這一耦合系統(tǒng)為研究對象，利用基于頻響函數綜合的子結構方法和基于FxLMS的多通自適應控制算法，建立了該耦合系統(tǒng)的動力學模型和控制模型。結合耦合的有限元、邊界

8、元模型，首次研究了對基座連接點的振動加速度進行主動控制時，對水下遠場聲輻射抑制的影響。數值仿真結果表明，采用主動隔振對基座各連接點的振動加速度進行控制后，可以有效地抑制低頻時殼體徑向變形為主的強全局輻射模態(tài)的聲輻射，但抑制效果受到各個控制通道之間耦合強弱的影響，并與圓柱殼體結構的模態(tài)密切相關。在理論分析的基礎上，對由振源板-四通道主動隔振器-流體加載板組成的主動隔振系統(tǒng)進行實驗研究，對系統(tǒng)某階共振頻率（對應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干擾時進行主動控制，實驗結果表明該頻率處流體加載板連接點的振動和水下聲輻射得到了明顯的抑制。這位機械-結構的低頻振動噪聲控制提供了一種控制手段。
　　第五章，以艙筏隔振系統(tǒng)的聲學優(yōu)化設計為目標，利用基于頻響函數綜合的子結構方法，推導了基于頻響函數子結構的導納靈敏度，得到了艙筏隔振系統(tǒng)的振動傳遞和聲輻射結果對浮筏和基座連接點的頻響函數及上、下層隔振器的剛度（阻尼）的靈敏度表達式。為克服靈敏度分析容易陷入局部最優(yōu)的缺

10、點，結合全局搜索能力較強的遺傳算法，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振動傳遞和聲輻射優(yōu)化目標下進行優(yōu)化，并對各個優(yōu)化目標下的結果進行討論，研究了各個優(yōu)化目標之間的聯系和區(qū)別。討論了流固耦合效應、外載荷激勵和優(yōu)化頻帶對優(yōu)化結果的影響。數值仿真結果表明，以振動傳遞特性為優(yōu)化目標的優(yōu)化結果不能保證遠場輻射聲壓的最優(yōu)，以傳遞到基座的均方力最優(yōu)時的結果不能保證傳遞功率流的最優(yōu)。在優(yōu)化時，需

11、要考慮流固耦合的影響，并詳細考慮不同的優(yōu)化目標?；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)的結果，但需要更多的迭代次數。
　　第六章，針對利用實測頻響函數進行綜合時的常見問題，分析了各種誤差對綜合結果的影響，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數據進行數值處理。利用以帶基座圓柱殼體結構為基礎的多點耦合單層隔振系統(tǒng)，驗證了基于頻響函數綜合的子結構法

12、對綜合應用數值分析和實驗方法得到的頻響函數數據進行混合建模的正確性。實驗結果表明，在進行振動傳遞建模時，隔振系統(tǒng)的多點多向耦合效應和隔振器的阻抗特性對綜合結果的影響巨大。對基于頻響函數綜合的子結構方法在艙筏隔振系統(tǒng)中振動傳遞建模的應用進行實驗驗證，并分析了綜合結果產生誤差的原因。對設計制造的曲梁周期結構的導納進行測試，驗證了曲梁周期結構帶隙的存在和周期結構建模方法的準確性。研究了曲梁周期結構在基礎為彈性板的單自由度系統(tǒng)、兩自由度系統(tǒng)、多

13、點耦合單層隔振系統(tǒng)和艙筏隔振系統(tǒng)中的應用。實驗結果表明，曲梁周期結構能夠有效地抑制帶隙內基礎共振峰處的振動傳遞，抑制效果和結構的模態(tài)（激勵點位置，測點位置和不同的頻率點）密切相關。曲梁周期結構在隔振系統(tǒng)中的性能和所承載的質量與本身的質量之比有關。周期結構中的振動傳遞受到輸入輸出端負載的影響。對多點耦合單層隔振系統(tǒng)中安裝曲梁周期結構前后振動傳遞的對比測試結果表明，安裝曲梁周期結構后，基座連接點的響應在帶隙內得到了平均10～15dB的衰減，