結(jié)構(gòu)聲輻射與聲傳輸有源控制理論與控制技術(shù)研究.pdf

1、由結(jié)構(gòu)的振動而引起的聲輻射及其控制問題一直是相關(guān)聲學(xué)工程領(lǐng)域的重要研究課題。結(jié)構(gòu)聲有源控制技術(shù)(ASAC)是解決低頻結(jié)構(gòu)噪聲的有效手段。對結(jié)構(gòu)聲輻射有源控制范疇的誤差傳感與控制方法理論、控制機(jī)理以及控制實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)等方面的研究均具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。本文對結(jié)構(gòu)聲輻射有源控制的方法理論、機(jī)理以及控制技術(shù)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究?，F(xiàn)將論文的主要內(nèi)容和主要研究成果簡述如下： 針對彈性板封閉聲腔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一聲耦合問題，從全新

2、的分析角度進(jìn)行了結(jié)構(gòu)一聲的耦合機(jī)制、耦合特性、耦合作用對系統(tǒng)固有頻率和模態(tài)的影響以及其影響因素的理論與數(shù)值仿真分析。提出了結(jié)構(gòu)—聲耦合問題的一種新的分析方法，將板—腔耦合系統(tǒng)模擬成控制理論中的反饋與前饋系統(tǒng)，據(jù)此可以方便直觀的分析結(jié)構(gòu)—聲耦合機(jī)制和決定系統(tǒng)耦合程度的影響因素。證明了強(qiáng)耦合系統(tǒng)具有較強(qiáng)的反饋系統(tǒng)特征，弱耦合系統(tǒng)具有較強(qiáng)的前饋特征。揭示了規(guī)則彈性封閉空間具有嚴(yán)格的模態(tài)簇耦合的特性。模態(tài)間的簇耦合機(jī)制決定了整個結(jié)構(gòu)—聲腔系統(tǒng)的

3、耦合作用；任何一簇的結(jié)構(gòu)或聲模態(tài)僅獨(dú)立影響其同一簇的聲或結(jié)構(gòu)模態(tài)以及其耦合后的模態(tài)固有頻率，而對其它簇模態(tài)沒有影響。 從輻射模態(tài)的概念和角度研究了利用結(jié)構(gòu)誤差傳感技術(shù)對彈性封閉空間結(jié)構(gòu)聲輻射進(jìn)行有源控制。首先，基于時間平均聲勢能的二次型表達(dá)式，利用特征值分解得到了彈性封閉空間結(jié)構(gòu)聲輻射模態(tài)，分析了輻射模態(tài)的數(shù)學(xué)和物理意義并揭示了輻射模態(tài)與聲腔模態(tài)以及輻射模態(tài)與結(jié)構(gòu)模態(tài)之間的內(nèi)在耦合關(guān)系。然后，通過聲輻射模態(tài)建立了彈性封閉空間結(jié)構(gòu)

4、聲輻射有源控制模型。最后，采用壓電陶瓷作動器作為控制力源進(jìn)行了封閉空間結(jié)構(gòu)聲輻射有源控制數(shù)值計算與分析研究。 綜合運(yùn)用有限元建模和模態(tài)耦合理論，在利用有限元計算結(jié)構(gòu)和聲腔的特征頻率和模態(tài)振型，聲模態(tài)質(zhì)量，結(jié)構(gòu)模態(tài)質(zhì)量，進(jìn)而求出耦合系數(shù)后，利用聲—固耦合理論建立了復(fù)雜艙室空間結(jié)構(gòu)聲輻射有源消聲系統(tǒng)控制和分析模型，并對其進(jìn)行有源消聲研究。利用這一方法可以對復(fù)雜封閉空間進(jìn)行理論分析，而不受封閉空間形狀的限制，從而拓寬了有源消聲技術(shù)的研

5、究范圍，為復(fù)雜艙室空間有源消聲的實(shí)施奠定理論基礎(chǔ)。利用子系統(tǒng)模態(tài)綜合理論，結(jié)合阻抗-導(dǎo)納矩陣法建立了聲通過雙層板向自由空間傳輸和向封閉空間傳輸及其有源控制兩種物理模型的分析模型，導(dǎo)出了系統(tǒng)模態(tài)響應(yīng)的矩陣表達(dá)式。該表達(dá)式各部分物理意義明確，并便于進(jìn)行系統(tǒng)耦合分析、有源控制理論和數(shù)值研究。然后，在此模型的基礎(chǔ)上，研究了兩種傳輸模型下的傳輸特性。結(jié)果分析表明，聲通過雙層板腔系統(tǒng)的傳輸特性具有較強(qiáng)的前饋特征和較弱的反饋特征，系統(tǒng)前兩個基頻處，是

6、雙層板系統(tǒng)最強(qiáng)的能量傳輸和聲輻射頻率區(qū)。 建立了各種控制策略下統(tǒng)一的有源控制仿真計算模型，在此基礎(chǔ)上對雙層板聲傳輸有源控制進(jìn)行了全面深入的數(shù)值研究，并對各種控制策略下的控制機(jī)理進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明：入射板PZT控制策略對入射板模態(tài)更有效：輻射板PZT控制一般僅對輻射板模態(tài)有效；腔控制策略對入射板、腔以及輻射板模態(tài)均有效，且整體控制效果明顯優(yōu)于入射板控制和腔控制，從而說明，在雙層板聲傳輸控制中，采用腔中次級聲源的控制策略是一種

7、更好的控制策略。建立了雙層板聲傳輸?shù)妮椛淠B(tài)控制分析模型，并分析討論了輻射模態(tài)階數(shù)和腔中介質(zhì)參數(shù)對有源控制性能的影響。 針對結(jié)構(gòu)聲有源控制技術(shù)的實(shí)施問題，提出了一種基于聯(lián)立方程式方法的誤差通道在線辨識算法。與前人的在線建模方法相比，既無需在控制信號輸出端疊加隨機(jī)噪聲，也不同于利用控制信號本身的整體建模方法，而是巧妙的利用了控制收斂過程中不同采樣時刻控制權(quán)系數(shù)的不同權(quán)值。該方法用參考信號作為辨識輸入信號，辨識環(huán)節(jié)又不出現(xiàn)在控制環(huán)節(jié)

8、中，從而在根本上避免了主控制環(huán)節(jié)與辨識環(huán)節(jié)間的相互不良影響，大大降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度并提高了控制精度。 針對結(jié)構(gòu)聲輻射有源控制實(shí)際應(yīng)用中的誤差傳感問題，結(jié)合PVDF壓電薄膜的電荷輸出方程，利用三角函數(shù)的正交性提出了一種新的PVDF壓電式傳感器設(shè)計方法，設(shè)計了一種傳感結(jié)構(gòu)表面體積速度的PVDF傳感器。該設(shè)計方法的優(yōu)點(diǎn)是僅需三條一定形狀的PVDF薄膜平行粘貼即可，并且有非常高的傳感精度。數(shù)值仿真表明精度令人滿意，使用激光測振儀的測