板结构辐射声的声品质基础理论研究
声品质基本概念与研究综述
声品质基本概念与研究综述引言多年以来，噪声控制技术的任务是降低声源的声辐射,声源的测试也是围绕A声压级或A声功率级，这种努力的原则是基于A声压级或A声功率级越低越好。
而随着技术的发展，大多数声源的辐射噪声己经得到降低,对人们的听觉不会造成物理伤害。
研究发现，此时传统的声压级、以及三分之一倍频程的评价标准己经不能反映人们对于噪声的主观判断，往往有声压级相同的声音，给人的主观感觉却截然不同，而有的声音声压级虽然较高，但让人感觉比较愉悦，在这样的情况下，声品质的概念便应运而生了。
定义中的“声”并不是指单纯声波这样一个物理过程,而是指人耳的听觉感知过程；“品质”是指由人耳对于声音事件感知过程最终做出的主观判断。
这一概念更强调人们对声特性判断的主观性。
1．声品质基本评价量在声品质评价中，目前已有一系列的基本特性被认为是适宜于描述听觉事件的,这些量主要有:响度、锐度、粗糙度、抖晃度等.这些量中的某几个组合在一起，形成了感觉舒适度、烦躁度等综合性指标.1.1响度响度是对声音强度的一种感受，它是人们对声音感知影响最大的一个参量。
通过对响度及其依赖关系的研究，以及掩蔽效应的研究, 人们发现，两个声级相等而频率间隔大于临界带的纯音产生的响度大于频率处于两纯音之间而声级为两纯音按能量叠加的纯音的响度.两纯音的频率间隔增加，组成复合音的响度也随之增加.这意味着响度不是由单独频率成分所决定的，而是由两者相互影响而产生,尤其是当两者频率间隔较小时，影响较为明显。
只有在两者频率间隔足够大时无相互影响，这时,响度值等于两者的响度之和.由于临界带对响度计算有很大的影响，因此在构造响度模型时,把激励声级对临界带率模式作为基础。
将总响度N看成是特征响度N'对临界带率的积分,即：其中()zsone G,下N'为在一个临界带内的特征响度,单位为Bark标G表示响度值是由临界带声级计算得来的。
1.2 粗糙度粗糙感是在调制频率为15~300Hz 时产生的。
薄板结构振动声辐射特性分析及优化
第１８卷第４期２０２０年８月福建工程学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｕｊｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ.１８Ｎｏ.４Ａｕｇ.２０２０ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７２－４３４８.２０２０.０４.０１３薄板结构振动声辐射特性分析及优化刘成武ꎬ郭小斌(福建工程学院机械与汽车工程学院ꎬ福建福州３５０１１８)摘要:利用有限元法与边界元法结合对薄板进行振动声辐射特性分析ꎬ研究了薄板结构在简谐力作用下表面声压分布状况ꎬ分析了不同边界条件㊁材料以及加筋形式等因素对薄板结构振动声辐射特性的影响ꎬ并对简支矩形薄板厚度进行了优化ꎮ研究表明ꎬ边界约束的增加会导致薄板刚度变大ꎬ进而导致薄板辐射声功率与辐射效率随之改变ꎻ不同材料对结构的辐射声功率均有影响ꎬ而对辐射效率影响很小ꎻ加筋对薄板声辐射特性影响显著ꎬ十字型加筋形式减震降噪效果最好ꎻ对薄板厚度进行优化ꎬ优化后薄板辐射声功率级下降了４.２９ｄＢꎮ关键词:薄板ꎻ振动声辐射ꎻ辐射声功率ꎻ辐射效率中图分类号:ＴＢ５３２文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１６７２－４３４８(２０２０)０４－０３７５－０６ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｉｎｐｌａｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅＬＩＵＣｈｅｎｇｗｕꎬＧＵＯＸｉａｏｂｉｎ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＦｕｊｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＦｕｚｈｏｕ３５０１１８ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗａｓｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｖｉ￣ｂｒａｔｉｏｎａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｔｈｉｎｐｌａｔｅ.Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆａｃｏｕｓｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｔｈｅｓｕｒ￣ｆａｃｅｏｆａｔｈｉｎｐｌａｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｈａｒｍｏｎｉｃｆｏｒｃｅｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ.Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｕｃｈｆａｃｔｏｒｓａｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｓｔｉｆｆｅｎｅｄｔｙｐｅｓｏｎｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｉｎｐｌａｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓａｎａｌｙｚｅｄꎬａｎｄｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｙ￣ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｐｌａｔｅｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄ.Ｒｅ￣ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｔｈｅｔｈｉｎｐｌａｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈａｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｔꎬｗｈｉｃｈｆｕｒｔｈｅｒａｆ￣ｆｅｃｔｓｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｐｏｗｅｒａｎｄｒａｄｉａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ.Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌｓｃａｎａｆｆｅｃｔｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｓｏｕｎｄｐｏｗｅｒｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻｈｏｗｅｖｅｒꎬｔｈｅｙｈａｖｅｌｉｔｔｌｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.Ｔｈｅｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇｈａｓａｓｉｇ￣ｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｔｈｉｎｐｌａｔｅꎬａｎｄｔｈｅｃｒｏｓｓ￣ｓｔｉｆｆｅｎｅｄｐｌａｔｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｏｖｅｎｔｏｂｅｔｈｅｂｅｓｔｓｈｏｃｋａｎｄｎｏｉｓｅａｂｓｏｒｂｅｒｓ.Ａｆｔｅｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐｌａｔｅꎬｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｔｈｅｒａｄｉａｔｅｄｓｏｕｎｄｐｏｗｅｒｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ４.２９ｄＢ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｔｈｉｎｐｌａｔｅｓꎻｖｉｂｒａｔｉｏｎａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎꎻａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｐｏｗｅｒꎻｒａｄｉａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ㊀㊀在实际工程应用中ꎬ板类件由于其结构简单㊁适用性强被广泛使用ꎮ因此ꎬ研究板类件的振动声辐射特性对于结构的减振降噪有着重要意义ꎮ文献[１－３]对薄板声辐射理论进行了研究ꎬ为进一步对声辐射特性分析奠定了理论基础ꎮ张媛媛等[４－６]根据理论公式利用ＭＡＴＬＡＢ编程研究了作用力位置㊁尺寸参数等因素对薄板声辐射特性的影响ꎮ刘宝等[７]以混合势计算结构表面振速与声压ꎬ并以简支矩形板为例分析了板厚对声辐射参数的影响ꎬ但对其他边界条件情况没有分析ꎮ收稿日期:２０２０－０３－０４基金项目:福建省自然科学基金项目(２０１８Ｊ０１６２８)第一作者简介:刘成武(１９７５ )ꎬ男ꎬ安徽枞阳人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ研究方向:车辆ＮＶＨ技术㊁结构多学科设计优化ꎮ福建工程学院学报第１８卷范鑫等[８]利用声学软件Ｖｉｒｔｕｒａｌ.ＬａｂＡｃｏｕｓｔｉｃａｌ对蜂窝层板进行声辐射特性仿真分析ꎬ并对面板厚度㊁壁长等设计变量对传声性能的影响进行了研究ꎮ上述文献完善了薄板振动声辐射的理论ꎬ并对声辐射特性进行了研究ꎬ但还不够全面充分ꎬ如:不同材料㊁边界条件㊁使用加强筋等情况未考虑ꎮ本文在上述文献的基础上ꎬ利用有限元法计算薄板的振动响应ꎬ结合边界元方法计算薄板声辐射特性ꎬ主要研究了不同边界条件㊁材料属性和薄板加筋㊁不同加筋形式情况下结构声辐射特性的变化规律并对矩形简支薄板在某一厚度进行了优化ꎬ为实际工程应用提供方法与理论指导ꎮ１㊀薄板振动有限元理论设薄板长为ａ㊁宽为ｂꎬ厚度为ｌꎬ横向振动位移为ωꎮ薄板横向振动平衡方程为:∂４ω∂ｘ４＋２∂４ω∂ｘ２∂ｙ２＋∂４ω∂ｙ４＝ｐ(ｘꎬｙ)Ｄ(１)式中Ｄ＝Ｅｈ３１２(１－μ２)为弯曲刚度矩阵ꎬＥ为材料的弹性模量ꎬμ为材料的泊松比ꎬｐ(ｘꎬｙ)为薄板自由振动时的惯性载荷ꎮｐ(ｘꎬｙ)可表示为:ｐ(ｘꎬｙ)＝－ρｔ∂２ω∂２ｔ(２)把式(２)带入式(１)使用分离变量法ꎬ可得薄板自由振动方程为ＤÑ４ω＋ρｈ∂２ω∂２ｔ＝０(３)式中ρ为材料的密度ꎬÑ４为微分算子ꎮÑ４＝∂２∂２ｘ＋∂２∂２ｙæèçöø÷２(４)对于四边简支矩形薄板由于其结构简单固有频率精确解析解为ω＝π２Ｄρｈｍ２ａ２＋ｎ２ｂ２æèçöø÷(５)２㊀薄板声辐射理论假设薄板位于刚性障板上ꎬ薄板障板尺寸远大于薄板ꎬ设薄板的表面积为Ｓꎬ传播介质为空气ꎬ当薄板在圆频率ω下振动ꎬ该板薄板表面声压为:Ｐ(Ｌꎬω)＝ｊｋρ０ｃ２π∬Ｖ(Ｑꎬω)ｅ－ｉｋｒｒｄＳ(Ｑ)(６)式中ꎬｊ为虚数单位ꎬρ０为空气密度ꎬｃ为空气声速ꎬｋ＝ω/ｃ为波数ꎬＶ(Ｑꎬω)为薄板表面法向振速ꎬＬ为场点ꎬＱ为源点ꎬｒ为两点距离ꎮ假设薄板表面是由无限多个面单元组成ꎬ经单元离散后ꎬ结构表面辐射阻抗Ｒ可以表示为Ｒｍｎ＝ｋ２(ΔＳ)２ρｃ４π(７)已知薄板表面辐射阻抗ꎬ薄板总的辐射声功率为[９]:Ｗ＝ＮＨＲＮ(８)式中Ｒ为辐射阻抗矩阵ꎬＮ为薄板各小面积单元上法向振速组成的Ｍ阶列向量ꎮ根据辐射效率公式ꎬ可知薄板声辐射效率为σｍｎ＝Ｗｍｎρｃａｂ‹ｖ２›(９)式中<ｖ２>为均方根振速ꎮ３㊀数值仿真设一矩形薄板长㊁宽分别为１.０ｍ和０.８ｍꎬ材料为钢材ꎬ弹性模量为Ｅ＝２１１ＧＰａꎬ泊松比为０.３ꎬ密度为７８３０ｋｇ/ｍ３ꎮ３.１㊀薄板的自由振动计算薄板边界条件设为四边简支ꎬ薄板厚度设为０.００３ｍꎬ运用ＭＡＴＬＡＢ对其精确解析式进行编程求其结果ꎬ与ＡＢＡＱＵＳ数值仿真结果进行对比ꎬ验证有限元仿真计算的准确性ꎮ计算结果如表１所示ꎮ表１㊀四边简支矩形薄板前８阶固有频率Ｔａｂ.１㊀Ｔｈｅｆｉｒｓｔｅｉｇｈｔｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｓｉｍｐｌｙ￣ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｔｈｉｎｐｌａｔｅｓｗｉｔｈｆｏｕｒｅｄｇｅｓ阶数频率/ＨｚＭＡＴＬＡＢＡＢＡＱＵＳ１１８.９３１８.９８２４１.１５４１.２４３５３.７４５３.８６４７５.９２７６.０６５７８.４２７８.５９６１１２.３２１１２.５６７１１３.１４１１３.２０８１３１.１０１３１.３５从表１可以看出ꎬ用ＭＡＴＬＡＢ编程与ＡＢＡＱＵＳ仿真计算所得固有频率结果基本一致ꎮ通过结果对比ꎬ证明使用ＡＢＡＱＵＳ进行薄板结构振动分析６７３第４期刘成武ꎬ等:薄板结构振动声辐射特性分析及优化完全可靠㊁准确ꎮ３.２㊀薄板的声辐射特性分析假设薄板的传播介质为空气ꎬ密度为１.２２５ｋｇ/ｍ３ꎬ声音传播速度为３４０ｍ/ｓꎬ板厚为６ｍｍꎬ约束条件为四边简支ꎮ采用基于模态的稳态动态分析计算薄板在简谐作用力下的薄板表面振动速度ꎬ再联合Ｖｉｒｔｕｒａｌ.Ｌａｂ计算薄板辐射声功率㊁辐射声效率以及表面声压分布等薄板声学特性指标ꎬ前４阶薄板结构表面声压如图１所示ꎮ图１㊀矩形薄板前４阶表面声压分布Ｆｉｇ.１㊀Ｓｕｒｆａｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｏｕｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｆｏｕｒｏｒｄｅｒｓｏｆｔｈｅｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｔｈｉｎｐｌａｔｅ从图１可以看出ꎬ四边简支矩形薄板表面声压分布与结构振型图形状相似ꎬ这也说明了薄板在振动幅值峰值处声辐射最大ꎬ两者具有一致性ꎬ在考虑薄板减振降噪时也应考虑薄板的声辐射特点ꎬ在振动峰值处应特别注意ꎮ３.３㊀边界条件对薄板声辐射特性影响在实际工程中ꎬ不同边界条件会被应用在各种结构ꎮ四边简支㊁四边固支两种边界条件薄板前四阶固有频率如表２ꎮ结构辐射的声功率级和声辐射效率分别如图２㊁图３所示ꎮ表２㊀不同边界条件前４阶固有频率对比Ｔａｂ.２㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｆｏｕｒｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ阶数频率/Ｈｚ四边固支四边简支１７０３８２１２３８２３１６１１０８４２１０１５２图２㊀不同边界条件下薄板辐射声功率级Ｆｉｇ.２㊀Ｒａｄｉａｔｉｏｎｓｏｕｎｄｐｏｗｅｒｌｅｖｅｌｏｆｔｈｉｎｐｌａｔｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ㊀㊀根据图２可以看出ꎬ在外部条件一定情况下ꎬ四边简支薄板辐射的声功率级低于四边固支边界条件下声辐射功率级ꎮ主要原因是四边固支薄板约束的增加对薄板刚度的增大效果明显ꎬ即改变边界条件ꎬ相当于改变了结构的刚度ꎬ结构的辐射声功率随之受到影响ꎮ从图３可以看出ꎬ边界条件的不同ꎬ薄板辐射效率也明显不一样:在相同激励力条件下ꎬ由于四边固支薄板刚度增加ꎬ固有频率相应增加ꎬ四边固７７３福建工程学院学报第１８卷支辐射效率相比四边简支向右偏移ꎬ但整体趋势是四边固支薄板辐射效率高于四边简支辐射效率ꎮ图３㊀不同边界条件薄板声辐射效率Ｆｉｇ.３㊀Ａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｉｎｐｌａｔｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ３.４㊀不同材料对薄板振动声辐射的影响在实际工程应用中ꎬ钢与铝是应用最广泛的两种材料ꎬ对这两种材料探究在相同尺寸㊁外部激励相同条件下振动与声辐射特性具有重要实际意义ꎮ两种材料的基本参数如表３所示ꎮ表３㊀铝板与钢板基本参数Ｔａｂ.３㊀Ｂａｓｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｐｌａｔｅｓａｎｄｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓ材料长/ｍ宽/ｍ高/ｍｍ弹性模量/ＧＰａ密度/(ｋｇ ｍ－３)泊松比钢板１.００.８６.０２１１７８３００.３０铝板１.００.８６.０７０２７０００.３３为了保证结果的可参考性ꎬ两种材料薄板均采用四边简支边界条件ꎬ外部激励力幅值均为５００Ｎꎬ频率范围设为２０~６００Ｈｚꎬ力作用点坐标为(０.２２ｍꎬ０.２８ｍ)ꎮ利用ＬＭＳＶｉｒｔｕｒａｌ.Ｌａｂ对两种材料薄板进行声学分析ꎬ获得的两种不同材料的辐射声功率级和辐射效率如图４㊁图５所示ꎮ由图４可以看出ꎬ针对铝和钢两种材料ꎬ在结构尺寸参数㊁边界条件㊁激励位置和大小相同情况下ꎬ在２０~６００Ｈｚ频率范围内铝板辐射声功率大于钢板辐射声功率ꎮ同时ꎬ在薄板固有频率处会出现一个辐射声功率的峰值ꎮ由此得出ꎬ不同材料所辐射的声功率差别很大ꎬ在实际工程应用中要考虑材料对设备声学性能的影响ꎮ图４㊀钢板和铝板的辐射声功率级Ｆｉｇ.４㊀Ｒａｄｉａｔｉｏｎｓｏｕｎｄｐｏｗｅｒｌｅｖｅｌｓｏｆｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓａｎｄａｌｕｍｉｎｕｍｐｌａｔｅｓ图５㊀铝板和钢板辐射效率Ｆｉｇ.５㊀Ｒａｄｉａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｐｌａｔｅｓａｎｄｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓ图５表明ꎬ在一定条件下ꎬ钢板㊁铝板两种材料效率在２０~６００Ｈｚ频率段声辐射效率曲线几乎完全重合ꎮ说明矩形薄板结构的声辐射效率与结构材料没有关系ꎬ即结构噪声的辐射效率与材料本身属性无关ꎬ而对结构辐射的声功率有明显影响ꎮ４㊀加筋对薄板声辐射特性的影响以基板为参考对象ꎬ探讨加筋对薄板声学特性的影响ꎮ边界条件相同均为四边简支ꎬ激励力为１００Ｎꎬ作用在部件中心位置ꎮ利用ＡＢＡＱＵＳ对基板与单道加筋板进行谐响应分析ꎬ分别提取两者表面振动速度ꎬ导入ＬＭＳＶｉｒｔｕｒａｌ.Ｌａｂ中进行声学分析ꎬ声学求解范围为１０~６００Ｈｚꎬ步长为窄频５Ｈｚꎮ得到两者辐射声功率级与辐射效率的对比结果如图６所示ꎮ由图６可以看出ꎬ加筋对减低薄板声功率有８７３第４期刘成武ꎬ等:薄板结构振动声辐射特性分析及优化图６㊀基板与加筋板辐射声功率级与声辐射效率Ｆｉｇ.６㊀Ｒａｄｉａｎｔｓｏｕｎｄｐｏｗｅｒｌｅｖｅｌｓａｎｄｒａｄｉａｎｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｂａｓｅｐｌａｔｅａｎｄｓｔｉｆｆｅｎｅｄｐｌａｔｅ显著效果ꎬ从２００Ｈｚ以后加筋板辐射声功率就低于基板ꎬ且在同一频率处最大相差１０ｄＢꎮ随着频率的升高ꎬ加筋板的峰值随之向右移动ꎮ在声辐射效率方面ꎬ加筋板辐射效率高于基板ꎬ且相应峰值相差很大ꎮ５㊀不同加筋形式对薄板声辐射特性的影响㊀㊀为了探讨筋条布置形式对板结构声辐射的影响ꎬ拟通过对板结构分别添加沿长度方向的 二字型 加筋板ꎬ 十字型 加筋板ꎬ Ｘ字型 加筋板来对板结构的声辐射特性进行研究ꎮ不同加筋形式对薄板结构表面辐射声功率和辐射效率的影响如图７所示ꎮ由图可知ꎬ不同加筋形式筋板的声功率级的变化趋势基本一致ꎮ但从整个频率范围来看十字型加筋板辐射声功率级较低ꎬ相比其他两种加筋形式声功率级比较稳定ꎮ从辐射声效率图中可以发现在第一个峰值处十字型加筋板最高ꎬＸ字型次之ꎬ二字型最低ꎮ且Ｘ字型加筋形式有两个显著波峰ꎬ随着频率增加三种加筋形式声辐射效率均有上升趋势ꎮ图７㊀不同加筋形式辐射声功率级与辐射声效率Ｆｉｇ.７㊀Ｒａｄｉａｔｉｎｇｓｏｕｎｄｐｏｗｅｒｌｅｖｅｌｓａｎｄｒａｄｉａｔｉｎｇｓｏｕｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｉｆｆｅｎｅｄｆｏｒｍｓ６㊀薄板声辐射特性优化矩形薄板为例ꎬ薄板长㊁宽分别为１.０ｍ和０.８ｍꎬ厚度为０.００６ｍꎬ约束条件为四边简支ꎬ材料的弹性模量Ｅ＝２１１ＧＰａꎬ泊松比为０.３ꎬ密度为７８３０ｋｇ/ｍ３ꎮ以薄板厚度为设计参数ꎬ薄板第一阶固有频率为约束条件ꎬ声功率级最小为优化目标ꎮ薄板厚度在５~７ｍｍ内以间隔０.２ｍｍ分别对其进行声辐射分析ꎬ各种板厚声功率级如图８所示ꎮ由３.３节可知ꎬ四边简支薄板第一阶固有频率为３８Ｈｚꎮ在３８Ｈｚ处薄板辐射声功率级如表４所示ꎮ９７３福建工程学院学报第１８卷图８㊀不同板厚声功率级Ｆｉｇ.８㊀Ｓｏｕｎｄｐｏｗｅｒｌｅｖｅｌｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｌａｔｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ表４㊀一阶固有频率处薄板辐射声功率级Ｔａｂ.４㊀Ｒａｄｉａｔｉｎｇｓｏｕｎｄｐｏｗｅｒｌｅｖｅｌｓｏｆｔｈｅｔｈｉｎｐｌａｔｅａｔｔｈｅｆｉｒｓｔｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ板厚/ｍｍ声功率级/ｄＢ５.２１３８.６２５.４１３８.６５５.６１３２.７８５.８１４２.６８６.０１３２.１０６.２１３６.７４６.４１２７.８１６.６１３３.２３６.８１３６.５７㊀㊀由图８可以看出ꎬ随着薄板厚度的增加ꎬ薄板辐射声功率级曲线逐渐向右移动ꎬ但曲线趋势基本相同ꎮ由表４可以看出ꎬ当板的厚度选取为６.４ｍｍ时ꎬ在一阶固有频率处薄板辐射声功率级最小ꎬ相比初始薄板厚度６.０ｍｍꎬ辐射声功率级下降了４.２９ｄＢꎮ７㊀结论１)四边固支薄板与四边简支薄板相比ꎬ增加边界条件约束ꎬ相当于增大了结构刚度ꎬ造成结构辐射声功率级变大ꎬ辐射能量升高ꎮ材料属性的改变对结构辐射声功率级有很大影响ꎬ对辐射效率影响可以忽略不计ꎮ２)加筋对薄板声辐射功率及声辐射效率有显著影响ꎬ加筋能降低薄板辐射声功率ꎬ而声辐射效率高于未加筋薄板ꎮ通过对比３种不同加筋形式薄板ꎬ十字加筋板的减震降噪效果优于Ｘ字型和二字型加筋板ꎮ３)通过对薄板厚度进行优化ꎬ薄板辐射声功率级从１３２.１ｄＢ下降到１２７.８１ｄＢꎬ下降了４.２９ｄＢꎬ优化效果显著ꎮ参考文献:[１]任惠娟ꎬ盛美萍.矩形薄板的模态声辐射效率[Ｊ].机械科学与技术ꎬ２０１０ꎬ２９(１０):１３９７－１４００.[２]刘宝ꎬ王德石ꎬ朱拥勇.障板对于平板声辐射特性的影响分析[Ｊ].噪声与振动控制ꎬ２０１８ꎬ３８(３):２６－３０ꎬ４１. [３]高宏林ꎬ黎胜ꎬ孟春霞.改进的半空间频率均方声压法计算结构频带振动声辐射[Ｊ].声学学报ꎬ２０１９ꎬ４４(１):１０６－１１５. [４]张媛媛ꎬ沈火明.基于Ｍａｔｌａｂ板的振动响应与声辐射研究[Ｊ].重庆理工大学学报(自然科学版)ꎬ２０１４ꎬ２８(８):３４－３８. [５]王宇星ꎬ沈火明.薄板声辐射特性的数值模拟与分析[Ｊ].应用数学和力学ꎬ２０１４ꎬ３５(Ｓ１):２３６－２４０. [６]赵峰.矩形板声振特性研究[Ｄ].大连:大连理工大学ꎬ２０１８.[７]刘宝ꎬ王德石ꎬ周奇郑.板厚对无障薄板声辐射特性影响的分析[Ｊ].声学学报ꎬ２０１７ꎬ４２(５):５９３－６００. [８]范鑫ꎬ崔洪宇ꎬ洪明.基于Ｖｉｒｔｕａｌ.ＬａｂＡｃｏｕｓｔｉｃｓ的蜂窝夹层板结构传声特性分析[Ｊ].噪声与振动控制ꎬ２０１７ꎬ３７(４):３４－３９ꎬ６８.[９]李双ꎬ陈克安.基于振动模态和声辐射模态的结构声辐射分析[Ｃ]ʊ中国声学学会２００６年全国声学学术会议论文集.厦门ꎬ２００６:３０５－３０６.(责任编辑:方素华)０８３。
平板结构声辐射效率测试实验方案
平板结构声辐射效率测试实验方案 组长：杨倩妮 组员：郭振鲁、黄方文、伊帕尔•古丽一、实验目的 声辐射效率是反应结构辐射能力的一个重要指标，在噪声控制工程中，为了衡量结构的声辐射能力，往往需要知道其声辐射效率。
本实验的目的是通过实验测量的方法测得平板结构的声辐射效率。
二、实验原理辐射效率：><=20rad u cS W ρσ （2.1） 式中，W 表示结构辐射的声功率，><2u 表示振源表面振动速度平方的时间平均值，S 为振动结构表面辐射面积，c 0ρ为空气的特性阻抗。
对式1.1变形，><⋅><><=2220]/)[/(/ref ref refref ref refu S W u u S S c W W ρσ （2.2） 对式1.2取十倍对数，有><+><><--=2022lg 10lg 10lg 10lg 10lg 10ref ref ref ref ref ref u cS W u u S S W W ρσ （2.3） 当取s /m 101,w 101,m 19122--⨯=⨯==u W S ref ref 时，上式即为： 60lg 10lg 10lg 100v +---=c L S L W ρσ （2.4） 其中，W L 为振动辐射的声功率级，v L 为振动速度级。
三、实验仪器∆米尺 ∆声强探头 ∆B&K 声学测量软件平台 ∆PULSE 噪声振动测试系统 ∆B&K 3560C 前端 ∆ 计算机∆谱分析软件VS302USB ∆MATLAB7.0 ∆噪声信号发生器ZN1681 ∆功率放大器GF-10 ∆激振器 JZ-2A ∆加速度传感器 YD5 ∆电荷放大器SD-6A ∆通用计算机P4 1.7/256 ∆试件支架 ∆ Microphone 输入线四、 测量方法根据式1.4，测得振动辐射的声功率级W L 和振动速度级v L ，并测量计算出振动结构的辐射表面积S ，即测得辐射效率σ。
声品质基本概念与研究综述
声品质基本概念与研究综述引言多年以来，噪声控制技术的任务是降低声源的声辐射，声源的测试也是围绕A声压级或A声功率级，这种努力的原则是基于A声压级或A 声功率级越低越好。
而随着技术的发展，大多数声源的辐射噪声己经得到降低，对人们的听觉不会造成物理伤害。
研究发现，此时传统的声压级、以及三分之一倍频程的评价标准己经不能反映人们对于噪声的主观判断，往往有声压级相同的声音，给人的主观感觉却截然不同，而有的声音声压级虽然较高，但让人感觉比较愉悦，在这样的情况下，声品质的概念便应运而生了。
定义中的“声”并不是指单纯声波这样一个物理过程，而是指人耳的听觉感知过程；“品质” 是指由人耳对于声音事件感知过程最终做出的主观判断。
这一概念更强调人们对声特性判断的主观性。
1声品质基本评价量在声品质评价中，目前已有一系列的基本特性被认为是适宜于描述听觉事件的，这些量主要有：响度、锐度、粗糙度、抖晃度等。
这些量中的某几个组合在一起，形成了感觉舒适度、烦躁度等综合性指标。
1.1 响度响度是对声音强度的一种感受，它是人们对声音感知影响最大的一个参量。
通过对响度及其依赖关系的研究，以及掩蔽效应的研究，人们发现，两个声级相等而频率间隔大于临界带的纯音产生的响度大于频率处于两纯音之间而声级为两纯音按能量叠加的纯音的响度。
两纯音的频率间隔增加，组成复合音的响度也随之增加。
这意味着响度不是由单独频率成分所决定的，而是由两者相互影响而产生，尤其是当两者频率间隔较小时，影响较为明显。
只有在两者频率间隔足够大时无相互影响，这时，响度值等于两者的响度之和。
由于临界带对响度计算有很大的影响，因此在构造响度模型时，把激励声级对临界带率模式作为基础。
将总响度N看成是特征响度N'对临界带率的积分，即：r24 RakN = SOllt4其中N' z为在一个临界带内的特征响度，单位为son8. Bark，下标G表示响度值是由临界带声级计算得来的。
复合材料层合板低频声辐射优化
Abstract: In order ta optimiae the low frequenco acoustic radiation perfomianco of the composite mateeal laminate, according ta the characteestics of the infinite acoustic fiell, the theora and method of the finite element and infinite element coupling are introduced ta analyze the acoustic radiation perfomianco, and the 6X6001X1 is veefied by two exampks. The finite element soVwco Abaqus and the numeecal optimization softwca Isight are combined ta optimize the composite material layeeng angle, and then the iOex of layer-ziso optimization is proposed. Taking the composite mateeal laminate with eight single-layer plates and one core damping layer as the research object, taking the layeeng angle as the design yvedble, the lyw-wiso optimization method ( LOM) is used ta optimize the acoustic perfomiance of the eaminate, and theefectofthecoaedampingeayeaon theacousticaadiation oftheeaminateisanaeyaed. Theaesuetsshowthatthefiastoadeanatuaaefaequencyofthecompositemateaiaeeaminatecan beincaeased bytheaeasonabeeeayeaingangee, and then theacousticaadiation peak numbeaand theaadiation acoustic poweaaaeaeduced.Theacousticaadiation peakscan besuppaesed byaddingthecoaedampingeayea,
加筋板拓扑结构与声辐射特性研究的开题报告
加筋板拓扑结构与声辐射特性研究的开题报告一、选题背景随着工程技术的不断发展，隔音材料的应用越来越广泛。
在工业、交通、建筑等领域，隔音材料的应用可以有效地降低环境噪声，保障人们的健康和生活质量。
加筋板是一种常见的隔音材料，它可以有效地隔离高强度噪声和振动信号。
然而，加筋板的声学性能受到材料及其结构等多种因素的影响。
因此，研究加筋板的声辐射特性及其影响因素，对于隔音材料的研究具有重要意义。
二、研究目的本研究旨在探究加筋板的拓扑结构对其声辐射特性的影响。
通过对加筋板的拓扑结构进行优化设计，提高其声学性能，并运用数值模拟方法验证加筋板的声学性能。
三、研究方法（1）理论分析：通过理论分析加筋板的声学性能及其影响因素，建立加筋板的声学模型，探究加筋板拓扑结构对其声辐射特性的影响机理。
（2）数值模拟：采用有限元分析方法建立加筋板的声学模型，计算加筋板在外力作用下的结构响应，并对其声辐射特性进行仿真计算。
（3）优化设计：根据数值模拟结果，通过设计加筋板的拓扑结构，优化其声学性能，提高其隔音效果。
四、研究内容（1）对加筋板的声学性能及其影响因素进行理论分析，建立加筋板的声学模型；（2）采用有限元分析方法建立加筋板的声学模型，计算其在外力作用下的结构响应，并对其声辐射特性进行仿真计算；（3）通过数值模拟结果，设计加筋板的优化拓扑结构，提高其声学性能；（4）运用实验方法验证数值模拟结果和优化设计效果。
五、预期成果（1）探究加筋板的拓扑结构对其声辐射特性的影响机理；（2）建立加筋板的声学模型，并与实验数据进行验证；（3）设计出优化拓扑结构的加筋板，提高其声学性能；（4）形成一套完整的加筋板声辐射特性研究方法，为后续研究提供参考。
多孔橡胶板声辐射效率数值研究分析
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简支Mindlin板的振动与声辐射研究
V ol 38No.Z1Apr.2018噪声与振动控制NOISE AND VIBRATION CONTROL 第38卷第Z1期2018年4月文章编号：1006-1355(2018)Z1-0219-05简支Mindlin 板的振动与声辐射研究张凯1，林天然1，顾元通2（1.青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛266520；2.School of Chemistry ，Physics and Mechanical Engineering ，Queensland University of Technology ，Brisbane 4001Australia ）摘要：建立基于Mindlin 厚板理论的简支矩形板振动及声辐射数学计算模型。
通过Rayleigh 积分公式计算出板结构与声场交界面的声压，进而获得求解结构表面振速的方程。
利用振动模态正交性获得结构振动与声辐射的特性参数以及声辐射阻抗与模态声辐射系数。
由于Mindlin 厚板模型考虑了板的横向剪切变形和转动惯量，其动力学计算结果比经典薄板理论更精确，在高频时更可靠。
但由于声辐射只跟板的横向振动相关，两种模型计算出来的平均辐射效率没有明显区别。
关键词：振动与波；Mindlin 板；Rayleigh 积分；模态辐射系数；声辐射特性中图分类号：TB132文献标志码：ADOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2018.Z1.046Vibration and Sound Radiation of Mindlin PlatesKAI Zhang 1,TIAN Ranlin 1,GU Yuantong 2(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266520,Shandong China;2.School of Chemistry,Physics and Mechanical Engineering,Queensland University of Technology,Brisbane 4001Australia )Abstract :An analytical solution for the prediction of vibration response and sound radiation of a simply supported rectangular plate based on Mindlin thick plate theory is presented in this paper.The study made use of Rayleigh integral formula to link the sound pressure at the interface with the out-of-plane vibration velocity of the plate.The vibration response and sound radiation of the plate subject to a point force excitation are then obtained using a modal expansion solution.The solution further leads to modal sound radiation impedance and radiation coefficient.It is shown that the vibration response calculated using Mindlin thick plate model is more accurate than that calculated using the classical Kirchhoff-Love thin plate model,particularly at higher frequencies.However,both plate models yield a similar sound radiation efficiency across the frequency range since only plate bending vibration is responsible for the plate sound radiation.Keywords :vibration and wave;Mindlin thick plate;Rayleigh integral;modal sound radiation coefficient;radiation impedance板壳结构广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶与海洋工程等领域，其振动声学特性及传播直接影收稿日期：2018-03-05基金项目：国家自然科学基金海外合作基金资助项目（51628501）作者简介：张凯（1990-），男，山东省滕州市人，博士生，主要研究方向为结构声学。
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板结构辐射声的声品质基础理论研究
由于结构辐射声是产品的主要噪声源之一,因此产品设计者和制造者经常面临着用户对其产品结构辐射噪声的负面评价,这种用户的反映就是结构辐射声品质问题。
声品质是用户对产品辐射声接受度的心理感觉反映,也是产品一系列性能的综合反映;其包含响度、粗糙度、波动度等一系列参数,并以不同的感受影响着人类的听觉心理。
另一方面,声品质还可应用于其他用途,例如可通过声波动度判断汽车传动系统工作状态的平顺性。
因此,结构辐射声品质设计成为产品设计中的一个重要问题,这类问题的研究对低噪声产品的设计具有重要的理论意义和实用价值,对其他工程问题的解决也有着广阔的应用前景。
本文运用以解析法为主、结合数值计算的方法,对不同形式的板结构声辐射特性及其声品质进行了系统的研究。
建立了有限大板结构在无障板情况下的声辐射模型,分析了刚性障板对声辐射的影响规律;建立了板结构声辐射解析模型,研究了不同边界对板结构声辐射的控制规律;利用Zwicker响度模型和修正的PEAQ(Perceptual Evaluation of Audio Quality)方法,建立了板结构辐射声响度预测模型;发展和完善了GDQ(Generalized Differential Quadrature)方法,建立了适用于具有复杂边界板结构的声辐射模型和声波动度预测模型,揭示了各因素对板结构辐射声波动度的影响规律;提出了主区域离散方法,建立了具有任意形状和边界条件的板结构声辐射模型和声粗糙度预测模型,揭示了各因素对板结构辐射声粗糙度的影响规律;基于刚度,建立了加筋板结构声辐射及其声响度预测模型,揭示了加强筋对板结构辐射声响度的影响规律;提出了一个新的研究领域——结构辐射声品质主动控制,研究了一种控制板结构辐射声响度的主动控
制策略。
通过本文的理论分析与数值计算,获取了一系列有价值的研究结果,为板结
构声辐射及其声品质设计提供了理论依据,也为产品虚拟声设计奠定了基础。
与现有研究成果相比,本文的研究成果主要体现在以下几个方面:建立了在无刚性
障板时有限大板结构声辐射模型,提出了当边界条件中含有弹性边界时结构声辐射的解析求解方法,利用表示辐射声压和结构模态耦合系数的双重积分,通过计
算所得的声强级结果与有刚性障板时结构声辐射的数值计算结果相对比,揭示了刚性障板对结构声辐射的影响规律。
为进一步研究刚性障板对结构声辐射的影响,利用能量的观点,采用振动速
度平方均值和声辐射效率为参考基准,揭示了有无障板两种情况下结构声辐射差异的原因。
建立了适用于不同边界条件的板结构声辐射解析模型,并研究了边界条件对结构声辐射及声响度的影响。
以五种不同边界条件的板结构声辐射为例,利用本文推导所得的解析模型,
通过数值计算对比分析了简支、固支、自由三种形式的边界条件及其组合形式对板结构声辐射的影响;分析了不同激励力位置和板厚对板结构声辐射的影响规律。
另一方面,由于人类听觉对声音频率的选择接收特性,边界条件对结构辐射声响
度的影响与对物理声的影响有很大不同。
基于Zwicker响度模型和修正的PEAQ方法,利用数值计算结果,揭示了简支、固支、自由三种形式的边界条件对结构辐射声响度的影响规律。
通过计入人类听觉对频率的选择性接收特性,分析了边界条件对声功率级、声功率密度和特征频带声强级的影响,揭示了边界条件对结构声辐射和声响度不同影响的差异来源。
这些研究为结构辐射响度预测和设计提供了解析模型。
对于结构辐射声,当
其周围声源所影响而被调制时,将产生两个均可独立处理的声品质参数:波动度和粗糙度。
发展和完善了GDQ方法,建立了适用于具有复杂边界的结构声辐射及其声波动度的解析计算模型。
利用本文所建立的板结构辐射声波动度解析模型,揭示了调制频率、调制度和板结构模态密度等参数对辐射声波动度的影响规律,为复杂边界条件下板结构辐射声波动度设计提供了预测方法。
为研究更具一般意义的板结构形式,提出了主区域离散方法,建立了具有任意边界和形状的板结构声辐射及其声粗糙度解析计算模型。
利用本文所建立的板结构辐射声粗糙度模型,揭示了调制音频率、声压级和板结构模态密度变化对辐射声粗糙度的影响规律。
利用分层三角法函数和修正的PEAQ方法,建立了一般形式的正交加筋板结构声辐射及其声响度解析模型。
以三种不同加强筋形式的板结构为例,揭示了加强筋及其组合形式对辐射声响度的影响规律,分析了加强筋对声功率级及特征频带声强级的影响,说明了加强筋对物理声和声响度不同影响的差异原因,也研究了在加筋情况下板结构模态密度对结构辐射声响度的影响规律。
研究结果为通过加强筋控制板结构辐射声响度提供了理论模型和预测方法。
研究了适用于结构辐射声响度的主动控制策略。
利用声辐射模态理论,建立了适用于主动控制的辐射声响度模型,并据此提出了一种声响度主动控制策略。
利用四种具有不同边界条件的矩形板结构,通过其辐射声响度计算结果,验证了该控制策略的有效性,并分析了不同边界条件对在同种控制策略表现在结果上的差异。
这些研究结果为主动控制在结构辐射声品质设计中的应用提供了理论依据
和预测方法,也表明了结构辐射声品质主动控制与结构振动主动控制和声辐射主动控制有着很大差异。