机械结构的声学特性分析与优化
机械结构振动响应与噪声特性分析
机械结构振动响应与噪声特性分析近年来，随着机械工程的发展，机械结构的振动响应和噪声特性成为了研究的热点之一。
机械结构振动和噪声对于设备的性能和可靠性有着重要的影响，因此，对于机械结构的振动响应和噪声特性进行分析和优化显得尤为重要。
1. 振动响应的分析机械结构振动响应是指机械结构在作用力或激励下的振动情况。
振动响应的分析可以帮助我们了解机械结构的动态性能，包括自然频率、振型和模态质量等。
这对于设计和优化机械结构具有重要意义。
振动响应的分析可以基于有限元方法进行，其中包括模态分析和响应分析两个步骤。
模态分析是指计算机械结构的固有振动频率和振型，通过对机械结构的振型进行观察和分析，可以了解结构是否存在固有频率附近的共振现象。
响应分析是指计算机械结构在外界激励下的动态响应，包括位移、速度和加速度等。
2. 噪声特性的分析随着机械结构的振动，必然会产生噪声。
噪声可以对人体和环境造成负面影响，因此噪声特性的分析与控制是机械结构设计中不可忽视的一环。
噪声特性的分析可以通过声学有限元方法进行，这需要将机械结构振动的振动速度或振动位移作为声源输入，然后计算噪声的辐射特性，包括声压级、声强和声辐射方向等。
通过噪声特性的分析，可以帮助我们了解机械结构振动产生的噪声特点，从而采取相应的措施来进行噪声控制。
3. 振动响应与噪声特性的关系振动响应和噪声特性是密切相关的。
振动响应会改变机械结构上各处的运动状态和位移情况，从而影响噪声的产生和传播。
相反，噪声对机械结构的振动也会产生一定的影响。
因此，在研究机械结构的振动响应和噪声特性时，需要将这两者进行综合考虑。
4. 机械结构振动响应和噪声特性的优化在设计机械结构时，为了减小振动响应和噪声特性的影响，可以采取一系列优化措施。
首先，可以通过结构优化来减小机械结构的振动响应。
结构优化可以包括材料选择、构件形状设计和连接方式等。
其次，在振动源处采取减振措施，如安装减振材料或设置隔振装置。
声学与结构相互作用问题的力学建模与分析
声学与结构相互作用问题的力学建模与分析声学与结构相互作用问题主要研究声波在结构体中的传播与相互作用过程。
在实际应用中，这类问题常常涉及声学场与结构体之间的能量传递、振动响应以及声学性能的优化等方面。
在声学与结构相互作用问题的力学建模与分析中，需要考虑声波的传播特性以及结构体的振动特性。
声波的传播可以通过声学方程进行描述，结构体的振动可以通过结构动力学方程进行描述。
这两者之间的相互作用可以通过耦合方程来表示。
首先，我们来看声波的传播特性。
声波传播可以通过声学方程来描述，一般为波动方程。
波动方程可以分为亥姆霍兹方程和亥姆霍兹-克尔文方程两种形式。
亥姆霍兹方程适用于声波在均匀介质中的传播，而亥姆霍兹-克尔文方程适用于声波在非均匀介质中的传播。
这两种方程可以通过数值方法进行求解，例如有限差分法、有限元法等。
其次，我们来看结构体的振动特性。
结构体的振动可以通过结构动力学方程来描述，一般为运动方程。
结构动力学方程可以分为线性方程和非线性方程两种形式。
线性方程适用于结构体的小振动情况，而非线性方程适用于结构体的大振动情况。
这两种方程也可以通过数值方法进行求解，例如模态分析法、时程分析法等。
在声学与结构相互作用问题的力学建模与分析中，最重要的是考虑声波与结构体之间的耦合关系。
耦合关系可以通过耦合方程来表示，一般为边界条件。
边界条件可以分为迎风边界条件和流场边界条件两种形式。
迎风边界条件适用于声波从空气传播到结构体中的情况，而流场边界条件适用于声波从流体传播到结构体中的情况。
这些边界条件的确定需要考虑声波与结构体之间的能量传递和振动响应。
在进行声学与结构相互作用问题的力学建模与分析时，还需要考虑结构体的材料特性和几何形状。
材料特性可以通过弹性模量、密度等参数来描述，几何形状可以通过几何学方程来描述。
这些参数和方程的确定需要根据具体的应用背景和实际情况进行选择。
总之，声学与结构相互作用问题的力学建模与分析是一个复杂的过程，需要考虑声波传播特性、结构体振动特性以及声波与结构体之间的耦合关系。
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。
机械设计中的流体力学与声学的耦合分析
机械设计中的流体力学与声学的耦合分析流体力学和声学是机械设计中两个重要的研究领域，它们分别涉及了液体和气体的运动规律以及声音的传播特性。
然而，在实际的机械设计中，流体力学和声学常常会相互影响并产生耦合效应，这给工程师们带来了更复杂的挑战。
本文将探讨机械设计中的流体力学与声学的耦合分析，并介绍一些常用的分析方法和工具。
一、流体力学与声学的基本原理在开始讨论耦合分析之前，我们先了解一下流体力学和声学的基本原理。
1. 流体力学基本原理流体力学研究的是液体和气体在力的作用下的运动规律。
其中，流场的分析是流体力学的核心内容之一。
流场描述了流体在一定空间范围内的流动情况，涉及了流速、压力、密度等物理量的分布与变化。
2. 声学基本原理声学研究的是声波的传播和声学现象的产生机制。
声波是由震动物体引起的一种机械波，通过传递粒子振动而进行能量传播。
声学研究包括声波的传播特性、声音的产生、传播和接收等内容。
二、流体力学和声学的耦合效应在实际的机械设计中，流体力学和声学常常会相互耦合，即互相影响并产生一系列的耦合效应。
1. 流体力学对声学的影响流体力学的运动和振动会引起相应的声音辐射和传播。
例如，当流体通过管道流动时，会产生噪声；流体的瞬时加速度和速度剖面对声压信号的谱分布也会有影响。
2. 声学对流体力学的影响声波在流体中的传播也会对流体力学产生影响。
声波的压力变化会改变流体中的密度分布和速度场，从而影响流体力学的运动规律。
例如，在流体中传播的声波可以改变流体的湍流结构和界面形态。
三、流体力学与声学耦合分析方法为了更准确地分析机械系统中的流体力学与声学的耦合效应，工程师们发展了一系列的分析方法和工具。
1. 数值模拟方法数值模拟方法是一种常用的耦合分析方法。
通过建立流体力学和声学的数学模型，采用有限元、有限差分或其他数值计算方法对系统进行计算。
这种方法可以模拟系统内部的流场和声场，并定量分析其耦合效应。
2. 实验测试方法实验测试方法是另一种常用的耦合分析方法。
机械结构的动态特性测试与分析
机械结构的动态特性测试与分析引言：机械结构在现代工业中起着不可或缺的作用，从汽车发动机到航天飞行器，从建筑大厦到微型电子设备，都离不开稳定可靠的机械结构。
然而，由于各种因素的影响，机械结构往往存在动态特性，如共振、频率响应等问题，这些问题可能引发机械结构的破坏和故障。
因此，对机械结构的动态特性进行测试与分析变得至关重要。
一、动态特性测试方法1. 振动测试振动测试是评估机械结构动态特性的重要手段之一。
通过在机械结构上施加外力或激励，测量相应的振动信号，可以获取机械结构的共振频率、振动模态等信息。
常用的振动测试方法有自由振动测试和强制振动测试。
自由振动测试是在机械结构未受到任何外力干扰时的振动行为。
通过激励结构，记录下结构在自由振动过程中的振动信号，再经过数据处理和分析，可以得到机械结构的频率响应曲线和模态参数。
强制振动测试是施加外力或激励至机械结构后的振动行为。
通过在结构上施加单频、多频或随机激励信号，测量在不同激励下结构的振动响应，并进行数据处理和分析，可以研究机械结构的频率响应特性、传递函数等。
2. 声学测试声学测试是利用声波的传播和反射特性，测试和分析机械结构的动态特性。
常用的声学测试方法有声传递函数测试、声发射测试和声发射瞬变测试。
声传递函数测试是通过测量机械结构入射声波信号和反射声波信号之间的幅度和相位差，推断机械结构的振动特性和传递函数。
声发射测试是用于检测机械结构内部缺陷和损伤的方法。
通过在机械结构上施加外力或激励，并用传感器实时测量结构表面的声发射信号，再通过信号处理和分析，可以判断出机械结构的缺陷和故障。
声发射瞬变测试是在机械结构的工作状态下，测量由于结构内部应力变化引起的瞬态声发射信号，从而判断机械结构的动态特性和工作状态。
二、动态特性测试与分析的意义1. 提高机械结构的可靠性与安全性通过对机械结构的动态特性进行测试和分析，可以了解结构共振频率、振动模态等参数，从而避免结构受到共振现象的影响。
声学测量与分析技术在工程实践中的应用
声学测量与分析技术在工程实践中的应用声学测量与分析技术是一种重要的工程实践工具，它可以用于各种领域，如建筑、机械、环境等。
在工程项目中，声学测量与分析技术的应用可以帮助工程师更好地了解和解决问题，提高工程质量和效率。
一、声学测量技术在建筑领域的应用在建筑领域，声学测量技术可以用于评估建筑物的声学性能。
例如，在办公楼中，通过声学测量技术可以评估噪声水平，确定是否需要采取隔音措施。
此外，声学测量技术还可以用于评估建筑物的吸声性能，帮助设计师选择合适的材料和结构，以改善室内声学环境。
二、声学测量技术在机械领域的应用在机械领域，声学测量技术可以用于评估机械设备的噪声水平和振动特性。
通过声学测量技术，工程师可以确定机械设备的噪声源，进而采取相应的措施来降低噪声水平，提高工作环境的舒适性。
此外，声学测量技术还可以用于评估机械设备的振动特性，帮助工程师优化机械结构和设计，提高机械设备的性能和可靠性。
三、声学测量技术在环境领域的应用在环境领域，声学测量技术可以用于评估环境噪声水平和污染源。
通过声学测量技术，工程师可以定量测量环境中的噪声水平，并分析噪声的频谱特性和时域特性。
这些数据可以用于评估环境噪声对人体健康和生活质量的影响，进而采取相应的措施来减少噪声污染。
此外，声学测量技术还可以用于评估工业企业的噪声排放水平，帮助监管部门进行环境管理和控制。
四、声学分析技术在工程实践中的应用除了声学测量技术，声学分析技术也是工程实践中的重要工具。
声学分析技术可以用于分析和处理声音信号，提取有用的信息。
例如，在音频处理领域，声学分析技术可以用于音频信号的降噪、去混响、语音识别等。
此外，在声学信号处理领域，声学分析技术可以用于分析声波传播特性，如声学波束成形、声学成像等。
总之，声学测量与分析技术在工程实践中具有广泛的应用。
它可以用于评估建筑物的声学性能，评估机械设备的噪声和振动特性，评估环境噪声水平和污染源，以及分析和处理声音信号。
机械工程中的声学特性分析
机械工程中的声学特性分析在机械工程领域中，声学特性分析是一个重要的研究方向。
声学特性分析主要研究声波的产生、传播和接收，并通过数学模型和实验手段来分析和优化机械系统的声学性能。
声学特性分析不仅在设计和制造阶段有着广泛的应用，而且在预测和解决机械故障中也具有重要意义。
一、声波的产生和传播声波是一种机械波，是由震源产生并在介质中传播的机械振动。
在机械工程中，声波主要通过机械系统的震源（如发动机、电机、风扇等）产生，并通过机械传动装置或介质（如空气、水、金属等）进行传播。
声波的传播速度与介质的性质有关，不同介质具有不同的声学特性，这也是声学特性分析的一个重要内容。
二、声学特性参数的分析声学特性参数是评价机械系统声学性能的重要指标。
常见的声学特性参数包括声压级、声功率级、声强和声阻抗等。
声压级是衡量声音强度的指标，通常使用分贝（dB）作为单位。
声功率级是评价声源的声功率大小，也使用分贝作为单位。
声强是单位面积上通过的声功率大小，也是评价声源辐射能力的重要参数。
声阻抗是声波在介质中传播时受到的阻力，与介质的密度和声速等参数有关。
通过对这些声学特性参数的分析，可以评估和优化机械系统的声学性能。
三、噪声控制与消除噪声是机械系统中常见的问题之一，也是机械工程中声学特性分析的一个重要研究方向。
噪声对人们的健康和工作环境都有很大的影响，因此噪声控制与消除是一个迫切需要解决的问题。
通过声学特性分析，可以确定噪声源的位置、特性和传播路径，进而采取相应的措施进行噪声控制和消除。
常见的噪声控制手段包括隔音、消音、减振和降噪等。
通过合理设计和制造，可以降低机械系统的噪声水平，提高工作环境的舒适度。
四、共振与声学模态分析共振是机械系统中一个重要的问题，也是声学特性分析的研究内容之一。
共振是指系统受到外界激励时，其结构或组件的共振频率与外界激励频率相同或接近，从而使系统的振幅迅速增大。
共振会导致机械系统的振动加剧，不仅会降低系统的工作效率，还会引发结构破坏和噪声产生。
挖掘机驾驶室内部结构噪声分析与控制
挖掘机驾驶室内部结构噪声分析与控制摘要：随着人们生活水平的不断提高，对工程机械的驾驶舒适性和运行性能的要求也越来越高。
同时，机械振动和噪声的质量也是衡量产品性能的重要指标之一，对提高产品的可靠性起着重要作用。
因此，挖掘机驾驶室噪声的分析与控制越来越受到人们的重视。
分析了挖掘机驾驶室内部结构的噪声及其控制。
关键词：声学；挖掘机驾驶室；振动噪声随着我国经济的不断发展，工程机械的使用越来越频繁，其舒适性也越来越受到重视。
工程机械驾驶室噪声是影响驾驶舒适性的主要因素之一，对人们的身心健康有着重要影响。
长期接触噪音会导致做梦、耳鸣、失聪，甚至听力下降。
随着高性能、高速和轻型内燃机的发展，噪音和振动问题也会出现。
为了提高产品的舒适性和竞争力，许多国家都在努力开发低噪声的工程机械。
一、驾驶室噪声产生机理根据各种产生和传播机制，驾驶室噪声主要分为空气和结构噪声。
空气噪声主要由发动机表面发出的噪声和通过车身开口和孔进入座舱的气流噪声引起。
结构噪声主要由道路和发动机激励引起的结构振动引起。
在低速时，车辆噪音和振动主要来自发动机。
随着车速的提高，道路与轮胎之间的摩擦已成为噪声的主要来源。
高速行驶时，风与行驶车辆之间的摩擦会产生强烈的风噪声，并成为噪声的主要来源。
对于工程机械而言，大多数型号具有行驶速度低、空气噪声影响小和结构噪声影响大的特点。
二、驾驶室噪声的控制驾驶室噪声控制是一项非常复杂的工作，控制方法很多。
然而，它主要涉及几个方面，即声源强度衰减、传输路径绝缘和吸声处理。
1.降低声源的强度。
驾驶室噪声控制应从减少声源开始，在声音部分安装消音器，在振动部分安装减震器。
同时，可在发动机上安装隔热罩，关闭机舱可降低声源强度。
一般来说，机舱内的噪音可以降低7-8db。
同时，在屏蔽墙的壁板上添加一层阻尼层，以将噪声值降低约2dB。
为了避免激励频率，在结构设计中，固有频率相互偏移2.隔离传播路径。
隔音。
可以使用各种结构措施和隔音材料来控制室外产生的噪音和能量。
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机械结构的声学特性分析与优化
一、引言
机械结构的声学特性是指其在作用力或外界声波激励下产生的声音响应。
这一
特性在工程领域中极为重要，特别是对于噪声控制和声学设计方面。
本文将着重探讨机械结构声学特性的分析与优化方法。
二、声学特性分析方法
1.模态分析
模态分析是一种常用的方法，用于确定机械结构的固有频率和振型。
通过模态
分析，可以确定机械结构在不同频率下的振动响应，并进一步分析其与声音的关系。
这有助于设计人员预测和评估机械结构的噪声特性，并提供优化建议。
2.有限元法
有限元法是一种数值分析方法，通过将结构分解为有限个小元素，然后模拟每
个小元素的力学行为，从而分析机械结构的声学特性。
有限元法广泛应用于机械结构的振动、固有频率和声传输等方面的分析，并具有较高的准确性和可靠性。
3.声辐射分析
声辐射分析是指对机械结构在振动和激励下产生的声波进行分析和评估。
通过
数值模拟或实验测试，可以确定机械结构的声辐射特性，并找出导致噪声问题的关键部位。
这为进一步优化设计提供了依据。
三、声学特性优化方法
1.材料选择与设计
材料的选择对机械结构的声学特性具有重要影响。
通过选择合适的材料，可以
有效降低机械结构的噪声水平。
另外，对于一些关键部件，设计人员可以采用吸声材料、隔声材料等进行包覆或增加减振措施，从而进一步优化声学性能。
2.减振与隔声
减振与隔声是优化机械结构声学特性的重要手段之一。
通过在结构中引入隔振器、减振材料等装置，可以有效抑制共振和噪声传播。
另外，合理设计结构的连接方式和布局，也能够提高机械结构的隔声效果。
3.结构优化与改进
结构优化是一种以提高结构性能为目标的设计方法。
在声学优化中，可以通过
改变机械结构的形状、厚度分布等参数，减小结构的共振峰值和振动幅值，从而降低噪声水平。
同时，优化结构的刚度和阻尼特性，也能够改善声学性能。
四、结论
机械结构的声学特性分析与优化是一项复杂而关键的工作。
通过模态分析、有
限元法和声辐射分析等方法，可以深入研究机械结构的声学行为，并提供优化建议。
在优化过程中，合理选择材料、引入减振与隔声装置，并进行结构优化与改进，可以显著提升机械结构的声学性能。
这对于实现噪声控制、提高机械设备的工作环境质量具有重要意义。