圆柱壳全频段声振特性研究

Hfig为某个图形窗口的句柄值
软件内核程序编写 静态界面制作完成后，就要编写动态程序，通俗的说，就是编写控件对应的响应函数，也就是在原来无界面的程序的基础上进 行修改，添加一些控制语句来配合界面控件的操作，从而实现界面的功能。每一个控件都对应有一个响应函数，当用户在界面 上对某个控件进行操作时，matlab就会调用其响应函数。 将程序封装成exe文件 软件的外观和内核程序代码制作好以后，就要将这些内在外在都封装到一个exe文件中，方便提交用户使用。封装的步骤如下: 1.首先需要配置自己的Matlab Compiler, Matlab Compiler的作用是将程序编译成为机器可以直接执行的程序。 配置Compiler的方法是在Matlab命令窗口输入:mbuild一setup按提示选择matlab自带编译器LCCo 2.用编译器编译所有文件 在matlab环境中编译文件，命令是: mcc -m main funl fun2…funn 其中main为主函数，funl到funn是子函数。执行完毕后，在MATLAB的CurrentDirectory目录下，会生成封装后的exe文件， 至此，软件就制作成功了。
在MATLAB平台上开发软件的过程
将该软件的计算结果与传统数值计算方法和试验数据进行对比，验证了该软件的正确 性
2. 基于VA One 的圆柱壳全频段声振响应分 析
VA One 理论基础 VA One 的核心功能和简要的操作流程 单双层圆柱壳声振响应全频段算例计算 结构参数对单双层圆柱壳全频段声振响应的影响 VA One 计算结果与解析法的对比 本章小结
还是一致的。
从（b）中可以看出，虽然空气中的振动均方速度要比水中的振动 均方速度大，但高频段水中的辐射声辐射响应比辐射声功率反而大。 从（c）中可得，从辐射效率的角度来揭示2中提到的现象。低频段， 重流体负载的存在使得结构的辐射效率下降，而水中的均方振速比 空气中的小，因此该频段水中的辐射声功率比空气中的小；在达到 临界频率以上，流体负载影响很小，空气中和水中辐射效率趋近一 致，而高频段水中均方速度比空气中相差不多，且水中特性阻抗比 空气的特性阻抗大得多，所以高频段水中的辐射声功率就会比空气 中的大。
模态内损耗因子测量方法（稳态法）
带均（频带平均）内损耗因子测量方法 现场测量方法
耦合损耗因子
两个共振子间的耦合损耗因子
写成对称的形式
由外部供给的总输入功率，都被二个共振子的 阻尼元件耗散掉了
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
共振子间的传递功率
虚拟激励法
解 得
利用时域中的均方值与频域中的功率潜密度关系式:
通过虚拟激励法可得：
解析法软件正确性的验证
选取单层环肋圆柱壳为计算模型：
单双层圆柱壳声振试验
实验模型
三种方法结果对比验证
• 将数值法、实验法的结果与解析法软件计算的结果进行对比：
由均方振速曲线可以看出，解析法和数值法计算结果趋势基本相同，峰值 位置、大小接近。在150Hz-500Hz，两种计算方法吻合的较好，峰值位置出现较小的 偏移;在500Hz-1000Hz，解析法计算结果曲线整体向左偏移，数值略大。
两个线性共振子间功 率流正比于两个共振 子解耦能量之差
A只与共振子参 数及耦合参数有 关
二振型群间的耦合损耗因子
假定：
Hybrid 方法
整个系统的总体运动方 程
通过有限元、边界元的方法
系统的平均互谱响应
通过混响场的功率流平衡方程
ext 对其进行求解可得S ff
VA One 的核心功能
低频结构振动和噪声分析的综合性功能 高频结构振动及噪声分析功能
计算各子系统振动 能量
估算各子系统的动 力响应
n(w )
dN (w ) dw
一根梁有纵向振动 子系统（即纵向振 动相似模态群）、 横向振动子系统 （横向振动相似模 态群）和扭转振动 子系统（扭转振动 相似模态群）
模态密度
n(K ) dN (K ) dK
模态数
波 数
K
2


C
单位频率内的模态数
中频结构振动及噪声混合求解功能
操作流程
各个子系统 的平均能量 输入 各子系统之 间能量传递 系数 结构均方振 速 振动加速度 辐射声功率 辐射效率 辐射声压 模态能量
模型生成
参数设定
加载、建立连 接、计算
结果查看
单层壳算例
空气中计算结果
不论是均方速度还是升功率曲线，在低频段都呈现 多峰值形态，而中高频段没有明显峰值，随着频率
VA One 理论基础
低频段
有限元方程为： 可求得结构各节点的位移
有限元和边界元方法 Hybrid方法 统计能量分析方法
VA One软件
中频段
高频段
统计能量分析方法
划分子系统
模态相似原则：阵 型要有着相同的动 力学特性（相同的 阻尼、振动模态、 耦合损耗因子）
确定各子系统与各 子系统间的统计能 量分析参数
圆柱壳全频段声振特性研究
指导老师：张亚辉老师 杨文健 2015.12.26
该论文的主要内容有：
基于解析法软件的圆柱壳中低频段声振响应分析 基于VA One的圆柱壳全频段声振响应分析 对未来的工作展望
1.基于解析法软件的圆柱壳中低频段声振响应分析
解析法软件理论基础 解析法求解单、双层圆柱壳振动与声辐射响应的主要原理 解析法求解单、双层圆柱壳固有频率的主要原理
本章小结
使用VA One 软件对计算模型在空气中和水中的振动声辐射响应进行计算，并得出了
一些结论 分析了参数变化对计算结果的影响 将计算结果与解析解进行对比，验证其正确性
对未来的工作展望
本文中的解析法目前只能解决中低频的振动声辐射计算问题，而对于该方法在高频段的适用问题还有待
进一步研究 Cylinders 软件还有很多可以完善的地方，比如用该软件调用其他商用软件同步计算等功能还有待开发 本文中的计算模型比较简单，跟实际工程问题中的模型有很大的差距，因此得到的结论仅有参考意义， 还缺乏良好的实用意义
统计能量分析主要应用于受随机激励的系统，但这里应强调的一点是，统计能量分析最主要的特征之一是只建立被激励系统 的统计模型，不专门对随机激励建立统计模型。 考虑线性弹簧共振子受到一个稳态随机激励的外力：
声振耦合问题中：
声快振动
声慢振动
由于有限板的二维性及边界条件产生驻波的影响
内损耗因子
模态内损耗因子测量方法
增加，曲线缓慢下降。
均方速度曲线和声功率曲线在全频段内变化趋势都 非常一致，表明了单层壳在空气中的振动与声辐射 响应在全频段内都呈现单调关系。 辐射效率曲线符合一般规律，从低频开始逐渐升高， 到达临界频率后逐渐趋近于1，成为有限辐射体。
空气中计算结果
从图中可以看出，单层壳在水中的振动响应和空气中的振动响应低 频段峰值位置不同，水中的振动响应要小一些，但整个曲线的趋势
双层壳算例
空气中计算结果
水中计算结果
从( a)和 (b)可以看到，双层壳在水中的振动响应和空气中的 振动响应低频段峰值位置不同，水中的振动响应要小一些， 但整个曲线的趋势还是一致的，这个特性跟单层壳体是一致 的。 从 (d),(e)上可以看出，相比于空气中不同的是，在全频段范 围内，水中的辐射声功率是随频率增加缓慢升高的。这是由 于临界频率与c2c成正比，水中的临界频率比空气中大很多， 如图3-11 (f)所示，水中还没达到临界频率，辐射效率一直在
振动偏微分方 程
振型函数
频率方程
模态数 N(K) 波 数 空 间
模态密度
分 离 变 量 法
边 界 条 件
一维杆纵向自由振动微分方程：
杆件为两端固支 分离变量法：
二维平板横向振动方程为：
同样的，我们可以通过分离变量法得到振型函数满足的方程：
半径为K的1/4圆面积内模态数目为：
其中：
输入功率
P F V
升高。
结构参数对单双层圆柱壳全频段声振响应的影响
单层板算例
改变肋距的影响
改变壳体厚度的影响
双层板算例 改变实肋板肋距的影响
改变内壳厚度的影响
改变外壳厚度的影响
改变肋距的影响
单层板
改变壳体厚度的影响
改变实肋板肋距的影响
双层板
改变内壳厚度的影响
改变外壳厚度的影响
VA One 计算结果与解析法的对比
解析法误差主要来源： 采用模态叠加法进行求解，模态截断及忽略模态间的耦合都会使得计算结果出现误差。 边界元方法误差主要来源： 网格划分、积分奇异性的处理。
固有频率计算结果对比
本程序计算结果与数值法在模态阶数较低时固有频率吻
合情况较好，模态阶数升高后，数值法结果略有偏高。
本章小结
介绍了解析法的基本原理
基于Matlab 平台的软件制作方法简介 解析法软件正确性的验证
解析法求解单、双层圆柱壳振动与声辐射响应的主要原理
解析法求解单、双层圆柱壳固有频率的主要原理
将圆柱壳运动方程中的力激励项去掉，求剩下项的行列 式等于0时的频率值。由于该方程组是超越方程所以只 能搜索求得方程的解。 具体方法:逐个搜索每个频率，如果搜索到的频率的行列 式值与下一个频率的行列式值反号，则表示搜索到的频 率的行列式值近似为零，取该频率为固有频率。
基于Matlab平台的软件制作方法简介
在Matlab平台上开发软件界面通常分为三个部分：软件静态界面制作、内核程序编写和程序封装。 软件静态界面制作 静态界面的制作就是在空白的GUI模板上加入各种空间的过程，一般来说添加控件有2种方法： 1. 基于GUI的方法：简单说就是手动在图形窗口的所需的位置上添加所需大小的控件，并且双击控件出现属性菜 单，手动设置控件的属性值。 2. 基于命令行的方式：通过直接在M文件中编写添加控件的程序代码 来完成静态界面的制作。命令格式为： H为uicontrol(hfig,’属性名’，’属性值’，……) H为创建对象的句柄值，简单理解就是控件的代号
由辐射声功率曲线可以看出，解析法和数值法吻合的较好。在150Hz-500Hz
两条曲线基本重合;在500Hz-1000Hz，两条曲线峰值位置出现偏移。
由加速度曲线可以看出，在150Hz-500Hz三条曲线吻合的较好;在 500Hz-1000Hz，试验结果曲线相对于解析法和数值法 出现偏移。
误差来源