（水声工程专业论文）基于统计能量法的高速船舱室噪声预报与控制方法的研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i c s ，h u m a nb e i n g sc a l lf o rh i 曲q u a l i t yl i f e m o r ea n dm o r eu r g e n t l y , t h u st h ec o z i n e s so ft h eh i g hs p e e ds h i pd r a w sh u m a n s a t t e n t i o n p r e s e n t l y , m a n yc o u n t r i e ss e ts o m er e l e v a n tn o i s el e v e lr u l e so ft h es h i p s a n do f f s h o r ee q u i p m e n t s i ft h en o i s el e v e lc a l lb ep r e d i c td u r i n gt h ed e s i g np e r i o d , t a k es o m ep r e v e n ta c t i o no rc h a n g et h ea r r a n g e m e n to ft h ec a b i n s ，t h ec o s tc a nb ec u t a n dm o r ee f f e c t i v e l y t h e r e f o r ep r e d i c t i o na n dc o n t r o lm e a s u r e m e n to ft h eh i g hs p e e d s h i pa r ev e r yi n p o r t a n t i nt h i st h e s i s ，p r e d i c t i o no fc a b i nn o i s eo ft h eh i g hs p e e ds h i ph a sb e e nm a d e u s i n gt h ea u t o s e as o f t w a r eb a s e do nt h es t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i st h e o r y t h e t r a n s m i s s i o no ft h ec a b i nn o i s ei sd i s c u s s e dw i t h i nt h ee f f e c to ft h eo u t s h i p b o a r d f l u i d ，a n dm a k es o m ed i s c u s s i o no nt h eo v e r a l ln o i s ec o n t r o lm e t h o d m a i nc o n t e n t a n dc o n c l u s i o n sa r e 鹊f o l l o w s ： i n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r yo ft h es t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ，w h i c hc o n t a i n st h e h i s t o r y , t h eb a s i c a lm e a n i n g sa n dt h ee q u a t i o n a tt h es a m et i m et h es o f t w a r e a u t o s e ai sb r e f l yi n t r o d u c e d ，a l s ot h em a i nf u n c t i o n sa n dt h eu s ew a y u s i n gt h es t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i st h e o r ya st h eb a s e ，t h es h o pd r a w i n go ft h e s h i pa st h eb l u e p r i n t ，t h es o f t w a r ea u t o s e aa st h et o o l ，t h eh i g hs p e e ds h i pi se a s i l y m o d e l e da n dc a l c u l a t e d t h e nt h ep r e d i c t i o nn o i s el e v e lo ft h ec a b i nw i h t o u to u t s h i p b o a r df l u i da n dn o i s ec o n t r o lt r e a t m e n t i nt h ef o r t hc h a p t e r , o u ts h i p b o a r df l u i di sa d dt ot h em o d l e c o m p a r i n gt h en o i s e p e r d i c t i o nl e v e lo fw i t ha n dw i t h o u to u ts h i p b o a r df l u i dc o n d i t i o n s ，t h er e s u l ti s ：t h e n o i s eo ft h ec a b i no v e rt h ew a t e rl e v e lr e d u c e sl i t t l ew i t h i nt h ei n f l u e n c eo ft h ef l u i d ； t h en o i s eo ft h ec a b i nu n d e rt h ew a t e rl e v e rh a v i n gn op r o m p t i n gs o u r c er e d u c e sb y 2 一1o w i t ht h ei n f l u e n c eo ft h ef l u i d ，a n dt h em o r et h ec a b i nn o i s er e d u c e st h e l a r g e rt h ed i s t a n c ef r o mt h ep r o m p t i n gs o u r c e ；t h en o i s eo ft h ec a b i nh a v i n g p r o m p t i n gs o u r c eu n d e rt h ew a t e rl e v e la l s or e d u c e sl i t t l ew i t h i nt h ei n f l u e n c eo ft h e f l u i d i nt h ef i f h lc h a p t e r , t h en o i s ec o n t r o lm e t h o di si n t r o d u c e d a n dt w on o i s ec o n t r o l m e t h o d sa r ec o m p a i r e d f i r s t l y , a f f i xu n i f o r md a m p i n gp l a t eo ne i g h tc a b i nb u l k h e a d ， a n dp r e d i c tt h en o i s el e v e l s e c o n d l y , r e v i e wt h ee n e r g yi n p u to fe i g h tc a b i nw i t h o u t a n y n o i s ec o n t r o lt r e a t m e n t s t i c ko u tt h es u b s y s t e m sw h o s ee n e r g yo u t p u t s u m m a t i o ng o e su pt o5 0 o ft h ew h o l ee n e r g yi n p u t ，t h e na f f i xt h i c k e rd a m p i n g p l a t ea n dp r e d i c tt h en o i s el e v e l a tl a s t 1 i s tt h en o i s ep r e d i c tl e v e lo ft h et w ok i n d so f h 武汉理1 ：大学硕士学位论文 n o i s ec o n t r o lt r e a t m e n t sw i t ht h en o i s ep r e d i c tl e v e lw i t h o u ta n yn o i s ec o n t r o l t r e a t m e n t s a f t e rc o m p a r i n g , o n ec o n c l u s i o nc a l lb em a d e ：a f f i x i n gt h i c k e rd a m p i n g p l a t e t o i m p o r t a n ts u b s y s t e mc o u l dr e d u c en o i s ei n t h ei n t e r m e d i a t ea n dh i g h f r e q u e n c ym o r ee f f e c t i v e l y c a u s et h ea r e ao fi m p o r t a n ts u b s y s t e mt a k es m a l l p r o p o r a t i o n t h i sw a yi sd o a b l e m a k eac o m p a r eb e t w e e nn o i s ep r e d i c t i o nl e v e la n dt h en o i s et e s t i n gl e v e l a n a l y s et h ep h e n o m e n at h a tt h en o i s ep r e d i c t i o nl e v e li sh i g h e rt h a nt h en o i s et e s t i n g l e v e li nt h el o wf r e q u e n c ya n dl o w e ri nt h eh i g hf e r q u e n c y a f t e ra n a l y s i n g , s o m e s u g g e s t i o n sa r eg i v e n k e y w o r d s ：s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ，h i g hs p e e ds h i p ，n o i s ep r e d i c t i o n ，o u t s h i p b o a r df l u i d ，n o i s ec o n t r o l ，r e s t r i c t i o nd a m p i n g ，n o i s et e s t i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：超日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：! 至! 墅乞导师( 签 r j 武汉理 大学硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 课题理论意义和价值 近年来船舶噪声问题越来越受到重视。当前各国家、国际权威组织己经为 船舶及离海岸装置制定了相应的噪声级标准，例如国际关于船舶噪声的i m c o 准则，在此准则中规定了居住区的最大噪声级为6 0 分贝，而在北海，离海岸装 置的居住区噪声级不得超过6 5 分贝【。中国交通部对我国内河和海船也曾制定 了相应的噪声级要求，见表1 1 【2 1 。 表1 1 海洋船舶噪声级规定 部位允许噪声级d b ( a ) 无控制室机舱主机操纵处 9 0 机 无人机舱或有控制室机舱 1 1 0 舱 机舱控制室 7 5 区 工作问8 5 驾驶室 6 5 驾 桥楼两翼 7 0 驶 海图室 6 0 区 报务室 6 0 卧室6 0 起 医务室、病房 6 0 居 厨 机械漫备和专用通风机不- t 作 7 0 区房 机械设备和专用通风机正常工作 8 0 办公室、休息等舱室 6 5 宰任一测点的噪声级不得大于该允许级 枣木内河船舶不要求 对要求能“安静航行”的渔船、邮船、豪华旅游船等来讲，对船舶噪声级将有 着更高的要求。随着人类对于其生活空间的质量要求变得越来越苛刻和没有止 境，认识的深化和测试手段的同趋完善，那些威胁人类健康的各种污染源如水 武汉理工大学硕十学位论文 污染、空气污染、光污染、噪声污染和微波污染等越来越受到重视并要求加以 控制f 3 1 。 高速船是自二十世纪五十年代以来，在船舶航速上出现突破、概念新颖的 新一代船型，它的出现在很大程度上改变传统交通运输结构的局面，给水运业 注入新的活力【4 儿引。但是，高速化的同时却带来了严重的结构振动与噪声问题。 对于高速客船而言，其高的航速而要求安装大功率高转速的推进主机，从而为 结构本身设置了一个振动和噪声源。又由于在高速下船体与水和空气产生冲击， 以及为了减轻重量，高速船船体结构的设计使船体刚度要较常规船舶弱，船体 骨材在相同的间距下，振动频率比常规船低，高阶振动模态易被激发出来。所 有这些使高速客船往往具有较高的噪声水平。加上高速客船的服务对象层次较 高，对居住环境的要求较苛刻，从而对船舶噪声控制的要求很严格。在船舶领 域，以往的实践大都是在己经设计完毕的船舶上采用特殊器材以达到减振降噪 的目的。然而，这种解决问题的办法所需费用较大。如果能在船舶设计阶段预 估出噪声水平，这样一旦发现最初的设计在声学上不能令人满意，就能及时采 取预防措施或改变舱室布置，则不仅节省开支，而且可以获得更大、更好的效 果。因此，在船舶设计阶段就进行结构的振动噪声分析是很有意义的。 1 2 噪声的危害 噪声污染被视为一种无形的环境污染【6 】。它是一种感觉性公害，具有局部性、 暂时性和多发性的特点。噪声不仅会影响听力，而且还对人的心血管系统、神 经系统、内分泌系统产生不利影响，所以有人称噪声为“致人死命的慢性毒药”。 1 ) 干扰休息和睡眠 休息和睡眠是人消除疲劳、恢复体力和维持健康的必要条件。但噪声却使 人不得安宁，难以休息和入睡。当人辗转不能入睡时，就会心态紧张、呼吸急 促、脉博跳动加剧、大脑兴奋不止，第二天就会感到疲倦、头昏或四肢无力， 从而影响工作和学习。久而久之，人就会患神经衰弱症，表现为失眠、耳鸣、 疲劳。人进入睡眠之后，即使是4 0 - 5 0 分贝较轻的噪声干扰，也会从熟睡状态 变成半熟睡状态。人在熟睡状态时，大脑活动是缓慢而有规律的，能够得到充 分的休息而半熟睡状态时，大脑仍处于紧张、活跃的阶段，这就会使人得不到 充分的休息和体力的恢复。 2 武汉理丁大学硕士学位论文 2 ) 损伤听觉视觉器官 我们都有这样的经验，从船舶机舱或从锻压车间出来，耳朵总是嗡嗡作响， 甚至听不清对方说话的声音，过一会儿才会恢复。这种现象叫做听觉疲劳，是 人体听觉器官对外界环境的一种保护性反应。如果人长时间遭受强烈噪声作用， 听力就会减弱，进而导致听觉器官的器质性损伤，造成听力下降。据统计，长 期在9 0 分贝以上噪声环境中工作的人，耳聋发病率明显增加。近来又发现噪声 在9 0 分贝以上，可使人的视网膜中视杆细胞区别光亮度的敏感性降低，对弱光 的反应迟缓。随着噪声强度的升( 高超过9 0 分贝) ，4 0 的人瞳孔直径也会扩大， 时间一长，就可能出现眼疲劳、眼痛、眼花和流泪等现象。 3 ) 对人体的生理影响 噪声是一种恶性刺激物，长期作用于人的中枢神经系统，可使大脑皮层的 兴奋和抑制失调，条件反射异常，出现头晕、头痛、耳鸣、多梦、失眠、。心慌、 记忆力减退、注意力不集中等症状，严重者可产生精神错乱。这种症状，药物 治疗疗效很差，但当脱离噪声环境时，症状就会明显好转。噪声可引起植物神 经系统功能紊乱，表现在血压升高或降低，心率改变，心脏病加剧。噪声会使 人唾液、胃液分泌减少，胃酸降低，胃蠕动减弱，食欲不振，引起胃溃疡。噪 声对儿童的智力发育也有不利影响，据调查，3 岁前儿童生活在7 5 分贝的噪声 环境里，他们的心脑功能发育都会受到不同程度的损害，在噪声环境下生活的 儿童，智力发育水平要比安静条件下的儿章低2 0 。噪声对人的心理影响主要 是使人烦恼、激动、易怒，甚至失去理智。此外，噪声还对动物、建筑物有损 害，在噪声下的植物也生长不好，有的甚至死亡。 噪声研究始于1 7 世纪，2 0 世纪5 0 年代后，噪声被公认为是一种严重的公 害污染。有关噪声污染事件也屡有报道。1 9 8 1 年，在美国举行的一次现代派露 天音乐会上，当震耳欲聋的音乐声响起后，有3 0 0 多名听众突然失去知觉，昏 迷不醒，1 0 0 辆救护车到达现场抢救。这就是骇人听闻的噪声污染事件。1 9 5 9 年，美国有1 0 个人“自愿”做噪声实验。当实验用飞机从l o 名实验者头上1 肛1 2 米的高度飞过后，有6 人当场死亡，4 人数小时后死亡。验尸证明人都死于噪声 引起的脑出血。1 9 6 0 年1 1 月，日本广岛市的一男子被附近工厂发出的噪声折磨 得烦恼万分，以致最后刺杀了工厂主。中国也是噪声污染比较严重的国家，全 国有近三分之二的城市居民在噪声超标的环境中生活和工作着，对噪声污染的 投诉占环境污染投诉的近4 0 。【7 】 武汉理工火学硕十学位论文 4 ) 噪声对语言交流的影响哺j 人们j 下常语言交流声压级一般为5 0 - - 6 5 d b ( a ) ，一般变化范围可从4 0 d b ( a ) ( 耳语) 到8 8d b ( a ) ( 最大嗓音) ，距离人i m 处的平均语言声压级为5 7d b ( a ) 。当环境噪声增大时，人们就需要通过提高音量或者缩短谈话距离来获得 满意的交流效果。但当环境噪声大于7 0d b ( a ) 时，提高音量或者缩短谈话距 离都难以维持长时间的语言交流。因此，在工作场合( 交谈距离一般为1 0 m ) 要维持长时间语言交流，环境噪声应不得超过7 0d b ( a ) ；但在社交场合，人们 交谈的距离一般为1 2 m ，较工作场合更远，要求环境噪声不得超过6 5d b ( a ) 。 1 3 国内噪声预报研究进展和发展趋势 i 3 i 国内外研究进展 统计能量分析法( s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s 简记作s e a ) 是受电路中的热噪 声问题的启发，由l y o n 率先提出的解决结构高频振动的分析方法。l y o n 总结了 1 9 6 2 年以来的统计能量分析研究和应用成果，并对统计能量分析未来的研究问 题进行了探索，于1 9 7 5 年出版了 s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i so fd y n a m i c a l s y s t e m ：t h e o r ya n da p l i c a t i o n ) ) 例一书，被认为是一部关于统计能量分析的重要 著作。在国内，统计能量法方面的著作有振动系统的统计能量分析方法( 姚 德源，北京工业学院出版社，1 9 8 6 年) 和结构耦合动力学的统计能量分析与 应用( 王其政，航天部七零二所，1 9 9 0 年) ，为了能充分反映出统计能量分析 这一新领域的科研、工程应用和教学成就，他们通力合作，出版了统计能量 分析原理及其应用1 1 0 。 在7 0 年代中期以后，国外相继出现了用统计能量分析预示声振环境的计算 机软件，如在7 0 年代术8 0 年代初，美国n a s a 的g o d d a r d 飞行中心与l o c k h e e d 公司等几个单位合作研制了声振有效载荷环境预示系统( v e p e p s ) ，欧洲宇 航局研制出了通用s e a 预示程序( g e n s t e p ) 。统计能量分析经过8 0 年代 的继续发展和扩大应用，美国的c a m b r i g ec a l l a b e r a t i v e 公司研制出了s e a m 软 件，m c d o n n e ld o u g a l s 公司业研制出了c o s m i cs e a 软件以及美国v i b r o a c o u s t i c s c i e n c e s 公司研制的等。航天部七零二所和北京理工大学于9 0 年代初分别研制 出了声振环境预示系统软件和预示飞行器高频动力响应软件。现还在 4 武汉理工大学硕士学位论文 继续扩大研究和应用范围。 国内外学者在各个领域对统计能量分析应用都做了相应的研究。波音公司、 n a s a 的兰利研究中心、r a c ( r a y t h e o na i r c r a f tc o m p a n y ) 公司都对其旗下的 飞行器进行统计能量法的噪声预报【1 1 】【1 2 】【1 3 】，通用汽车公司研究了汽车薄板的噪 声影响【1 4 】。叶武平应用s e a 方法对整车噪声问题进行了研列1 5 1 ，楼红伟对船舶 出海管路系统的噪声振动及声辐射进行研究【l6 1 ，表明水流在受到外界激励时， 管壳弹性振动的噪声相对于管口辐射来说是低的。刘玉友对轮齿啮合噪声经过 空气传播到齿轮箱【l ，再向外传播的过程进行研究，指出经过空气传播的噪声 在总体噪声中占重要成分。刘小平用统计能量法预示导弹仪器舱的动力学环境 【l 引，建立包括圆柱壳、陀螺组合与内声场的三个子系统的统计能量模型，以飞 行器高速飞行时的紊流边界层脉动压力引起的气动噪声作为激励源，对超音速 导弹平飞阶段的结构加速度响应和声空间声压进行预测，与实验结果符合较好。 统计能量法在抗冲设计中也得到了很多应用，宋宝丰对包装件受到冲击载荷时 的瞬态冲击响应进行了分析【1 9 1 ，得到简化条件下两子系统受冲击载荷时的瞬态 响应能量的表达式，并由此得到响应速度、加速度等，为非破坏性预测产品机 械冲击脆值提供了参考。蔡承德用统计能量法编制了舱室噪声预报程序，对 3 5 0 0 0t 级散货船进行了舱室噪声预报。郦茜应用a u t o s e a 软件对高速船舶舱室 噪声预报方法进行了研究。 1 3 2 发展趋势与研究展望 统计能量分析法从“统计”的观点出发忽略了船舶建造的许多具体细节，为解 决船舶的早期振动与预测噪声提供了很好的解决办法。 然而在实际工程应用中，运用统计能量分析法预测结构的振动与声响应受 到了限制，其主要原因是：对于复杂机构的s e a 参数，很难采用理论方法获得： 经典统计能量分析的非保守、弱耦合条件往往无法满足；在感兴趣的频域内， 常常不满足统计假设的要求：不能预测子系统的某个局部位置的精确响应。国内 外的学者在这些方面做了大量的研究工作，取得了显著的效果，随着对经典统 计能量分析限制条件的不断放宽，其应用将更广泛。 统计能量法在船舶的应用中也有许多问题需要解决： 1 ) 多激励源激励相关性船舶中多激励源存在源之间的相关性，相关激励源 的能量不再是简单相加关系，同频信号的相位关系使某些激励增强，某些激励 武汉理一 大学硕士学位论文 减弱。这种相关性不仅取决于力源问的互功率谱密度，还取决于它们的传递响 应函数矩阵。 2 ) 非保守耦合问题目前基于阻抗导纳法的非保守耦合统计能量解法，只是 针对两子系统的，对于多子系统非保守统计能量法问题需要进一步研究。 3 ) 非线性因素的影响船舶降噪中，很多隔振元件都具有非线性特性，这些 非线性元件使隔振器两端的能量流的频谱特性不再一一对应，有时一边的单频 信号发生频率发散现象。对于非线性元件连接系统功率的研究目前还没有相关 资料报道。 4 ) 实验方法由于船体体积庞大，真实实验很困难。有人提出的实验统计能 量分析法为船舶的相似性研究提供了很好的参考。但统计能量的相似理论还很 不完善，如：如何在尺寸改变后保证子系统仍然具有足够高的模态密度和不变 的耦合损耗因子。 1 4 本文内容 本文在前人对船舶噪声预报进行的大量工作基础上，根据某高速船设计图 纸和设计参数进行建模、噪声预报和降噪优化，并对舷外水对舱室噪声传播的 影响进行初步的探讨，在本文最后一章中，对舱室降噪的方法也进行比较研究， 为船舶舱室预报和降噪方法提供一定的建议。本文具体内容有以下几个方面： 1 ) 介绍统计能量法原理及a u t u s e a 软件的基本特性和功能。 2 ) 建立模型，确立统计能量模型的分析参数。 3 ) 求解模型，对舱室噪声进行预报，并与考虑舷外水的模型求解结果进行 比较分析，得出舷外水对舱室噪声传播影响的一些结论。 4 ) 介绍噪声控制方法，分析有人员流动舱室的能量输入，对噪声贡献大的 子系统进行重点噪声控制，仿真计算，比较分析使用均匀阻尼降噪方案的降噪 结果，提出船舶舱室噪声控制的方法。 5 ) 比较降噪效果较好的仿真值和实船测试值，对比分析仿真值呈现低频高、 高频低的趋势的原因，并针对其提出提高噪声预报准确性的解决方案。 6 武汉理 人学硕十学位论文 第2 章统计能量法基本原理及a u t o s e a 软件 2 1 统计能量法基本理论 统计能量分析法是在2 0 世纪6 0 年代初发展起来的解决高频声振问题的有 效方法，麻省理工的r h l y o n 受到室内声学及统计热力学启发，提出应用统计 能量分析法解决结构高频声振问题，把研究对象从用随机参数描述的总体中抽取 出来，对被研究对象的具体细节参数不感兴趣，关心的是时域、频域和空间上 的统计平均值，同时采用“能量”的观点，统一解决结构振动和声场问题。它不仅 能够预示上述系统动力特性，还能进行噪声和振动的优化设计和故障诊断。 统计能量的建模方法是以板、梁、壳等基本单位进行建模的，具有调整参 数方便，迅速的特点。而且它能够解决有限元元法和边界元法无法有效解决的 问题、同时处理结构和声学耦合问题、在建立原始模型前，快速、有效的预估 问题解决可能性、快速测试各种材料而无需更改模型、快速修改物理模型、综 合测试结果和数据，进行更精确计算等特点。 统计能量分析从创立，经过十三年的研究和发展之后，到1 9 7 5 r h l y o n 年 撰写的s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i so fd y n a m i c a ls y s t e m s ：t h e o r ya n d a p p l i c a t i o n ) ) ，以及到后来的姚德源、王其政发表统计能量分析原理及其应用， 总共经历了不过几十年的时间，但统计能量法的思想也存在一段时间了。 l r a y l e i g h 对振动理论分析做出了很大贡献，为模态分析奠定了基础，他与j e a n s 也曾考虑了统计能量分析思想，那时研究的是热体的电磁能量辐射问题。在 l r a y l e i g h 之后，h n y q u i s t 使用类似的方法阐述了电路的热噪声问题。 目前，统计能量分析方法已应用于航空运载火箭、导弹、卫星、飞船、航 天飞机、直升机、舰船、汽车、核反应堆、其他动力设备及建筑工程上。统计 能量分析除了能预示上述工程中复杂动力响应外，还可对上述复杂工程系统的 噪声和振动控制进行优化设计与故障诊断【2 0 】【2 l 】。 2 1 1 统计能量分析基本含义 使用传统的模态分析方法研究工程结构系统的动力学问题己有很长历史 7 武汉理工人学硕士学位论文 了，这种研究动力学问题的方法局限于对能够清楚辨认的有限数量的低阶模态 进行分析，分析误差随着频率范围向更高扩展而增大，分析难度随着结构复杂 程度而增加。研究工程结构系统振动问题的困难是高阶模念参数的不确定性， 因此使用统计模态的概念，把振动能量作为描述振动的基本参数，并根据振动 波和模态问存在着的内在联系，建立了分析声、结构振动和其他不同子系统耦 合动力学的统计能量分析方法。 统计能量分析方法适用于分析含有高频、高模态密度的复杂系统( 含声子 系统和结构子系统) 的耦合动力学问题，例如使用统计能量分析可预示复杂系 统的内外声振环境等问题。 统计能量分析含有三方面的意义。 统计能量分析的“统计 意义是指允许有较粗略的系统模型参数，也就是 说所研究的系统对象是从用随机参数描述的总体中提取出来的。这样就可以较 快地提供复杂系统的声振环境预示，这也是统计能量分析所以能得到较快发展 的一个重要原因。统计能量分析把复杂结构动力学系统的模态参数( 频率、振 型、阻尼等) 处理成随机变量，因此要考虑预示结果的平均值和标准偏差。统 计能量分析虽不能预示子系统的某个局部位置的精确响应，但能从统计意义上 较精确地预示整个子系统的响应级，这是统计能量分析的局限性及其固有的一 个特点。从某种意义上说，在工程初步设计阶段，设计人员手中尚不掌握详尽 研究对象资料的情况下，就能预示系统动力响应，这又是一个优点。随着对被 分析系统细节情况的了解增多，计算模型会逐步完善，动力学预测结果也就会 越精确。 统计能量分析中“能量”的意义是用能量描述各个动力学子系统的状态，使用 功率流( 单位时间的能量) 平衡方程描述耦合子系统问的相互作用关系，使用 能量作为统计能量分析中独立的动力学变量就可统一处理固体结构和流体声场 间的耦合动力学问题，从而沟通了传统机械振动与声学问的联系。因此在统计 能量分析中先要进行子系统的能量预示，然后再转换成所需要的振动级、声压 级、应力和压力等动力学参数。 统计能量分析中“分析”的意义在于它是一种建模方法，是一种理论预测 方法，具有一切“分析”方法的所有特征，如模型的建立，模型参数的确定，求解 系统方程得到所需要的解等。 但是较为独特的是该模型中的许多参数需要通过试验取得，特别是复杂字 武汉理! f 人学硕士学位论文 结构更是如此。由于统计能量分析法的上述特征，它也具有一定的局限性。主 要是： 1 ) 按目前统计能量分析的发展水平，适于解决高频区内复杂结构系统的动 力学问题，而不适于中低频问题的分析。 2 ) 由于统计能量分析所有参数都是时、空、频域的平均统计量，所以分析 结果不可能得到某一特定位置处的响应结果( 如有限单元法那样) 。也就是说， 统计能量分析不能预测系统中某局部位置的精确响应，但可能准确地从统计的 意义上预测整个子结构的平均响应。它几乎是目前唯一能预测复杂系统对高频 宽带随即激励响应的实用分析方法。 总之，统计能量分析中的“统计、“能量 、“分析 都是针对子系统及其 相互关系而言的。 统计能量分析法认为一个机械系统或流体系统都可以借助一系列的子结构 来构成系统分析模型，其中每个子结构( 机械的或流体的) 都是包含许多模态 的振荡器。在建立统计能量分析模型时，有以下普遍的基本假设： 1 ) 在模型中的各子系统之间的耦合是线性的，守恒的耦合，即这些耦合都 是弹性耦合、惯性耦合或者回转力耦合，不存在非保守性质的耦合特征。 2 ) 能量是在所研究频带内各个具有共振频率的结构之间流动的。 3 ) 系统所受的力为互不相关的宽频随即激励，这些随即激励在统计上是独 立的，所以具有模态非相干性，并可以应用线性相加原理。 4 ) 在给定的子结构中，给定频带内所有共振模态之间能量等分。 5 ) 互易性原理适用于不同字结构间。 6 ) 任两个子结构间的能量流与振动时耦合的子结构间的实际能量差成正 比。 论文中的所有研究都是在上述基本假设上进行的。 2 1 2 统计能量分析方法基本方程 将所有子系统随机叠加后，使得结构的振动响应分布或空间声场分布趋于 均匀，不再存在明显的空间峰点和谷点现象，因而系统特征的描述不再以本征 频率，阻尼、振动模态等参数作为基本参量，而是充分利用一定频带内存在多 个振动模态的特性，采用统计量描述系统的动力特性。通过建立子系统能量与 子系统间功率流的平衡方程，估算子系统的能量分布。每个子系统所消耗的能 9 武汉理1 ：人学硕士学位论文 量正比于自身能量的大小，子系统之间的功率流正比于他们能量的差值。根据 能量守恒原理，子系统消耗的能量加上传递给其它子系统的能量，应等于输入 给该子系统的能量，对于具有k 个子系统的系统，其能量平衡方程为式( 2 1 ) 。 ( 仉+ 仉) _ 一，7 2 l n 2 一仉l 一2 一仉2 一l ( 叩：+ ) n 2 一仉： 一仉。以1 一，7 2 t ( 仇+ 仉) _ ( 2 - 1 ) 式中e ，f ，吩，仍分别为第i 个子系统的能量、输入功率、模态密度以及 内部损耗因子，是两个子系统的耦合损耗因子。将统计能量法用于分析高速 船的声振特性，首先要划分子系统如图2 1 ，箭头代表能量传递路径。双耦合子系 统能量关系形象示意图见图 t 1 l 图2 1 简单的统计能量系统 从整个系统中分离出如图所示的任意两个耦合的子系统f 和_ ，。声振情况下， 他们之间的能量交换处于平衡状态，其关系式为： 弓= m 嘞互，巴= 国弓，只加= 岷互，弓缸= m t ，嘞= n j 刁j , ，弓2 以 p ：血= 置缸+ 弓，e 血= 乞，加+ 易 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 这里，最加和兄拥表示外界输入子系统的功率，最缸和p j o d ：f i ：, 表示子系统消 耗的功率，岛和易表示子系统间相互传递的功率。 将( 2 2 ) 代x ( 2 3 ) 就可以得到矩阵方程( 2 - 1 ) 求解出方程( 2 1 ) 就可得到各子系 1 0 星体垦他；生 武汉理丁大学硕+ 学位论文 统的能量e ，对于每个结构或者声学的子系统，具有一个与其时间平均或空间 平均振动速度( 矿) 或者声压p 2 ) 成比例的稳态能量关系。对于质量为矽的结构子 系统，有 ( v 2 。) ：e 。m 一1 ( 2 - 4 ) 。 2 对于体积为v 的闭空间声场子系统，有 ( p2 ) = p c 2 e v ( 2 - 5 ) 式中p 为声场介质密度，c 为声速。 2 2 a u t o s e a 软件介绍 2 2 1 简介 a u t o s e a 2 软件是美国v i b r o a c o u s t i cs c i e n c e s 公司开发的基于统计能量分 析方法的结构振动、声学设计工具软件。v i b m a c o u s t i cs c i e n c e s 公司一直致力 于统计能量分析方法的研究和软件开发，具有强大的技术力量。目前，a u t o s e a 2 软件全球市场占有率高达9 5 ，使用的公司涉及各行各业，汽车、航空航天、 船舶、铁道、空调、i t 等。 1 ) 汽车：f o r d 、d a i m l e r b e n z 、h o n d a 、m i t s u b i s h i 、c h r y s l e r 、n i s s a n 等；主要是进行各种车辆建模，实现内部声质量、整车结构噪声、内饰材料重 量花费的最优化设计。 2 ) 航空航天：n a s a 、b o e i n g 、a i r b u s 、a e r o s p a c ec o r p 、l o c k h e e d 等；航 空：用来设计商用、军用飞机的内部噪声及新材料、新结构研究，以便获得更 好的性能设计参数。航天：军用设施的声学、随机振动，瞬态响应的预测及太 空船、汽艇等有效载荷及飞行装备等的高声压级的恶劣动力学环境研究。 3 ) 船舶：u sn a v y 、e l e c t r i cb o a t 、l o c k h e e d 、h i t a c h i 、m i t s u b i s h i 、d c n f r a n c e 等；船舶：船舶整体噪声预测及水下潜艇辐射噪声控制声纳：降低海军项目及 声纳系统的水力及机械流动产生的“内部噪声”的设计及研究。 4 ) 其它：i b m 、s e a g a t e 、g e 、c a r r i e r ( 空调) 、d a i k i n ( 空调) 等国际知名 公司。 还有用于分析譬如铁路：轮轨噪声、引擎噪声及空气动力学噪声引起的内 武汉理一f 人学硕十学位论文 部声质量设计及高速列车的环境影响预测。电器：利用噪声源阶次，噪声路径 分析来定义马达，风扇以及其他噪声部件在产品中的要求和规范。 2 2 2 基本特性和功能 a u t o s e a 的基本特性和功能有【捌： 1 ) 强大的三维建模功能：如图，a u t o s e a 是在同类软件中唯一一个提供快 速振动与噪声3 d 模型建立功能的软件。用户可以直接在几何建模模块中建立机 构与声学的实体模型，同时也可以从其他c a d 软件或有限元计算软件中导入所 需要的文件。 2 ) 稳定的计算引擎：a u t o s e a 的核心计算模块代码是根据美国n a s a 公开 发表的理论研究成果进行编写的。目前a u t o s e a 利用全波传递理论进行准确的 各种结构的振动与声学预测。其计算引擎的稳定性和计算结果的准确性主要有 一下四点来保证：符合已经证明正确可靠了的工业标准。正确的全波传递理论。 良好的封装性降低了结果对人为因素的敏感性。正确编写并通过质量测试的代 码。 3 ) 自动连接：a u t o s e a 可以自动生成振动与噪声子模型之间的连接，并且 如果子系统之间相互有共同的几何边界条件，a u t o s e a 可以自动识别并计算。 对于这种子系统之间的共存关系和连接，a u t o s e a 可以以实体的形式显示出来 便于用户观察。 4 ) 丌放的结构体系：a u t o s e a 允许用户或第三方销售商通过扩展模块来根 据用户需要和具体情况来进行各种功能的扩展。 5 ) 多模型的集成性：对于企业级的产品，非常庞大和复杂，此时可以在设 计小组内将其进行划分然后单独处理，然后导入到软件中并通过主模型的系统 集成器进行自动集成。这样就可以提高效率节省项目的时间。 6 ) 与实验并行处理：a u t o s e a 提供了一个与实验统计能量分析集成的综合 接口( a u t o s e a - x ) ，可以通过这个接口导入各种格式的实验数据文件。这样通 过在数据库中使用实验结果文件就可以建立一个混合的分析模型( 实验与仿 真) ，这样就提高了分析结果的可信度。 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 2 2 3a u t o s e a 模型的建立过程 一旦所研究系统的外形尺寸被定义下来，在产品系统设计的最初阶段，我 们就可以利用a u t o s e a 建立声振模型，进行噪声振动的分析及设计。具体说来 一般按以下的步骤来建立模型以及有效化。 首先将已有的系统c a d 或f e 模型导入的a u t o s e a 中。然后根据设计研究 的需要在导入的模型上选取点，建立系统或部分级别的声腔和结构子系统。这 一阶段的工作不需要很精细的设计，在后续的研究过程中，还需要对模型进行 不断的修改。 接下来是创建及应用各种物质、属性和参数。这一步是很关键的，也是很 复杂的一步。首先我们创建各种物质和各物质的物理属性，然后将这些应用于 相应的子系统中。同时，还需要确定其他的一些参数，比如自损耗因子，耦合 损耗因子。这些参数的值可以手动的设置，也可以直接从外部的试验数据导入。 这些数据都储存在后台的数据库中，但我们可以在3 d 窗口中直接应用于各子系 统。 子系统创建完毕后，需要将各个声学和结构子系统连接起来成为完整的系 统。这个工作在a u t o s e a 中变得异常的简单，只需点击按钮“自动连接”，程序 自动完成系统的连接过程。在3 d 窗口中，我们可以直观的看到点连接、线连接 和面连接的实体形象，它们是可选中编辑的红色实体。 定义噪声和振动激励，并将他们加载到系统中的正确位置，至此，声振仿 真模型建立起来。求解计算模型。 模型计算后，我们就可以根据需要取得各种结果，它们都是频率的函数， 且以图表的形式显示。这些结果包括噪声值、振动的速度及加速度、两子系统 间的传递函数、模态能量、所有的能量输入、所有的能量输出。同时还可以用 热力图的形式将所有子系统的能量大小用不同的颜色来区分，这样可以直观的 看到系统能量分布，也可以很容易的得出能量传递的路线。a u t o s e a 中的图表 以及3 d 显示使我们很容易的找到对研究目标的噪声和振动水平影响 最大的参数，通过设计就可以找到最为优化的解决方案。通过不断的优化 设计得到最终模型，将此模型交付生产，这个模型的噪声和振动品质是得到保 障的。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章模型建立及参数确定 301 高速船声振模型建立 3 1 1 子系统的确定 统计能量分析( s e a ) 之所以能为受高频宽带随机激励的复杂工程结构系统 提供计算动力响应的方法。就是因为它能够把复杂系统( 包括机械的或声学的 系统) 划分分为不同的模态群，并