（水声工程专业论文）基于模态分析方法的有源声学结构研究.pdf

初、次级结构的能量转化机制，利用结构表面声强的变化对此进行了验证；最后 对控制前后声场中的声强和声压分布变化进行了计算分析，揭示了次级板的面 积、布放位置及个数对降噪效果的影响。 ( 6 ) 采用分靠式平面声源作为次级声源，对振动钢板的声辐射进行了抵消 实验，验证了以往研究中的一系列关键理论结果。主要内容包括：1 ) 次级声源 的伟放准则验证；2 ) 平面声源的面积和布放位置对降噪效果的影响；3 ) 基于近 场声_ r i 三的误差传感策略有效性验证，将近场测量面声功率作为有源控制目标函数 的有效性验证；4 ) 控制前后声场中声压和声强的变化规律。 关键词：有源噪声控制，有源声学结构，结构声辐射，振动模态，声辐射模态 a b s t r a c t a c t i v ea c o u s t i cs t m c t u r e ( a a s ) p r o p o s e di nr e c e n ty e a f sh a sb e e nv i e w e da sa l l e n c o l l r a g i n g 印p r o a c ht oa c t i v e l yc o m r o ls o u n dr a d i a t i o nf 如mv i b r a t i n gs t m c t l l r e s ， w h i c hi sa na p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e ms t m c t u r e si m om ef i e l do fn o i s ec o m r 0 1 mt l l i s d i s s e n a l i o n ，t b ek e yp r o b 】e m se n c o u n t c r e di 1 1t h ej m p l e m e n t a t j o no fs u c has t m c t i l r e h a v eb e e i li n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l ya 1 1 de x p e r i m e m a l l yb a s e do nm o d a la n a l y s i s 印p r o a c hw h i c hl i n k ss t m c t u r a lv i b r a t i o nm o d e st oa c o u s t i cr a d i a t i o nm o d e s t h em a i n r e s e a r c h 、v o r k sd o n ea r el i s t e da sf o l l o w s ( 1 ) a c t i v ec o n t r o jo fs o u n dr a d i a t i o nf 如mv i b m t i n gs m _ l c t u r ea r es u m m a r i z e d s y s t e m a t i c a l l y a i l dt h ec o 而g i l r a t i o na n dm a i nf e a 嘁so fa a s 甜ea i l a i y z e da n dt h e k e yt e c h m c a lp r o b l e m sn e e d e dt ob es o l v e da r ep o i n t e do u t ( 2 ) s o 吼dr a d i a t i o nf 如mv i b r a t i n gs 咖c n 鹏si sa 1 1 a l y z e db a s e do ns t m c n l r a l v i b r a t i o nm o d ea i l da c o u s t i cr a d i a t i o nm o d er e s p e c t i v e l y t1 1 l ea p p r o a c hu s e dt o c a 王c u l a t et h en o 瑚a lv e l o c i 够o fv i b r a t i i 培s t m c t i l r es u r f a c ea r l ds o u n dp r e s s u r ei s p m v i d e ，a n dan e a r f i e l da p p r o a c hi su s e dt oo b t a i nt h es o u n dp o 、v e fo u t p u to fa v i h m n gb o d y t h e ns t n l c t i l r a lv i b r a t i o nm o d e sa i l d a c o u s t i cm d i a t i o nm o d e s 眦 c o m b i n e dt oi l l v e s t i g a c es o 啪dr a d i a t i o nf 如mav i h 灿唱s 仃u c 眦锄d 咖k e yi s s u e s a 陀s o l 、，e d ：1 ) t l l ed o m i n a n t 姻d i a t i o nm o d e sc 呲s p o n d i n gt od i f r c r c n ts m l c t i l r a l v i b 均t i o nm o d e so r 疗c q l l e n c i e sa 阳d e t e m i n e d ；2 ) m ee 丘e c t so fs t r u c t i l 】r a lm o d a l c o u p l i n go nt b et o t a lr a d i a t e ds 咖dp o w e r a r ea s s e s s e dq 啪t i t a t i v e l y ( 3 ) n 圮s h u c t 咐l a c o u s t i cc o 叩l e dm o d e lo fa a sh 硒b e e ne s t a b l i s h e d p h y s i c a l m e c h a i l i s m so fa c t i v ec o n 由r o lo fs o u n d 瑚i d i a t i o nw i t l la a sa r ei l l v e s t i g a t e da n dm c m l e sf o r c o n d a r ys o u n ds o u r c e sm t a n g e m e ma r c 百v e n b a s e do ns t n l c t i l r a lv i b 瑚t i o n m o d ea n da c d u s t i cr a d i a t i o nm o d e ，t h el a w s o ft h e 孤r a n g c m c n to p t i m i z a t i o f s e c o n d a r ys o u n ds o u r c e sa r ed 甜v c df o rd i 虢r 咖k i n d so f c o n d i t i o 鹏t h ee f r e c t so f t h e a r e aa n dm o d a ld i s 砸b m i o no f s e c o n d a r yp a n e io na c t h er e d l l c t i o na e x 锄i i i e d ( 4 ) t w ol ( i n d so fn e 扑f i e l de r r o rs e n s i n gs 仃a t e g i e sf o ra a sb 邵e do nd i 嘶b u t e d d i s p l a c e m e n ta i l dn e 小f i e l ds o u n dp r e s s l l r eh a v eb e s t u d i e d al i i i l i t e dn u m b c ro f p v d ff i l mp a i r sc o u l db eb o n e dt ot h es u r 蠡l c eo ft l l cp r i m a r yp a n e l 柚ds e c o n d a r y p a n e l sf o rm e 踟咖gt h et o t a lm er a d i a t e ds o u n dp o w e f t h es h 印eo ft h ep v d fp a i r s 卸dc o r r e s p o n d i i l gr e d u c t i o ni n l er a d i a t e ds o u n dp o w e ra r ea c h j e v e d i nd e s i 咖n g p v d fs e n s o r s ，i ti sd i 伍c u l tb i i ti m p o n 锄tt oc h o o s et l l em a ) ( i m u mo r d e ro fs h a p e c o e 仃i c i e n t sa n dt h eo r d e ro ft 1 1 es t r l l c n l r a lm o d e s a i l dt oc i e t e n n i n em el o c a t i o no ft i l e l i i c e n t e r1 i n ef b rp l a c i n gt h ep v d fp a i r s an e wa p p r o a c ho fd e s i g n i n gp v d fp a i r si n p a r t i t i o n e df k q u e n c yb a n di sp r e s e n t e dt or e s o l v et h ec o n n i c ti nt h ec h o o s i n gp r o c e s s t h eo p t i m i z e dd e s i g na p p r o a c ha i l dt h ec r i t e r i o nf o rd e t e r m i n i n gt h el o c a t i o no ft h e c e n t e rl i n ef o rp l a c i n gt h ep v d fp a i r si sg i v e n a c t i v ec o n t r o lu s i n gs t m c t u r es l l r f a c e p r e s s u r ea j l dm e a s u r i n gp l a n ep r e s s u r es e n s i n gi si n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y t h r e ek i n d o fn e a r n e l dp r e s s u r eb a s e da c t i v ec o m r o lc o s tf u n c t i o n sf o ra a sa r ep r e s e n t e da n d 印p l i e dt oa c t i v ec o n t r o lo fr a d i a t e ds i n g l ea n db r o a d b a n dn o i s e c o m p u t e rs i m u i a t i o n s o ns o u n dp o 、e rr e d u c t i o nu n d e rt 1 1 r e ec o s tm n c t i o n sa r cc o n d u c t e dt os h o w l ev a l i d i t y o ft h ec o n t r o ls t m t e g i e s a c t i v ec o n t r o le f 亿c tf 如mt w od i f r e r e mh n d so fe o rs e n s i n g s t r a t e g i e si sc o m p a r e d ( 5 ) p h y s i c a lm e c h a n i s mo fn o i s er e d u c t i o ni na a s i si n v e s t i g a t e df r o ms e v e r a l d i f f 色r e n tp o i n t so fv i e w f i r s t l y ，t h ep h y s i c a lm e c h a n i s mi sa i l a l y z e db 嬲e do na c o u s t i c r a d i a t i o nm o d ea i l dt h er e l a t i o n s h i pb e 铆e e i lt h er a d i a t i o nm o d e sw h i c hc o u l db e c a i l c e l l e da n dt h en u m b e ro fs e c o n d a r ys o u n ds o u r c e si so b t a i n e d s e c o n d l y ，u n d e rt h e m i n i m i z a t i o no ft i l et o t a ls o u i l dp o w e ro u t p u t ，m ep h y s i c a lm e c h a i l i s mi si n v e s t i g a t e d b ya n a l y z i n gt h es o u n dp o w e ro u t p u tc h a n g eo ft h ep “m a r ya i l ds e c o n 出【r ys t m c t u r e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r et h r e em e c h a n i s m si na c t i v ec o n t r o l ，w h i c ha r ee n e 唱y r e s t r a i n t ，e n e r g ya b s o r p t i o na 1 1 de n e r g yu n a b s o r p t i o n t h ec h a n g eo fs o u n di m e n s i t y d i s t r i b u t i o no fs t r u c t i l r es u r f a c ei sc a l c u l a t e dt ov a l i d a t et h ea b o v ec o n c l u s i o n f i n a l l y ， t l l ec h a l l g eo fs o 咖di m e n s 时a i l dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni sc a l c u l a t e da 1 1 da i l a l y z e d f o r n e a r - f i e l ds o u n di m e n s i t yd i s t r i b u t i o n ，t h ee 丘b c to fa c t i v ec o n t r o li sr e v e a l e db y a m p l i t i l d er c s t m i n ta n dd i r e c t i o na d j u s t i n gf o rs o u i l di n t e n s i 够 ( 6 ) e x p e r i m e n t sf o ra c t i v ec o n t r o lo fs o u n dr a d i a t i o nf 如mav i b r a t i n gs t e e lp l a t e 1 1 s i n gd i s t r i b u t e dp l a i l a rs e c o n d a f ys o u r c e s 孤ec o n d u c t e d t h ee x p e 劬e n t a lr e s u l t s s h o wm a t ：1 ) u s i n go n ep l a i l a rs e c o n d a r ys o u r c e ，m es o u n dp o w e ro f ( o d d ，o d d ) m o d e s c 锄b er e d u c e d 2 ) u s i l l gt 、v op l a n a rs e c o n d a r ys o u r c e s ，t h es o 瑚dp o w e ro fn o to n l y ( o d d ，o d d ) m o d e sb u ta l s o ( o d d ，e v e n ) m o d e sc 觚b er e d u c e d 3 ) t h ea r e a a n d a m n g e m e n tl o c a t i o no fp l a l l a r 辩c o n d a r ) ，s o u r c e sh a v ei m p o r t 龃ti n n u e n c eo nn o i s e f e d u c t i o n u s i l l go n ep l a n a rs e c o n d a r ys o u r c e ，t l l el a r g e rt h ea r e ai s ，t l l eb e t t e rt h e c o n t r o le 矗 e c ti s 4 ) t h en e a rf i e l dp r e s s u r eb 船e d rs e i l s i n gs t r a t e 百e sa r ce 丘毫c t i v e a i l df e a s i b l e t h es o u n dp o w e rc a l c u l a t e di nt e m so ft h es o u n dp r e s s u sa b o v e n e a r f i e l dm e a s u r i n gp l a n ec a i lb eu s e da sa no b j e c t i v e 矗m c t i o 玑w i l i c hi sc o t 塔i s t e n t w i t ht i l et o t a lr a d i a t e ds o u n dp o w e l5 ) a f i e rc o m r o l ，t h ef hf i e l dp r e s s u r ea 1 1 di n t e n s i t y c a nb er e d u c e da n dp a n i a ia c o u s t i ce n e 唱yi s 打a i l s f 毫r r e di n t on e a rf i e i d ，t i l ed i s t 曲u t i o n o f n e a rf i e l dp r e s s u r ea n di n t e n s i t ya r ea l s oc h a n g e dd i s t i n c t ly k e y w o r d s ： a c t i v en o i s ec o n t r o i ，a c t i v ea c o u s t i cg 岫j c t i l r e ，s o u n dr a d i a t i o n 行d m v i b m t i n gs t m c t u r e s ，s 协j c t 啪lv i b r a t i o nm o d e ，a c o u s t i cr a d i a t i o nm o d e 曲j 匕i 、止人学博十学何论文 j m 岛，t p 。h ，e jx ，lv ，l l 。， s s 。 s 。 篮 丛 ( 矗，儿) ，晶 ，印 纪 矿。( x ) ，妒。( y ) 妒m n ， ，p 纯 9 叩。 1 g 伊 8 。 “ 4 。 f 。 珊 ，m ” 符号说明 频率和角频率 介质密度、声速及波数( 七= 国“) 平板的密度、厚度及弹性模量 矩形平板的长和宽，= m a x “，。) 初、次级板之间的距离 平板的面积 次级板的面积 初级板的面积 平板第f 个面元的面积 平板的面元面积( 各面元面积相等) 平板的第n 个面元中心的坐标 初、次级板构成的封闭空| 、日j 体积 初、次级板振动引起的体积增量和密度增量 第f 阶振动模态函数 第脚阶振动模态函数沿瓜】，方向的分解函数 矩形板第( m ，肝) 阶振动模态函数 次级板的第珂阶振动模态函数 初级板的第玎阶振动模态函数 第f 阶振动模态向量 矩形板第( 聊，咒) 阶振动模态向量 矩形板第( 肌，玎) 阶振动模态矩阵 矩形板振动模态矩阵中的行向量 矩形板振动模态矩阵中的列向量 第f 阶振动模态的相位 第f 、，两阶振动模态间的相位差 基于速度的第f 阶振动模态幅度 基于位移的第( m ，玎) 阶振动模态的模态幅度 简支矩形板第( m ，”) 阶振动模态的固有频率 简支矩形板( 所， ) 模态的固有频率( 圆频率) 第( m ，”) 阶振动模念的阻尼比 v 符号说明 l l f f 。 以x ，y ) v ，y ) v ( s ) k 矿 y i y d y s l e t o 矿 v 仇 ( 只，谚) p ，( x ，y ，f ) p p ) p o ) 第( 肌，玎) 阶振动模态的广义模态力 初级板的外部激励力 声场对初级板的作用力 声场对次级板的作用力 次级控制力向量 最优强度的次级控制力向量 在声场作用下的第，个次级板的第胛阶模态力 在声场作用下的初级板的第 阶模态力 第，个次级板上的控制力 第，个次级板上的次级作用力 第，个次级板第埘个面元及其对应的初级板面元上的压力 结构振动位移 结构表面法向振速 结构表面任一点s 的法向振速 平板第n 个面元中心的法向振速 第f 个振动模态的振速向量 初级板的法向振速向量 初级激励力作用下的初级板法向振速 声场作用下的初级板法向振速向量 第，个次级板的法向振速向量 第，个次级板在声场作用下的表面法向振速向量 第，个次级板在单位强度控制力作用下的表面法向振速 将吆前后补零后的列向量( 与初级板振度向量长度相同) 全部次级板法向振速向量组成的列向量 将e 后面补零后的列向量( 与初级板振速向量长度相同) 初、次级板总的振速列向量 法向振速矩阵( 由振速向量y 转化而来，v 中各元素位置 与平板上各面元的几何位置相对应) 入射平面波的幅度 入射平面波的入射角 入射平面波在平板上的声压分布 声场中观察点，处的声压 结构表面点s 处的声压 o f c 曲北j 业人学博十学何论文 平板第f 个面元上的复声压 第m ，疗) 阶振动模态辐射的远场声压 各面元上的声压组成的列向量 初级结构产生的近场声压向量 次级结构产生的近场声压向量 近场测量面上每个辐射面元上的声压组成的列向量 结构表面s 上的任意点j 到声场中点r 之间的距离矢量 结构表面s 上的任意点s 到声场中点r 之l 日j 的距离 声场中的观察点至第”个面元中心的距离 第f 个面元和第，个面元的l 、日j 距 源面上第”个面元到测量面上第朋个面元之间的距离 传输阻抗矩阵 辐射阻矩阵( 皿= s r e ( z ) 2 ) 矩阵眉中的各分块矩阵 辐射阻矩阵胄的特征向量组成的矩阵 传输导纳矩阵( 传输阻抗矩阵z 的逆) 传输导纳矩阵l ，的实部变换( g = s r e ( i ，) 2 ) 矩阵g 的特征向量组成的矩阵 格林函数矩阵 测量面上的导纳矩阵 辐射阻矩阵月的第七个特征值 矩阵g 的第七个特征值 辐射阻矩阵晨的特征值构成的对角矩阵 矩阵_ d 的特征值构成的对角矩阵 基于振速的第七阶声辐射模态( 矩阵眉的第七个特征向量) 第阶声辐射模态矩阵 矩阵q 。的第，个行向量 矩阵q 。的第f 个列向量 第j | 阶辐射模态矩阵q 。中与第，个次级板对应的分块矩阵 基于近场声压的第七阶声辐射模态( g 的第| 个特征向量) 基于振速的第七阶声辐射模态幅度 声辐射模态的一种改进形式 初级结构第七阶辐射模态幅度 冠 ， ， ， ， n p o只巴啪删。oz置即q y g d q呸五如彳以吼毗叭姒以炸 符号说明 ” 而， p f f ( x ，y ) 八x ) ，厂( 力 g 吼，g ， 口 j d f | 。 次级结构第阶辐射模态幅度 第，个次级结构的第七阶辐射模态幅度 第，个次级板第盯阶振动模态与第七阶辐射模态矩阵的内积 第( 研，聍) 阶振动模态向量与第i 阶声辐射模态向量的内积 基于速度的声辐射模态幅度向量 基于近场声压的第女阶声辐射模态幅度 基于近场声压的声辐射模态幅度向量 结构表面任意点5 处的声强 结构辐射声场中任意一点r 处的声强矢量 总声功率 控制前初级结构的辐射声功率 控制后初级结构输出的“净”声功率 控制后次级结构输出的“净”声功率 有源控制后的最小声功率( 以为目标函数) 第七阶声辐射模态的声功率 不考虑振动模态间的耦合得到的结构辐射声功率 奇奇模态自身的辐射声功率 偶奇模态自身的辐射声功率 奇偶模态自身的辐射声功率 偶偶模态自身的辐射声功率 第f 阶振动模态自身对结构辐射声功率的贡献 第f 阶和第，阶振动模态问的耦合对结构辐射声功率的贡献 第f 、_ ，两阶振动模态间的耦合对辐射声功率的影响因子 p v d f 薄膜的厚度 p v d f 的压电常数 p v d f 薄膜的形状函数 p v d f 薄膜在瓜y 方向的形状函数 p v d f 薄膜的输出电荷 卫y 方向p v d f 薄膜的输出电荷 p v d f 对的输出电荷放大倍数 源面声功率( 总声功率) 以，。为有源控制目标的最优次级力源强度 以，。为有源控制目标的最小辐射声功率 ，如只地m睨嘭 曲北i 业人学博十学何论文 k 个主导声辐射模态的幅度向量 k 个主导声辐射模态对应的加权系数矩阵 k 个主导声辐射模念的声功率之和 以j 。为有源控制目标的最优次级力源强度 以t ，。为有源控制目标的最小辐射声功率 针对宽带辐射噪声设定的有源控制目标函数 以i ，。为有源控制目标的最优次级力源强度 以以为有源控制目标的最小辐射声功率 源面上辐射面元声压平方和 测量面上的声功率 以j 。为有源控制目标的最优次级力源强度 以厶为有源控制目标的最小辐射声功率 测量面上k 个主导声辐射模态的幅度向量 测量面上k 个主导声辐射模念的声功率 测量面上k 个主导声辐射模态对应的加权系数矩阵 测量面上k 个主导声辐射模态的声功率之和 以厶。为有源控制目标的最优次级力源强度 以j 0 为有源控制目标的最小辐射声功率 测量面上辐射面元声压平方和 以，。为有源控制目标的最优次级力源强度 以j 。为有源控制目标的最小辐射声功率 半球面上的平均声压级 噪声的声功率级 第f 个测量点的声压级 矩阵f 行，列处的元素 复数共轭 矩阵转置 矩阵共轭转置 取复变量的实部 矩阵的秩 两矩阵的内积 冲激响应函数 最以以以以厶k厶4厶o k b蛳伊蜊触刚 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。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。本人允许论文被查 阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：查! 兰 卯7 年6 月一日 指导教师签名：j 逝 西北工业大学 。7 年6 月( 7 日 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已 申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 务又 妒7 年6 月f 7 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 噪声控制在军事和民用领域都是一个十分重要的问题。在社会生活和工业生 产中，噪声问题同益突出。随着社会经济的不断发展，人们对环境问题的关注程 度越柬越高，噪声污染作为一个重要的环境问题受到人们的广泛重视。长期暴露 在高噪声环境下对人的听力和身体健康将造成严重危害，一般性的噪声也会对人 们的正常生活和工作产生不同程度的影响。同时，强烈的噪声会导致机器设备和某 些工业结构的声疲劳，长期作用会缩短其寿命，甚至有可能导致事故的发生。在 军事领域，噪声问题将会影响某些技术兵器的作战性能。对于海军舰船和水中兵 器来说，自身的辐射噪声不仅会暴露自己，降低隐蔽性，同时，自噪声也会使声 自导系统的作用距离和精度下降。另外，噪声会影响舰船上人员身心健康，降低 工作效率。 从控制策略上讲，噪声控制可以从噪声源、噪声传播途径和噪声接受者三方面 入手i l 2 1 。从技术途径上看，噪声控制方法可分为“无源”控制( p a s s i v en o i c o n n d l ) 和“有源”控制( a c t i v e n o i s ec o n t r 0 1 ) 两大类。其中无源控制技术( 又称被动控 制) 包括吸声处理、隔声处理、使用消声器、振动的隔离、阻尼减振，等等。这些 噪声控制方法的机理在于，通过噪声声波与声学材料或声学结构相互作用消耗声 能，从而达到降低噪声的目的。此外，振动也是产生噪声的主要原因，因此采用减 振隔振等措施也可以有效控制噪声。一般说来，无源噪声控制方法仅对中高频噪声 的控制较为有效【l 2 1 ，而对低频噪声的控制效果不大。为了降低低频噪声，有源噪 声控制( a c t i v cn o i s ec o n 打o l ，简称a n c ) 给出了新的解决办法p 4 j ，成为与无源 噪声控制相并列的一项新技术。从实现方式上，a n c 可分为两大类l l j ：有源声控制 和有源力控制。有源声控制1 5 j 指的是利用声源( 如扬声器) 作为次级源产生反声场 ( 次级声场) 抵消不需要的噪声，因此又被称为有源消声，在有些文献里也被称为 “以声消声”：而有源力控制l 贝0 是利用激振器激励声辐射结构( 初级结构) 产生反 声场，从而控制原声场。近年来，为了促进有源噪声控制技术在工程中的应用，一 种新的有源噪声控制方法一有源声学结构【7 j 应运而生，它以分布式声学作动器为基 础构建次级声源，通过控制器调节次级源强度来控制初级声场。有源声学结构集中 了有源声控制和有源力控制方法的优点，是智能结构在噪声控制领域的具体应用， 曲北i ：业人学博十宁何论文 代表了有源噪声控制技术发展的新阶段。 噪声控制技术的方法分类如下所示。 噪声控制 1 2 结构声辐射有源控制 1 9 3 3 年，德国物理学家p a u ll e u g ( 1 8 9 8 1 9 7 9 ) 提出的专利“消除声音振荡的 过程( p r o c e s so f s i l e n c i n gs o u n d o s c i l l a t i o n ) 9 1 ，开创了有源噪声控制研究的先 河【1 0 】。7 0 年来，在全世界科学家的共同努力下，有源噪声控制研究确实取得了令人 鼓舞的巨大进步，已经建立了它自己的理论体系和独具特色的研究方法【4 。“，工程 应用也正在逐步走向成熟- ”】。 在实际噪声控制工程中，结构诱发声( s t n l c t i l r e _ i n d u c e ds o l l l l d ) 控制问题占了 相当比例。所谓结构诱发声，指的是外部激励力直接作用于弹性结构或声波入射 到弹性结构上，引起该结构振动向空间辐射产生的声波，具体表现为结构振动声 辐射、声透射和声反射等形式，对其实施有源控制的途径有两种【l j ：有源声控制和 有源力控制。 相对说来，有源声控制的研究历史要长得多、发展也更为成熟，在一些特定场 合领域已获得实际应用，如管道有源消声【1 3 1 4 1 、有源抗噪声耳罩和送话器【1 5 1 剐等。 在三维空间a n c 方面，人们更是倾注了极大热情，耗费了大量人力、物力。例如， 欧盟1 1 个国家的2 2 个研究机构合作完成的一项飞机舱室噪声有源控制的专题研 究【1 9 】a s a n c a ( a d v 锄c e ds t u d yo f a c t i v en o i s ec o n 仃o l i na i r c r a f i ) 。虽然这次 实验及类似的工作【2 肚2 5 1 证明了大尺度复杂三维空间声场a n c 是可行的，但是，由 于它采用了大量的分散配置的集中参数次级声源( 扬声器) 和误差传感器，使整 个系统硬件庞杂，重量大，同时控制系统也非常复杂，且稳定性相当差。d e 肋y e 和n e l s o n 等人的研究【2 6 】也表明：用点声源抵消结构振动声辐射这一途径的应用范 围是十分有限的。 针对结构振动声辐射产生的噪声，f u l l e r 等人发展了有源力控制技术【2 7 q 引，也 被称为有源结构声控制( a c t i v es t r u c t 啪la c o u s t i cc o n t r o l ，简称a s a c ) ，是直接在 第一章绪论 振动结构( 称为初级结构) 上施加次级力源，改变结构响应来抑制辐射声功率。 十几年来，虽然人们在控制方式、消声机理等方面已取得长足进步，但总的说来 仍然处于原理研究阶段。障碍它向工程应用的主要原因在于实际中的结构一般都 是复杂结构，振动响应非常复杂，各种次级力源来控制都难以取得理想的效果 p ”。另外，a s a c 如果应用于轻型结构，次级力源的长期作用很容易诱发结构 疲劳，造成事故隐患，这在航空、航天等领域是严格禁止的【3 8 】；对于厚重结构和 刚度大的结构( 如舰船、飞机壳体等) ，次级力源将耗费大量能量，控制效率低， 且不易实施【4 0 1 。 总的说来，以往采用的有源声控制和有源力控制方式的致命缺点是系统配置 ( 次级源和误差传感器的个数和位置) 强烈依赖于外界环境( 噪声源的分布方式、 声学空间类型等) ，使得系统的通用性很差。例如，对于简单声源和平板结构声辐 射的有源控制，次级源的布放规律就大不相同；在自由空间和封闭空间，次级源 和误差传感器的布放也有很大差异。因此，次级源和误差传感器的布放与所处的 声学环境密不可分，存在系统优化问题。每遇到一种新的声学环境，就需要寻找 特定的解决方案，这使得它在工程应用方面进展不大【1 2 l 。另外，它还需要位于远 场的误差传感器检测辐射声压作为误差信号，这在许多情况下是不允许的，因为 降噪点( 误差传感器所在位置) 常常是人员活动的空间。 1 3 有源声学结构的组成和特点 有源噪声控制技术，从最初提出概念到现在已有7 0 余年的历史。即使从研究 有源噪声控制的第一次高潮( 上世纪7 0 年代中期) 算起，也有近3 0 年的时间了， 在如此长的一段时间内，世界各国投入大量人力、物力展开了从基础理论到实际 应用各方面的研究，然而，到目前为止，有源控制技术仍然还没有获得大规模的 工程应用。与其他技术和产业相比，这种发展速度无疑是相当慢的。之所以如此， 一个重要的原因就在于上面提到的有源控制系统的分布式特点。由于系统配置( 次 级源和误差传感器的个数和位置) 强烈依赖于外界环境( 噪声源的分布方式、声 学空间类型等) ，使得系统的通用性很差。于是，每遇到一种新的声学环境，就需 要采用科研攻关的方式寻找特定的解决方案。即使系统通过了试验环节，能够运 行，但它的安装、调试、维修均需要关于声学、振动理论、信号处理等方面深入 的专业知识，这给它的工程应用和市场推广带来了严重限制。有鉴于此，人们提 出了有源声学结构的概念并进行了大量研究，希望在一定程度上可以克服上述缺 点。另一方面，材料科学与工程领域中关于“智能材料”的研究也大大促进了有 曲北f 业人学博十学付论文 源声学结构的研究。 有源声学结构概念的提出，在时问上稍后于有源力控制的提出，发展进程也 落后于它，它又被称为自适应声学结构( a d a p t i v ea c o u s t i cs t r u c t i l r e s ) 、有源声学层 ( a c t i v ea c o u s t j cc o a t i n g ) 或有源声学泡沫( a c t i v ea c o u s t i cf o 枷) ，等等。总之， 它是机敏结构( s m a ns t r u c t u r e s ) 或智能结构( i n t e i l i g e n ts t m c t u r e s ) 在振动和噪声 控制中的应用。 在发展先进复合材料的过程中，合成材料的内涵和性能同益丰富，出现了所 谓的功能材料或功能结构。功能材料组成的系统也称为功能结构，它分为两大基 本类型：作动结构( a c t u a t i n gs t m c t u r e ) 和感知结构( s e n s o r ys t m c t u r e ) 。进一步的分类， 以及不同结构之间的相互关系如图l 一1 所示1 4 “。 a 作动结构、昏感知结构、c 可控结构 d 一有源结构、e 智能结构 图1 1 不同结构划分示意图 作动结构通过作动材料或作动元件( 以下通称为作动器) 改变整个结构的状 态和特征，或者有目的地改变自身的几何形状。感知结构拥有传感器，对外界或 内部的刺激具有感知的特性，它可以监测和诊断系统的状态和特征。因此，作动 结构和感知结构的组成有根本区别，前者拥有作动器，后者拥有传感器。 作动结构和感知结构的交集是可控结构( c o m r o l l e ds t n l c t i l r e ) ，它具有两种结 构的共同特点，既拥有传感器，又拥有作动器，同时还配置了控制器。在感知外 界或内部刺激后获得相应信息，然后将该信息传入控制器，控制器调整作动器输 出，最后改变自身特性达到特定目标。可控结构中的传感器、作动器和控制器是 分散配置的，因此，称它为可控系统更合适。如果将可控结构中的作动器和传感 器适当集中，该结构就成为所谓的有源结构( a c t i v es t n l c t u r e ) 。从总体上看，由于作 动器和传感器与基体材料集成在一起，整个结构可以看成具有特殊功能的单一结 构了。 4 第一章绪论 比有源结构层次更高的是所谓的智能结构或机敏结构。智能结构指称的范围 t e 有源结构更窄，在这种结构中，传感器、作动器与基体材料高度集成，甚至融 合在一起，从外部看，它更像是一个具有集中参数的复合结构。另外，由于控制 器采用更加灵活的控制算法，因此，整个结构看起来具有“智能”特性。因此有 时它也被称为智能材料或智能材料系统【4 “。 智能结构的“智能”主要体现在控制系统对信息的处理上，它的作动器和传 感器的集成度比有源结构高得多，有时能够达到“融合”的程度，这种融合不但 改变了基体材料的力学特性，而且由于传感器和作动器深入基体材料中，它们性 能有可能发生变化，因此作动器和传感器往基体材料中的埋入应满足如下基本要 求：强度相容、界面相容、工艺相容、场分布相容和尺寸相容。上述要求满足后， 整个结构与传统意义上的单一均质结构在外部特性上就非常接近了。 如果控制结构的目的在于控制改变其声学特性，如辐射声功率最小、声吸收 能力最大等等，则这些结构可以相应地加上“声学”的限制语，如自适应声学结 构、有源声学结构、智能声学结构等等。 按照上面关于功能结构的分类标准，以往的自适应有源噪声控制系统基本上 可以看作是一种可控声学结构。为了最大限度地克服它的分布式特征，发展有源 声学结构是很有必要的。因此，研究人员【4 7 】设想以分布式声学作动器为基础构建 较大面积的延展式次级声源( 或者几个这样的次级声源的组合) 安装于初级结构 表面( 次级声源的安装方式需要精心设计，尽量避免初级结构和次级结构之间的 力学耦合) 。研究表明h 2 】：次级声源表面的振动信号、次级声源与初级结构形成 的腔体内部的声学信号与声空间远场声学量有确定的对应关系。因此可以采集这 些信号经过适当变换获得远场辐射声功率作为误差信号( 这种方式称为近场误差 传感策略5 3 弼】) ，这样就可以将误差传感器与次级声源集成在一起，再加上附属在 次级声源内部、体积小巧的控制器，由此构成了一种新型的自适应有源声学结构 ( a d 印t i v c ，a c t i v e a c o u s t i cs n l l c t u r c ，简称a a s ) 。 如将自适应控制器微型化并镶嵌于次级声学作动器中，就成为所谓的智能声 学结构【5 6 】。另外，将自适应声学结构与传统的无源隔声材料有机结合，可大大拓 展降噪频段，同时，根据有源控制目标的不同，它还可以成