可调动力吸振器降噪设计方法研究

第 28卷 第 5期2006年 10月 舰 船 科 学 技 术P 28, 5, 2006 文 章 编 号 : 1672 - 7649 (2006) 05 - 0043 - 05可 调 动 力 吸 振 器 降 噪 设 计 方 法 研 究杨 德 庆 ,戴 浪 涛(上 海 交 通 大 学 船 舶 海 洋 与 建 筑 工 程 学 院 ,上 海 200030)摘 要 : 可 调 动 力 吸 振 器 的 出 现 拓 展 了 动 力 吸 振 器 的 应 用 范 围 ,然 而 将 其 应 用 于 降 噪 声 学 设 计 ,目 前 研 究 得并 不 充 分 ,这 主 要 是 由 于 声 学 实 验 和 声 学 数 值 仿 真 的 代 价 与 难 度 所 致 。 本 文 采 用 声 学 边 界 元 法 与 结 构 动 力 优 化 方法 ,研 究 了 四 边 简 支 板 在 不 同 设 计 准 则 下 采 用 可 调 动 力 吸 振 器 进 行 降 噪 声 学 设 计 的 效 果 ,为 可 调 谐 动 力 吸 振 器 的 降噪 应 用 提 供 指 导 。 数 值 计 算 结 果 表 明 ,将 调 谐 、 解 调 作 为 声 学 设 计 策 略 各 有 优 缺 点 。 调 谐 策 略 的 优 点 是 能 将 动 力 吸 振器 作 用 区 域 附 近 的 振 动 降 为 最 低 ,但 并 不 能 保 证 噪 声 指 标 减 少 最 多 。 解 调 策 略 的 优 点 是 能 将 全 局 声 学 指 标 降 到 最低 ,但 在 实 际 应 用 中 噪 声 信 号 的 采 集 和 反 馈 控 制 代 价 过 高 。 本 文 建 议 采 用 振 动 水 平 极 小 化 策 略 来 代 替 解 调 和 调 谐 策略 进 行 声 学 优 化 设 计 。 数 值 计 算 结 果 与 文 献 实 验 结 果 的 对 比 验 证 了 本 文 策 略 的 有 效 性 。 同 时 本 文 研 究 了 动 力 吸 振器 参 数 对 主 振 系 统 整 体 和 局 部 模 态 的 影 响 。关 键 词 : 动 力 吸 振 器 ;降 噪 ;动 力 优 化 设 计 ;模 态中 图 分 类 号 : 文 献 标 识 码 : of ia te v 00030, V to m of on of of in p of ly p by of ic op ly it of m p a is p of In on of of ic op 日 期 : 2005 - 08 - 31基 金 项 目 :国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (10202014)0 引 言动 力 吸 振 器 常 用 于 刚 性 结 构 全 局 减 振 和 弹 性 结构 局 部 减 振 设 计 中 ,对 固 有 频 率 与 外 载 荷 频 率 比 较 接近 的 结 构 的 单 频 振 动 控 制 非 常 有 效 ,具 有 结 构 简 单 ,安 装 方 便 等 优 点 。 调 谐 是 动 力 吸 振 器 设 计 中 常 用 方法 ,该 方 法 能 把 动 力 吸 振 器 安 装 区 域 的 振 动 降 到 最低 1 - 3 。 然 而 ,采 用 动 力 吸 振 器 难 以 实 现 多 频 振 动 控舰 船 科 学 技 术 第 28卷制 。 对 于 多 自 由 度 复 杂 结 构 ,调 谐 并 不 一 定 能 将 结 构整 体 振 动 降 低 到 最 小 ,也 不 能 保 证 噪 声 指 标 减 少 最多 ,动 力 吸 振 器 的 单 频 调 节 特 性 使 其 难 以 满 足 具 有 宽频 特 性 的 结 构 声 学 设 计 要 求 ,因 此 很 少 采 用 动 力 吸 振器 进 行 减 噪 设 计 。 此 外 ,动 力 吸 振 器 布 置 不 当 可 能 会导 致 系 统 声 压 级 提 高 ,这 已 为 实 验 所 验 证 4 。 近 年来 可 调 动 力 吸 振 器 (的 出 现 ,使 动 力 吸 振 器 进行 多 频 结 构 振 动 控 制 与 降 噪 成 为 可 能 ,相 应 的 采 用 可调 动 力 吸 振 器 进 行 声 学 设 计 的 方 法 也 亟 待 研 究 。 文献 4 采 用 实 验 方 法 进 行 了 这 方 面 的 基 础 性 研 究 ,得到 了 非 常 有 益 的 结 果 。 实 验 中 以 所 采 集 的 噪 声 信 号作 为 目 标 量 ,利 用 最 优 反 馈 控 制 方 法 调 节 有 频 率 ,进 而 得 到 全 局 声 学 指 标 最 低 。 但 实 际 应 用 中不 可 能 像 文 献 4 那 样 布 置 和 采 集 如 此 多 的 声 信 号 ,因 此 必 须 寻 求 工 程 中 可 行 的 可 调 动 力 吸 振 器 降 噪 设计 方 法 。本 文 对 应 用 可 调 动 力 吸 振 器 进 行 降 噪 声 学 设 计问 题 进 行 研 究 ,采 用 声 学 数 值 计 算 和 结 构 动 力 优 化 设计 方 法 相 结 合 ,对 比 不 同 声 学 设 计 方 法 的 效 果 ,找 到工 程 可 行 的 设 计 策 略 ,为 可 调 谐 动 力 吸 振 器 的 实 际 应用 提 供 科 学 指 导 。1 可 调 动 力 吸 振 器 板 系 统 模 型 与 动 力 学特 性 分 析本 研 究 中 采 用 的 含 可 调 动 力 吸 振 器 (的四 边 简 支 矩 形 板 模 型 见 图 1。 简 支 板 的 长 度 38. 0 度 30. 0 度 t = 2. 1 板 材 料弹 性 模 量 E = 2. 0 1011 度 = 7 750 kg/可调 动 力 吸 振 器 安 装 位 置 为 x / 0. 65, y / 0. 45,总 质 量 200 g,基 态 刚 度 值 K = 1 138 785 N /m。 其 上作 用 一 单 频 简 谐 激 励 力 F,设 简 谐 激 振 力 作 用 位 置 为x / 0. 7, y / 0. 3, F = 1 N,频 率 为 256 可 调动 力 吸 振 器 的 原 理 是 调 节 弹 簧 刚 度 ,使 有频 率 发 生 变 化 ,进 而 影 响 系 统 的 动 力 学 特 性 。 以 文 献 4 中 调 动 力 吸 振 器 为 例 ,它 是 通 过 调 节 吸 振 器 开 口 距 离 来 改 变 刚 度 的 。动 力 吸 振 器 的 减 振 效 果 与 它 在 主 系 统 上 的 安 装位 置 和 设 计 参 数 有 关 。 当 动 力 吸 振 器 安 装 在 激 振 力作 用 点 处 时 ,则 主 系 统 结 构 的 整 体 振 动 被 抑 制 ,效 果最 佳 。 若 主 系 统 局 部 需 要 减 振 ,则 动 力 吸 振 器 应 安 装在 需 要 减 振 的 区 域 ,只 要 不 连 在 主 系 统 振 动 的 等 线上 ,动 力 吸 振 器 总 能 在 设 计 频 带 内 抑 振 。 当 不 限 制 动力 吸 振 器 的 安 装 位 置 时 ,则 应 将 它 安 装 在 需 抑 振 的 频率 响 应 最 大 处 。 当 动 力 吸 振 器 安 装 位 置 确 定 时 ,吸 振器 参 数 的 改 变 直 接 影 响 着 振 动 控 制 效 果 的 优 劣 。针 对 本 文 模 型 ,吸 振 器 安 装 位 置 已 经 确 定 ,我 们计 算 分 析 了 不 同 刚 度 下 可 调 吸 振 器 对 简 支 板 动 力 学特 性 的 影 响 。 表 1给 出 不 同 刚 度 可 调 吸 振 器 对 板 系统 模 态 的 影 响 ,图 2 9给 出 各 刚 度 下 系 统 第 二 阶 模态 振 型 。 可 见 ,可 调 吸 振 器 刚 度 对 板 系 统 模 态 的 影 响很 大 。表 1 不 同 刚 度 下 可 调 吸 振 器 对 板 系 统 模 态 的 影 响吸 振 器 刚 度K / (N m - 1 )各 阶 模 态 / 二 阶 三 阶 四 阶120 000 73. 088 137. 27 212. 54 261. 66236 514 75. 997 159. 3 235. 45 265. 75355 990 76. 896 167. 3 249. 97 278. 85517 734 77. 423 171. 62 254. 69 303. 78693 530 77. 707 173. 74 256. 0 324. 74697 120 77. 712 173. 77 256. 01 325. 08820 000 77. 834 174. 64 256. 42 335. 021 138 785 78. 026 175. 93 256. 94 348. 35图 1 含 边 简 支 板 示 意 图图 2 K = 120 000时 板 系 统 第 2阶 模 态图 3 K = 236 514时 板 系 统 第 2阶 模 态图 4 K = 355 990时 板 系 统 第 2阶 模 态44 第 5期 杨 德 庆 ,等 :可 调 动 力 吸 振 器 降 噪 设 计 方 法 研 究图 5 K = 517 734时 板 系 统 第 2阶 模 态图 6 K = 697 120时 板 系 统 第 2阶 模 态图 7 K = 1 138 785时 板 系 统 第 2阶 模 态2 可 调 动 力 吸 振 器 降 噪 声 学 设 计 方 法根 据 可 调 动 力 吸 振 器 频 率 与 外 载 荷激 励 频 率 的 关 系 ,可 将 其 使 用 状 态 分 为 基 态 ( 调 谐 ( 解 调 ( 3种 工 况 。 基 态工 况 对 应 于 把 吸 振 器 看 作 一 集 中 质 量 ;调 谐 工 况 为 动力 吸 振 器 固 有 频 率 与 外 载 荷 激 励 频 率 相 等 的 情 况 ;解调 工 况 为 采 用 反 馈 声 学 控 制 或 其 他 控 制 方 法 调 节 动力 吸 振 器 的 刚 度 ,使 其 达 到 减 振 降 噪 。 由 于 基 态 工 况相 当 于 在 系 统 某 位 置 加 了 一 个 质 量 ,不 进 行 刚 度 调节 ,不 具 备 柔 性 控 制 能 力 ,因 此 该 工 况 不 是 研 究 重 点 。下 面 详 细 研 究 可 调 动 力 吸 振 器 的 其 他 典 型 降 噪 声 学设 计 方 法 。2. 1 可 调 动 力 吸 振 器 调 谐 降 噪 声 学 设 计在 结 构 振 动 控 制 措 施 中 ,调 谐 是 比 较 常 用 的 方法 。 其 原 理 是 将 减 振 子 系 统 的 固 有 频 率 设 计 为 与 外载 荷 激 励 频 率 相 同 ,使 减 振 子 系 统 共 振 ,降 低 传 递 到主 系 统 的 振 动 能 量 。 这 种 方 法 应 用 到 降 噪 声 学 设 计中 ,实 质 上 是 要 考 核 出 调 谐 减 振 对 于 声 学 幅 值 降 低 的效 果 5, 6 。 针 对 可 调 动 力 吸 振 器 调 谐 声 学 设 计 ,设 外载 荷 激 振 力 频 率 为 则 可 调 动 力 吸 振 器 弹 簧 刚 度 应设 计 为K = (2 2M。 (1)式 中 ,M 为 可 调 动 力 吸 振 器 ( 量 。以 基 态 工 况 的 声 压 值 为 基 准 ,本 文 采 用 结 构 有 限元 +声 学 边 界 元 耦 合 方 法 计 算 了 系 统 辐 射 声 压 ,进 而衡 量 了 调 谐 声 学 降 噪 设 计 的 效 果 。 相 应 的 声 学 边 界元 模 型 和 球 面 场 点 网 格 模 型 见 图 8,计 算 结 果 见 表 2。图 8 边 界 元 计 算 模 型2. 2 可 调 动 力 吸 振 器 解 调 降 噪 声 学 设 计解 调 方 法 是 结 构 振 动 控 制 措 施 中 较 为 主 动 性 的措 施 ,如 通 过 修 改 结 构 尺 寸 使 结 构 固 有 频 率 避 开 外 载荷 激 励 频 率 ,或 采 用 反 馈 控 制 等 方 法 调 节 子 结 构 的 质量 、 刚 度 及 阻 尼 ,达 到 减 振 效 果 。 对 于 声 学 设 计 而 言 ,解 调 应 使 结 构 声 学 模 态 与 外 激 励 频 率 错 开 7 ,反 馈控 制 应 使 结 构 声 压 降 低 。 所 以 建 立 解 调 降 噪 声 学 设计 与 控 制 模 型 ,进 行 相 应 评 价 是 关 键 步 骤 。关 于 解 调 降 噪 声 学 设 计 模 型 的 选 取 ,目 标 函 数 与设 计 变 量 的 选 取 非 常 重 要 。 现 有 研 究 中 目 标 函 数 多选 取 为 系 统 近 场 辐 射 声 压 和 声 功 率 ,但 该 模 型 下 很 难建 立 目 标 函 数 与 设 计 变 量 的 显 式 表 达 式 ,只 能 通 过 现场 测 试 灵 敏 度 分 析 或 复 杂 的 流 固 耦 合 声 学 灵 敏 度 分析 来 建 立 ,在 产 品 预 研 设 计 阶 段 很 难 被 采 用 。 因 此 ,必 须 寻 求 其 他 方 便 工 程 应 用 的 声 学 设 计 模 型 ,本 文 进行 了 一 些 探 索 ,下 面 介 绍 相 关 模 型 理 论 。2. 2. 1 全 局 解 调 降 噪 声 学 优 化 设 计 模 型该 模 型 理 论 以 文 献 4 提 出 的 基 于 最 小 均 方 最速 下 降 梯 度 算 法 的 可 调 动 力 吸 振 器 全 局 解 调 降 噪 声 学设 计 方 法 为 代 表 。 其 内 容 为 在 简 支 板 半 径 为 0. 61 远 场 放 置 7个 麦 克 风 采 集 板 的 声 辐 射 远 场 声 信 号值 ,利 用 图 9基 于 最 小 均 方 最 速 下 降 梯 度 算 法 ( 噪 声 控 制 模 型 ,反 馈 调 节 率 值 实现 声 学 控 制 。全 局 解 调 噪 声 控 制 优 化 模 型 为fm k = 7i =1V t ( ) 2s. t. 90 f 310。 (2)54舰 船 科 学 技 术 第 28卷图 9 反 馈 控 制 流 程 图式 中 , 调 动 力 吸 振 器 (调 节 过 程 中 的 固有 频 率 ; V t ( )为 7个 麦 克 风 所 提 供 信 号 的 单 频 傅 立叶 变 换 值 ; 优 化 目 标 函 数 ,用 它 作 为 远 场 声 辐 射功 率 的 估 算 值 ,数 值 上 等 于 7个 麦 克 风 采 集 信 号 幅 值平 方 和 。 采 用 算 法 得 到 节 到 的最 优 固 有 频 率 165 用 结 构 有 限 元 +声 学边 界 元 耦 合 方 法 计 算 的 系 统 辐 射 声 压 见 表 2。上 述 声 学 措 施 下 板 的 声 压 变 化 值 见 表 2。 实 际应 用 中 噪 声 信 号 的 采 集 和 反 馈 主 动 控 制 代 价 是 很 高的 ,操 作 也 不 方 便 。 为 便 于 应 用 ,必 须 寻 找 设 计 中 可进 行 预 估 的 声 学 设 计 方 法 。 经 研 究 ,本 文 提 出 采 用 振动 水 平 极 小 化 策 略 来 代 替 全 局 解 调 策 略 进 行 声 学 优化 设 计 ,通 过 控 制 板 上 34个 节 点 位 移 来 达 到 降 噪 优化 设 计 效 果 。表 2 各 工 况 各 频 率 下 板 辐 射 声 压 变 化 值 ( 况 频 率 /00 125 160 200 250 315 400 500调 谐 - 2. 51 - 0. 55 0 1. 06 1. 22 4. 03 0 - 13. 73 - 2. 19解 调 - 6. 96 - 2. 02 0 16. 86 3. 68 - 9. 67 0 - 16. 06 - 3. 98振 动优 化 - 4. 14 - 1 0 3. 08 2. 08 - 1. 98 0 - 15. 07 - 3. 042. 2. 2 全 局 振 动 优 化 降 噪 设 计 模 型全 局 振 动 优 化 降 噪 的 原 理 ,是 通 过 优 化 控 制 板 的全 局 振 动 水 平 ,使 其 趋 于 最 小 化 ,从 而 达 到 控 制 板 的全 局 噪 声 。 具 体 到 本 系 统 ,以 板 上 34个 节 点 (位 置见 图 10)在 f = 256 动 位 移 值 平 方 和 极 小 化 为目 标 ,优 化 动 力 吸 振 器 弹 簧 刚 度 K,使 板 振 动 最 小 。全 局 振 动 优 化 降 噪 模 型 为 :m in d = 34i =1 f) 2s. t. 105 K 106。 (3)图 10 板 结 构 振 动 评 价 参 考 节 点 分 布 示 意 图式 中 , 振 器 弹 簧 刚 度 ; f = 256 f)为 振 动评 价 参 考 节 点 处 位 移 值 ; 4个 振 动 评 价 参 考 节点 处 位 移 值 平 方 和 。 关 于 振 动 评 价 参 考 节 点 个 数 的确 定 ,可 以 根 据 对 系 统 相 应 位 置 的 响 应 要 求 选 取 ,数目 不 宜 过 少 。采 用 序 列 二 次 规 划 法 解 得 最 优 吸 振 器 弹 簧 刚 度K = 355 990 N /m。 此 时 全 局 振 动 最 大 值 为 4. 792 953 10 - 6 m (见 图 14)。 然 后 将 有 限 元 分 析 结 果 导 入 到边 界 元 声 学 软 件 择 与 文 献 4 7个 麦 克 风 相 同 位 置 的 7点 ,读 出 这 些 位 置 上 的 板 辐 射噪 声 。在 三 分 之 一 倍 频 程 下 ,以 基 态 工 况 算 出 来 的 声 压值 为 基 准 ,调 谐 、 全 局 解 调 以 及 全 局 振 动 优 化 后 得 到的 板 辐 射 声 压 变 化 值 见 表 2。 其 中 不 同 工 况 下 声 压最 大 值 均 产 生 于 80 从 表 2中 可 以 看 到 ,在400 局 解 调 工 况 声 学 降 噪 最 大 ,但 是 在 160 局 解 调 工 况 下 噪 声 增 加 也 最 多 。 造 成 此 现 象的 原 因 一 方 面 是 由 于 振 动 模 态 间 的 耦 合 对 辐 射 声 功率 的 影 响 ,也 就 是 说 结 构 各 阶 振 动 模 态 自 身 对 结 构 辐射 声 功 率 的 贡 献 是 增 大 结 构 的 辐 射 声 功 率 ,而 振 动 模态 间 的 耦 合 减 小 结 构 辐 射 声 功 率 。 而 且 ,当 振 动 模 态间 的 耦 合 作 用 对 辐 射 声 功 率 影 响 不 大 时 ,采 用 振 动 模态 控 制 可 取 得 较 好 的 减 振 降 噪 双 重 控 制 效 果 。 另 一方 面 可 能 是 声 振 耦 合 也 可 能 降 低 结 构 的 声 辐 射 。2. 3 可 调 动 力 吸 振 器 降 噪 声 学 设 计 振 动 特 性 比 较在 比 较 了 上 述 降 噪 声 学 设 计 效 果 后 ,我 们 计 算 了相 应 的 系 统 振 动 特 性 与 文 献 4 实 验 结 果 对 比 。 反演 计 算 可 知 文 献 4 实 验 中 可 调 动 力 吸 振 器 刚 度 值在 基 态 工 况 下 K = 1 138 785 N /m;调 谐 工 况 下 K =517 734. 41 N /m;全 局 解 调 工 况 下 K = 236 514 N /m。对 动 力 学 特 性 进 行 了 数 值 分 析 ,得到 各 工 况 下 256 力 作 用 下 动 力 响 应 结 果 见 图11 14。分 析 各 工 况 下 振 动 情 况 可 知 ,基 态 工 况 下 的 振 动位 移 是 最 大 的 ,最 大 位 移 达 2. 702 425 10- 5 m;调 谐 工64 第 5期 杨 德 庆 ,等 :可 调 动 力 吸 振 器 降 噪 设 计 方 法 研 究图 11 基 态 工 况 256 的 移图 12 调 谐 工 况 256 的 移图 13 解 调 工 况 256 的 移图 14 振 动 优 化 工 况 256 的 移况 下 板 的 振 动 水 平 中 等 ,最 大 值 为 2. 504 961 10- 5 m,但 是 动 力 吸 振 器 附 近 的 振 动 位 移 减 小 为 0;全 局 解 调工 况 下 的 振 动 水 平 是 最 小 的 ,只 有 1. 083 628 10- 5 m。全 局 振 动 优 化 方 案 得 到 了 不 同 工 况 下 振 动 的 最 小 解 ,但 是 其 声 学 优 化 效 果 从 全 频 域 下 比 较 介 于 调 谐 工 况 与全 局 解 调 工 况 之 间 。全 局 振 动 优 化 降 噪 设 计 模 型 不 仅 适 用 于 本 文 所给 板 结 构 对 象 ,也 可 以 应 用 于 大 型 复 杂 结 构 的 降 噪 设计 。 所 要 改 变 的 是 振 动 评 价 参 考 节 点 的 位 置 和 数 量 ,确 定 对 这 些 评 价 点 处 噪 声 和 振 动 值 有 影 响 的