高速船轻型结构声辐射的振动模态分析.pdf

高速船轻型结构声辐射的振动模态分析 王昕，严仁军，王婷 武汉理工大学，武汉（430063 ） E-mail ：wangxin_nn_727@ 摘 要：在轻流体介质中，激励力作用位置对板结构声辐射的影响较大。本文比较了双向加 筋板结构与板结构的模态辐射效率特点。采用有限元和边界元结合的方法，建立起板结构及 双向加筋板结构的模态分析模型。进行了板结构及双向加筋板结构的振动声辐射的模态分 析。并计算出结构相应的模态辐射效率，结构辐射声功率和辐射效率等声场特性参数，与采 用远场 Rayleigh 积分所得结果进行了比较。结果表明，激励力作用位置的变化以及板双向 加筋后对结构声辐射的振动模态产生了影响，对结构声主动控制提供了帮助。 关键词：板结构，双向加筋板结构，振动模态，辐射声功率，辐射效率，激励力 中图分类号：TB532 1. 引 言 高速船舶因为其船体刚度相对较弱，而激励幅值相对较大，频率又高，因而船体特别是 船尾的振动问题特别突出。为保证在满载航行时不发生强烈的总体振动和局部振动，必须合 理的计算和设计船体结构以及选择合适的板材。结构防振设计的主要任务是防止共振。即要 求结构的固有频率与激励频率错开，并给予一定的频率储备。结构频率储备的确定主要取决 于结构固有频率的计算精度、激励幅值及结构阻尼的大小。这就要求在设计阶段对结构的振 动和噪声作出准确的预报。通过对水下结构振动声辐射的深入研究，能够有效地改善高速船 1 结构的振动噪声问题 。 复杂结构的振动致声问题是船舶工程减振降噪的难题之一，在结构声学中，可以用辐射 声功率和辐射效率来表征振动结构的声辐射能力。但是在振动模态空间中考察振动结构的声 辐射时，各阶振动模态的声辐射并不是独立的，而是相互之间存在着耦合的，这就给采用振 动模态控制进行结构声辐射控制时控制律的设计带来了很大的困难。然而，Borgiotti 、 Cunefare、Baumann 和Elliott 等的工作表明：可以找到一组特殊的模态坐标，使得各模态间 的声辐射之间没有任何耦合。Elliott 将这种声辐射独立的模态定义为“辐射模态” 。其实质是 将结构表面的振动分解成一组声辐射独立的速度分布（辐射模态），此时结构的辐射声功率 可以表示为各阶辐射模态速度幅值的平方与相应特征值乘积的和 2，3 。辐射模态的这种性质 保证了只要减小结构辐射模态的幅值，就能减小结构的辐射声功率。但上述研究过程中，仅 指出各阶振动模态的声辐射并不是独立的，并由振动模态间的互辐射效率较高的认为结构振 动模态间的耦合对结构声辐射有较大的影响，没有对振动模态间的耦合对声辐射的影响作具 体研究。 本文采用有限元方法和边界元方法建立了板结构和双向加筋板结构振动声辐射的振动 模态分析模型和辐射模态分析模型，研究激励力作用位置对板声辐射的影响，比较了板与双 向加筋板的模态辐射效率特点，重点是振动模态间的耦合对结构辐射声功率的影响。 2. 基本理论 { }{ } { } 以模态矩阵 [Φ] [φ φ ⋅⋅⋅φ ] （1） 1 2 N 为基础，定义模态速度矩阵： { }{ } { } [Q] iω[Φ] [Q1 Q2 ⋅⋅⋅ QN ] （2 ） -1- T ( ) { }{ } { } 模态法向速度矩阵：[B ] [G] iω[Φ] [B1 B2 ⋅⋅⋅ BN ] （3 ）