基于声子晶体理论的海水管路系统声振控制

发布时间：2017-09-22 08:17

  本文关键词：基于声子晶体理论的海水管路系统声振控制

  更多相关文章： 声子晶体 减振降噪 周期管路 带隙 流固耦合 声振综合控制

【摘要】：海水管路系统通常是指船舶与外海相通的管路系统,具有动力系统冷却、重量补偿和二氧化碳吸收等作用。它犹如船舶的“血管系统”,维系着船舶的生命力。同时,海水管路系统在工作过程中不可避免地产生振动和噪声。其中,低频振动和噪声不仅能量大、传播距离远、特征谱线明显、控制难度大,而且它们在传播中相互耦合,互为激励源,声振综合控制困难。可以说,海水管路系统的振动和噪声辐射问题已严重影响到船舶的安静性、安全性设计,低频声振控制已成为船舶设计和制造中亟待解决的关键问题之一。声子晶体固有的带隙特性可以实现“弹性波的人为操控”为船舶海水管路声振控制问题的解决带来新的思路。结构中的弹性波和流体介质中的声波均为弹性波,对弹性波传播进行调控是实现结构减振降噪的一种技术手段。本文将海水管路系统声振控制与声子晶体理论应用探索相结合,利用声子晶体理论指导海水管路系统的周期结构设计,使其具有弹性波带隙特性,从而控制管路系统特定频段的声振传播特性,达到海水管路系统低频段减振降噪的目的。文中将这种具有带隙特性的周期结构形式的海水管路称为周期管路,并将管路中的弹性波区分为结构弹性波和声波。论文在周期管路声振传播特性研究中取得的主要成果和结论如下:1、发展了周期管路的声振传播计算方法。基于壳模型理论,开发了周期管路的结构弹性波带隙及振动计算半解析有限元算法;建立了周期管路流固耦合下的有限元计算模型,该模型可以高效地计算出周期管路不同周向模态下的结构弹性波带隙和振动传递特性;推导了附加声学元器件的管路声传播传递矩阵法,建立了管路流体声场和结构振动的耦合有限元模型,可以快速准确地预报声固耦合下周期管路的声波传播特性。2、设计了具有低频结构弹性波带隙的周期管路,并对其带隙特性、振动传递特性进行了深入研究。基于声子晶体布拉格散射和局域共振两种带隙机理,设计了不同结构形式的周期管路,研究了管路中结构弹性波的带隙形成机理、参数调节规律,探讨了流速、边界条件影响和失稳条件;在流固耦合系统实现了布拉格带隙和局域共振带隙的低频宽带耦合带隙;研究了周期管路在单、双向流固耦合下对流致振动的控制效果。3、构造了具有低频声波带隙的周期管路并揭示了声波带隙的形成机理。通过在海水管路系统周期设计扩张腔,获得了布拉格声波带隙,带隙内最大消声量包络线呈现出与单个扩张室消声器相似的变化律。通过在海水管路系统周期布置亥姆霍兹共振腔,获得了局域共振声波带隙,实现了“小尺寸控制大波长”。通过集成设计扩张腔和亥姆霍兹共振腔并周期布置于海水管路系统,实现了低频宽带强衰减声波带隙。4、设计了具有低频振动和噪声控制功能的周期管路并探讨了其声振综合控制机理。基于声子晶体的局域共振带隙机理,设计了一种吸振消声器,并将其在海水管路系统中周期布置,实现了利用一种结构同时控制低频声波和结构弹性波的传播;基于声子晶体的布拉格散射带隙机理,揭示了由非金属材料管和钢管(或消声器、非金属材料管和钢管)构成的布拉格周期管路中结构弹性波和声波的带隙形成机理,并分析了一些关键参数的影响规律。5、实验验证了周期管路的低频声振控制功能。设计搭建了管路实验系统,开展了局域共振和布拉格周期管路的声振传播特性实验测试,测试结果验证了设计的周期管路具有低频声振综合控制功能。总之,本文重点研究了周期管路的声振传播特性,为船舶海水管路系统的振动传递和噪声传播控制提供新的基础理论,同时有望为海水管路系统低频段的减振降噪提供技术支持。
【关键词】：声子晶体 减振降噪 周期管路 带隙 流固耦合 声振综合控制
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U664.84
【目录】：

• 摘要14-16
• Abstract16-19
• 第一章 绪论19-36
• 1.1 研究背景与意义19-21
• 1.2 管路振动和噪声控制研究现状21-25
• 1.2.1 管路振动控制21-23
• 1.2.2 管路噪声控制23-25
• 1.2.3 管路振动和噪声控制措施总结评述25
• 1.3 声子晶体的应用研究概述25-33
• 1.3.1 概念和特征26-28
• 1.3.2 带隙机理和调节规律28-29
• 1.3.3 减振降噪应用探索29-32
• 1.3.4 存在的主要问题32-33
• 1.4 论文研究工作及内容介绍33-36
• 1.4.1 课题来源、研究目标和研究思路33-34
• 1.4.2 主要研究内容34-36
• 第二章 管路声振特性计算方法36-67
• 2.1 管路结构动力学方程及计算方法36-49
• 2.1.1 基于壳模型理论的半解析有限元法36-46
• 2.1.2 简化壳模型理论及有限元法46-47
• 2.1.3 周期管路的有限元动力方程47-49
• 2.2 管路流体动力方程与计算方法49-52
• 2.3 管路声波方程及计算方法52-66
• 2.3.1 管路声学特性描述52-57
• 2.3.2 声学传递矩阵法57-65
• 2.3.3 周期管路的传递矩阵法65-66
• 2.4 本章小结66-67
• 第三章 周期管路振动特性研究67-106
• 3.1 周期管路的带隙与振动特性67-93
• 3.1.1 布拉格周期管路带隙与振动特性67-84
• 3.1.2 局域共振周期管路带隙与振动特性84-89
• 3.1.3 耦合带隙与耦合机理周期管路89-93
• 3.2 流致振动激励下的周期管路振动特性93-104
• 3.2.1 脉动流流致振动特性94-101
• 3.2.2 定常流流固耦合振动特性101-104
• 3.3 本章小结104-106
• 第四章 周期管路声传播特性研究106-137
• 4.1 消声器简介106-108
• 4.2 扩张室消声器及其周期布置的声学性能108-115
• 4.2.1 非内插式108-112
• 4.2.2 内插式112-115
• 4.3 亥姆霍兹消声器及其周期布置的声学性能115-129
• 4.3.1 单个亥姆霍兹消声器115-122
• 4.3.2 亥姆霍兹消声器周期布置122-129
• 4.4 混合室消声器及其周期布置的声学性能129-135
• 4.4.1 单个混合室消声器129-132
• 4.4.2 混合室消声器周期布置132-135
• 4.5 本章小节135-137
• 第五章 周期管路声振综合控制与实验验证137-171
• 5.1 布拉格周期管路声振综合控制137-145
• 5.1.1 布拉格周期结构设计原理137-138
• 5.1.2 带隙特性138-141
• 5.1.3 非金属管参数影响141-145
• 5.2 局域共振周期管路声振综合控制145-160
• 5.2.1 吸振消声器结构设计原理146-148
• 5.2.2 周期管路带隙特性148-154
• 5.2.3.结构和介质参数影响154-160
• 5.3 周期管路实验设计与声振性能测试160-169
• 5.3.1 实验管路系统设计160-164
• 5.3.2 周期管路声振特性测试164-169
• 5.4 本章小节169-171
• 第六章 结论与展望171-174
• 6.1 主要研究结论171-172
• 6.2 研究展望172-174
• 致谢174-176
• 参考文献176-192
• 作者在学期间取得的学术成果192-195
• （一）发表的学术论文192-194
• （二）申请的国防专利194
• （三）参与的科研项目194
• （四）国际学术交流194-195
• 附录A195-196
• 附录B196-203

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 赵力电;;压力管道振动分析[J];管道技术与设备;2006年06期

，

本文编号：899729