结构声学设计的可听化技术
|
摘要
声学辅助设计已成为改进结构声学性能的一种有效方法，实现该方法的前提是对结构声学特性的掌握。薄板、圆柱壳、加筋板、加肋圆柱壳是汽车、轮船、飞机等交通工具中的结构组织形式，了解他们在流体介质中的声学特性有助于对他们实施有效的减振降噪措施。因此，有必要对板壳结构的声学预测和设计展开相应的研究。
板壳结构的振动问题一直是研究人员关注的课题之一。到目前为止，大部分工作是针对结构振动特性的数值分析和理论研究，结果简洁，易于量化。但对非专业人士来说，其缺乏直观性。本文利用有限元方法，结合结构振动与声辐射基本原理，对板壳、加筋板壳结构的声—振特性进行了分析，利用信号处理技术实现结构声—振特性的可听化模拟。在一定程度上，使非专业人士也可以通过声学手段了解结构的声学特性。
在软件实现方面，本文以VC为平台，使用APDL对ANSYS进行二次开发，同时利用MATLAB的信号处理工具编写了结构-声学设计一体的可听化软件。软件界面友好、使用方便、易于人机交流，可让既使不熟悉ANSYS软件的工程设计人员也能很好地借助本系统进行结构振动声学分析，同时使有经验的研究人员能够在结构设计初期对结构噪声进行初步预测和评价。
Acoustics assistant designing has been an effective way to improve structure with acquaintance of its acoustical character. Noise control can be well actualized with understanding of the acoustics characters of thin plate, cylindrical shell, stiffened plate and stiffened shell in liquid medium, which are the most common structure of car, aircraft and ship. Therefore, researches of acoustics prediction and designing should be carried out with high demand.
The vibration of plate and shell has been highly concerned. Currently, most work has been put on numerical value analyzing and theoretical research, which has the character of concision results and easily being digitalized. However, it seems not so intuitionistic for nonprofessional people. In this paper, a study has been made of analyzing the acoustics and vibration characters of the plate & shell and stiffened plate & shell structures with FEA (Finite Element Analysis) and basic theories of structural vibration and acoustic radiation, which, to some extent, helps the nonprofessional people understand the acoustical characters of these structures through acoustical means.
In this paper, a redevelopment of ANSYS has been carried out using APDL language with a plate roof of VC language. Meanwhile, a software package has been compiled with MATLAB language, which makes structure acoustics designing audibly. This software package is easy to use, which owes to its friendly interface. It provides experienced researchers much convenience for noise prediction and estimation. Even for those designers who are not familiar with ANSYS, it offers assistance to them for structure acoustics and vibration analyzing as well.
板壳结构的振动问题一直是研究人员关注的课题之一。到目前为止，大部分工作是针对结构振动特性的数值分析和理论研究，结果简洁，易于量化。但对非专业人士来说，其缺乏直观性。本文利用有限元方法，结合结构振动与声辐射基本原理，对板壳、加筋板壳结构的声—振特性进行了分析，利用信号处理技术实现结构声—振特性的可听化模拟。在一定程度上，使非专业人士也可以通过声学手段了解结构的声学特性。
在软件实现方面，本文以VC为平台，使用APDL对ANSYS进行二次开发，同时利用MATLAB的信号处理工具编写了结构-声学设计一体的可听化软件。软件界面友好、使用方便、易于人机交流，可让既使不熟悉ANSYS软件的工程设计人员也能很好地借助本系统进行结构振动声学分析，同时使有经验的研究人员能够在结构设计初期对结构噪声进行初步预测和评价。
Acoustics assistant designing has been an effective way to improve structure with acquaintance of its acoustical character. Noise control can be well actualized with understanding of the acoustics characters of thin plate, cylindrical shell, stiffened plate and stiffened shell in liquid medium, which are the most common structure of car, aircraft and ship. Therefore, researches of acoustics prediction and designing should be carried out with high demand.
The vibration of plate and shell has been highly concerned. Currently, most work has been put on numerical value analyzing and theoretical research, which has the character of concision results and easily being digitalized. However, it seems not so intuitionistic for nonprofessional people. In this paper, a study has been made of analyzing the acoustics and vibration characters of the plate & shell and stiffened plate & shell structures with FEA (Finite Element Analysis) and basic theories of structural vibration and acoustic radiation, which, to some extent, helps the nonprofessional people understand the acoustical characters of these structures through acoustical means.
In this paper, a redevelopment of ANSYS has been carried out using APDL language with a plate roof of VC language. Meanwhile, a software package has been compiled with MATLAB language, which makes structure acoustics designing audibly. This software package is easy to use, which owes to its friendly interface. It provides experienced researchers much convenience for noise prediction and estimation. Even for those designers who are not familiar with ANSYS, it offers assistance to them for structure acoustics and vibration analyzing as well.
引文
[1]．杜功焕，朱哲民，龚秀芬，声学基础，南京大学出版社，2001．3
[2]. Lan Y. K. and Klosner, J. M., Transient Response of a Point-excited Submerged Spherical Shell, J. App. Mach, 40 (1973), 1078-1084
[3]. Junger M. C. Sound, Structure and their interaction. MIT Press, Cambridge, 1986
[4]. Faby F. Sound and structural vibration. Academic Press, 1985
[5]. Blake W. K. Mechanics of flow-induced sound and vibration, Academic Press, 1986
[6]. Ciskowski R. D. Brebbia C. A. Boundary element in acoustics. Elsevier Applied Science, 1991
[7]．张琼，宋哲，石教英，可听化技术综述，计算机辅助设计与图形学学报，Vol．11，No．2 PP：189～192
[8]. Ciskowski R.D, Brebbia C.A. Boundary element methods in acoustics [M]. Boston: Computational Mechanics Pub-lications, 1991.
[9]．何祚镛，结构振动与声辐射，哈尔滨工程大学出版社
[10]. Mace B.R. Periodically stiffened fluid-loaded plates, Ⅱ:response to line and point forces. J. Sound and Vibration, 1980,73:487-504
[11]. Mead D.J.. Plates with regular stiffening in acoustic media: Vibration and radiation. J. Acoustic. Soc.Am., 1990,88:391-401
[12]．吴文伟，冷文浩，沈顺根，具有等间距相同加强筋板的声辐射，中国造船1999．8， No．3：pp：72～79
[13]．汤渭霖，何宾蓉，水中有限长加肋圆柱壳体振动和声辐射近似解析解，声学学报，2001．1， Vol．26 No．1
[14]．屈文忠，王敏庆，闫孝伟，孙进才，水中圆柱壳体振动特性和声辐射的有限元分析，声学技术，2001，No．20 pp：233～235
[15]．方同，薛璞，振动理论及应用，西北工业大学出版社，1997
[16]. E.A. Schroeder and M.S. Marcus, Finite Element Solution of Fluid Structure Interaction Problems, Shock and Vibration Symposium, 1975
[17]．吴湘淇，数字信号处理技术及应用，中国铁道出版社 pp：332～516
[18]．吴京，果明明，徐忠富，王慧频，刘芸，信号与系统分析，国防科技大学出版社
[19]．张红军，耿随心，陈春林，Visual C++编程详解，科学出版社
[20]．薛煌，陈弘毅，李永明，MATLAB环境中语音分析处理平台的设计，清华大学微电子研究所，计算机研究与发展，1998．8，Vol．35 No．8 pp：760～764
[21]．张升明，盼旭初，板架结构的振动噪声研究，噪声与振动控制，1995．10，No．5 pp：9～13
[22]．黄晋英，潘宏侠，李霆，发动机机体结构振动模态分析，华北工学院测试技术学报，2000，Vol．14 No．1 pp：53～56
[23]．王国强，实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践，西安：西北工业大学，1999
[24]．谭建国，使用ANSYS6.0进行有限元分析，．北京：北京大学出版社，2002．5
[25]．杨军，李峰，基于APDL语言模块的结构优化设计，建筑技术开发，2003．4，Vol．30 No．4 pp：2～4
[26]．吕景林，黄协清，陈天宁，马建敏，用ANSYS对复杂结构进行动态响应计算，机械科学与技术，1998．11，Vol．17 No．6 pp：959～961
[27]．柯兵，谭林森，用有限元／边界元方法计算结构体振动辐射声场，2001年船舶与海洋工程研究专集(总第143期)pp：97～99
[28]．黎胜，赵德有．用有限元／边界元方法进行结果声辐射的模态分析，声学学报，2001．3，Vol．26 No．2 PP：174～179
[29]．杨树耕，孟昭瑛，任贵永，有限元分析软件ANSYS在海洋工程中的应用，中国海洋平台，2000．4 Vol．15 No．2 pp：41～44
[30]．陈志坚，徐顺祺，圆柱壳体振动特性研究与有限元计算验证，海军工程学院学报，1996．No．1
[31]．严荣国，薛重德，一种基于声卡和MATLAB的信号采集和分析的方法，淮海工学院学报，2001．3 Vol．10，No．1
[32]．张敬东，水下弹性球壳被激振动和辐射声的时域特性研究，声学学报， 1990．5， Vol．15，No．5 pp：265～271
[33]．E．Kolev，K．Zimmermann．设计阶段中振动系统的优化—结构设计和计算的集成，工程设计，2000．1
[34]．郑靖明，王德禹，金咸定，基于SYSNOISE软件的船舶振动声学数值计算杨德庆，中国造船，2002．12，43卷第4期
[35]．陶泽光，李润方，林腾蛟，齿轮系统有限元模态分析，机械设计与研究，2000．pp：45～47
[36]．刘志云，吴小清，徐诚，王登峰，程悦荪．有限元法在拖拉机驾驶室声学设计中的应用，
江西农业大学学报，1999．6，Vol．21 No．2 pp：288～290
[37]．丁渭平，陈花玲，腔体声振耦合的对称化有限元模型及其特性研究，西安交通大学学报，2000．7，Vol．34 No．7，pp：
[38]. Hayek.S, Vibration of a Spherical Shell in an Acoustic Medium, J. Acoustic. Soc. Am., 40 (2), 1966,pp:342～348
[39]．罗军，袁明道，扬光华，ANSYS后处理开发及其在快速筑拱坝三维有限元仿真分析程序研究中的应用，广东水利水电，2003．2，No．1
[40]．徐张明 华宏星 沈荣瀛，夹层充液的双层加肋壳体的振动模态分析， 噪声与振动控制，2001．8 No．4
[41]．陈军明 黄玉盈，水中纵向加肋圆柱壳体的自由振动，华中科技大学学报，2003．6，Vol．31 No．6,pp：41～44
[42]．曾向阳，陈克安，孙进才，封闭声场数字式可听化仿真， 电声技术，2001，第10期
[43]．吴卫国，刘琥，李晓彬，基于VisualC++6.0的有限元参数化建模陆红艳，交通与计算机，2002，No．5
[44]．温华兵，王国治，江国和，水下航行结构的建模与振动分析，华东船舶工业学院学报，2001．8．Vol．15 No．4
[45]. Fahy F. Sound and structural vibration: radiation, transmission and response. London: Academic Press,1985
[46]. Fahy F.J. Statistical energy analysis in noise and vibration. Chichester: John Wiley, 1987
[47]. Nefske D.J., Sung S. H.. Power flow finite element analysis of dynamic systems: basic theory and applications to beam. ASME Transactions, Journal of Vibration, Acoustics, stress and Reliability, 1989,111:94-106
[48]. Sung S.H., Nefske D.J.. Component mode synthesis of vehicte structural-acoustic system model. AIAA Journal, 1986,24:1021-1026
[49]．汤渭霖，范军，水中弹性球壳的共振声辐射理论，声学学报，2000．7，Vol．25 No．4
[50]．盛美萍，王敏庆，孙进才，噪声与振动控制技术基础，科学出版社
[51]. Lamb H. On the vibration of an elastic plate in contact with water. London: Processing of the Royal Society on London, 1920
[52]．刘正兴，孙雁，谢守国，流体介质中结构的动力特性及响应分析，上海交通大学学报，1995，Vol．29 No．4 pp：7～14
[53]．张标标，徐志军，葛蕴珊，刘福水，孙业保，基于ANSYS平台开发曲轴振动分析软件，
车辆与动力技术，2001．4，No．84．pp：31～35
[54]. Filippi P. Theoretical acoustics and numerical techniques. Spring Verlag,1983
[55]. A.F. Seybert, B. Sonenarko, F.J. Rizzo, D.J.Shippy. An advanced computational method for radiation and scattering of acoustic waves in three dimensions. J. Acoust. Soc. Am. 1985,77(2), pp:362～368
[56]. A.F. Seybert, B. Sonenarko, F.J. Rizzo, D.J.Shippy. A special integral equation for acoustic radiation and scattering for axisymmetric bodies and boundary conditions. J. Acout. Soc. Am.1986,80(4), pp(1241～1247)
[57]. A.F. Seybert, T.K. Rengarajan. The high-frequency radiation of sound from bodies of arbitrary shape. Journal of Vibration, Acoustics, Stress, and Reliability in Design. 1987,109,pp:381～387
[58]. C.Y.R. Cheng, A.F. Seybert, T.W. Wu. A multinomial boundary element solution for silencer and muffler performance prediction. Journal of Sound and Vibration. 1991, 151 (1),pp:119～129
[59]. T.W. Wu. A direct boundary element method for acoustic radiation and scattering in a perfect wave guide. J. Acoust, Soc. Am. 1995,Vol.97 No.1,pp:84～91
[60]. R. Monhanty, B.D. St. Pierre, P. Suruli-Narayanasami. Structure-borne noise reduction in a truck cab interior using numerical techniques, Applied Acoustics, 2000, No.59 ,pp:1-17
[61]. S.H. Chen, Y.J. Liu. A unified boundary element for the analysis of sound and shell -like structure interactions. Ⅰ. Formulation and verification. J. Acoust. Soc. Am. 1999, Vol.106 No.3,pp: 1247～1254
[62]. S.R. Hahn, A.A. Ferri. Sensitivity analysis of coupled structural-acoustic problems using perturbation techniques. J. Acoust. Soc. Am. 1997,Vol. 101 No.2, pp:918～924
[63]．时胜国，杨德森，何元安，水下结构辐射噪声工程估算方法研究，哈尔滨工程大学学报，2002．2 Vol．23 No．1pp：91～94
[64]．陈炜，张书吉，陈小宁，骆东平，不同激励力对环肋圆柱壳声辐射的影响，舰船科学技术，1999．2 pp：11～14
[65]．姚本炎，黄其柏，加筋薄板结构振动与声辐射特性研究，华军科技大学学报，2001，2Vol．29 No．2 pp：90～92
[66]．张智星，MATLAB程序设计与应用．清华大学出版社，2001
[2]. Lan Y. K. and Klosner, J. M., Transient Response of a Point-excited Submerged Spherical Shell, J. App. Mach, 40 (1973), 1078-1084
[3]. Junger M. C. Sound, Structure and their interaction. MIT Press, Cambridge, 1986
[4]. Faby F. Sound and structural vibration. Academic Press, 1985
[5]. Blake W. K. Mechanics of flow-induced sound and vibration, Academic Press, 1986
[6]. Ciskowski R. D. Brebbia C. A. Boundary element in acoustics. Elsevier Applied Science, 1991
[7]．张琼，宋哲，石教英，可听化技术综述，计算机辅助设计与图形学学报，Vol．11，No．2 PP：189～192
[8]. Ciskowski R.D, Brebbia C.A. Boundary element methods in acoustics [M]. Boston: Computational Mechanics Pub-lications, 1991.
[9]．何祚镛，结构振动与声辐射，哈尔滨工程大学出版社
[10]. Mace B.R. Periodically stiffened fluid-loaded plates, Ⅱ:response to line and point forces. J. Sound and Vibration, 1980,73:487-504
[11]. Mead D.J.. Plates with regular stiffening in acoustic media: Vibration and radiation. J. Acoustic. Soc.Am., 1990,88:391-401
[12]．吴文伟，冷文浩，沈顺根，具有等间距相同加强筋板的声辐射，中国造船1999．8， No．3：pp：72～79
[13]．汤渭霖，何宾蓉，水中有限长加肋圆柱壳体振动和声辐射近似解析解，声学学报，2001．1， Vol．26 No．1
[14]．屈文忠，王敏庆，闫孝伟，孙进才，水中圆柱壳体振动特性和声辐射的有限元分析，声学技术，2001，No．20 pp：233～235
[15]．方同，薛璞，振动理论及应用，西北工业大学出版社，1997
[16]. E.A. Schroeder and M.S. Marcus, Finite Element Solution of Fluid Structure Interaction Problems, Shock and Vibration Symposium, 1975
[17]．吴湘淇，数字信号处理技术及应用，中国铁道出版社 pp：332～516
[18]．吴京，果明明，徐忠富，王慧频，刘芸，信号与系统分析，国防科技大学出版社
[19]．张红军，耿随心，陈春林，Visual C++编程详解，科学出版社
[20]．薛煌，陈弘毅，李永明，MATLAB环境中语音分析处理平台的设计，清华大学微电子研究所，计算机研究与发展，1998．8，Vol．35 No．8 pp：760～764
[21]．张升明，盼旭初，板架结构的振动噪声研究，噪声与振动控制，1995．10，No．5 pp：9～13
[22]．黄晋英，潘宏侠，李霆，发动机机体结构振动模态分析，华北工学院测试技术学报，2000，Vol．14 No．1 pp：53～56
[23]．王国强，实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践，西安：西北工业大学，1999
[24]．谭建国，使用ANSYS6.0进行有限元分析，．北京：北京大学出版社，2002．5
[25]．杨军，李峰，基于APDL语言模块的结构优化设计，建筑技术开发，2003．4，Vol．30 No．4 pp：2～4
[26]．吕景林，黄协清，陈天宁，马建敏，用ANSYS对复杂结构进行动态响应计算，机械科学与技术，1998．11，Vol．17 No．6 pp：959～961
[27]．柯兵，谭林森，用有限元／边界元方法计算结构体振动辐射声场，2001年船舶与海洋工程研究专集(总第143期)pp：97～99
[28]．黎胜，赵德有．用有限元／边界元方法进行结果声辐射的模态分析，声学学报，2001．3，Vol．26 No．2 PP：174～179
[29]．杨树耕，孟昭瑛，任贵永，有限元分析软件ANSYS在海洋工程中的应用，中国海洋平台，2000．4 Vol．15 No．2 pp：41～44
[30]．陈志坚，徐顺祺，圆柱壳体振动特性研究与有限元计算验证，海军工程学院学报，1996．No．1
[31]．严荣国，薛重德，一种基于声卡和MATLAB的信号采集和分析的方法，淮海工学院学报，2001．3 Vol．10，No．1
[32]．张敬东，水下弹性球壳被激振动和辐射声的时域特性研究，声学学报， 1990．5， Vol．15，No．5 pp：265～271
[33]．E．Kolev，K．Zimmermann．设计阶段中振动系统的优化—结构设计和计算的集成，工程设计，2000．1
[34]．郑靖明，王德禹，金咸定，基于SYSNOISE软件的船舶振动声学数值计算杨德庆，中国造船，2002．12，43卷第4期
[35]．陶泽光，李润方，林腾蛟，齿轮系统有限元模态分析，机械设计与研究，2000．pp：45～47
[36]．刘志云，吴小清，徐诚，王登峰，程悦荪．有限元法在拖拉机驾驶室声学设计中的应用，
江西农业大学学报，1999．6，Vol．21 No．2 pp：288～290
[37]．丁渭平，陈花玲，腔体声振耦合的对称化有限元模型及其特性研究，西安交通大学学报，2000．7，Vol．34 No．7，pp：
[38]. Hayek.S, Vibration of a Spherical Shell in an Acoustic Medium, J. Acoustic. Soc. Am., 40 (2), 1966,pp:342～348
[39]．罗军，袁明道，扬光华，ANSYS后处理开发及其在快速筑拱坝三维有限元仿真分析程序研究中的应用，广东水利水电，2003．2，No．1
[40]．徐张明 华宏星 沈荣瀛，夹层充液的双层加肋壳体的振动模态分析， 噪声与振动控制，2001．8 No．4
[41]．陈军明 黄玉盈，水中纵向加肋圆柱壳体的自由振动，华中科技大学学报，2003．6，Vol．31 No．6,pp：41～44
[42]．曾向阳，陈克安，孙进才，封闭声场数字式可听化仿真， 电声技术，2001，第10期
[43]．吴卫国，刘琥，李晓彬，基于VisualC++6.0的有限元参数化建模陆红艳，交通与计算机，2002，No．5
[44]．温华兵，王国治，江国和，水下航行结构的建模与振动分析，华东船舶工业学院学报，2001．8．Vol．15 No．4
[45]. Fahy F. Sound and structural vibration: radiation, transmission and response. London: Academic Press,1985
[46]. Fahy F.J. Statistical energy analysis in noise and vibration. Chichester: John Wiley, 1987
[47]. Nefske D.J., Sung S. H.. Power flow finite element analysis of dynamic systems: basic theory and applications to beam. ASME Transactions, Journal of Vibration, Acoustics, stress and Reliability, 1989,111:94-106
[48]. Sung S.H., Nefske D.J.. Component mode synthesis of vehicte structural-acoustic system model. AIAA Journal, 1986,24:1021-1026
[49]．汤渭霖，范军，水中弹性球壳的共振声辐射理论，声学学报，2000．7，Vol．25 No．4
[50]．盛美萍，王敏庆，孙进才，噪声与振动控制技术基础，科学出版社
[51]. Lamb H. On the vibration of an elastic plate in contact with water. London: Processing of the Royal Society on London, 1920
[52]．刘正兴，孙雁，谢守国，流体介质中结构的动力特性及响应分析，上海交通大学学报，1995，Vol．29 No．4 pp：7～14
[53]．张标标，徐志军，葛蕴珊，刘福水，孙业保，基于ANSYS平台开发曲轴振动分析软件，
车辆与动力技术，2001．4，No．84．pp：31～35
[54]. Filippi P. Theoretical acoustics and numerical techniques. Spring Verlag,1983
[55]. A.F. Seybert, B. Sonenarko, F.J. Rizzo, D.J.Shippy. An advanced computational method for radiation and scattering of acoustic waves in three dimensions. J. Acoust. Soc. Am. 1985,77(2), pp:362～368
[56]. A.F. Seybert, B. Sonenarko, F.J. Rizzo, D.J.Shippy. A special integral equation for acoustic radiation and scattering for axisymmetric bodies and boundary conditions. J. Acout. Soc. Am.1986,80(4), pp(1241～1247)
[57]. A.F. Seybert, T.K. Rengarajan. The high-frequency radiation of sound from bodies of arbitrary shape. Journal of Vibration, Acoustics, Stress, and Reliability in Design. 1987,109,pp:381～387
[58]. C.Y.R. Cheng, A.F. Seybert, T.W. Wu. A multinomial boundary element solution for silencer and muffler performance prediction. Journal of Sound and Vibration. 1991, 151 (1),pp:119～129
[59]. T.W. Wu. A direct boundary element method for acoustic radiation and scattering in a perfect wave guide. J. Acoust, Soc. Am. 1995,Vol.97 No.1,pp:84～91
[60]. R. Monhanty, B.D. St. Pierre, P. Suruli-Narayanasami. Structure-borne noise reduction in a truck cab interior using numerical techniques, Applied Acoustics, 2000, No.59 ,pp:1-17
[61]. S.H. Chen, Y.J. Liu. A unified boundary element for the analysis of sound and shell -like structure interactions. Ⅰ. Formulation and verification. J. Acoust. Soc. Am. 1999, Vol.106 No.3,pp: 1247～1254
[62]. S.R. Hahn, A.A. Ferri. Sensitivity analysis of coupled structural-acoustic problems using perturbation techniques. J. Acoust. Soc. Am. 1997,Vol. 101 No.2, pp:918～924
[63]．时胜国，杨德森，何元安，水下结构辐射噪声工程估算方法研究，哈尔滨工程大学学报，2002．2 Vol．23 No．1pp：91～94
[64]．陈炜，张书吉，陈小宁，骆东平，不同激励力对环肋圆柱壳声辐射的影响，舰船科学技术，1999．2 pp：11～14
[65]．姚本炎，黄其柏，加筋薄板结构振动与声辐射特性研究，华军科技大学学报，2001，2Vol．29 No．2 pp：90～92
[66]．张智星，MATLAB程序设计与应用．清华大学出版社，2001