水下有限長彈性圓柱殼振動聲輻射有源控制

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1、學(xué)校代碼分類號密級學(xué)號博士學(xué)位論文目水下有限長彈性圓柱殼振動聲輻射有源控制作者丁少虎聲學(xué)學(xué)科、專業(yè)指導(dǎo)教師隨安教授申請學(xué)位日期年月西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文學(xué)位研究生）題目：水下有限長彈性圓柱殼振動聲輻射有源控制作者：丁少虎學(xué)科專業(yè)：聲學(xué)指導(dǎo)教師：陳克安教授年月ActiveControlofSoundRadiatedfromaSubmergedFiniteCylindricalShellByDingShao-huUndertheSupervisionofProfessorChenKe-anADissertationSubmittedtoNorthwe

2、sternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofAcousticsXi'anP.R.ChinaOctober2014摘要摘要水下航行器航行時存在很多低頻強(qiáng)線譜噪聲，成為敵方水聲探測設(shè)備的捕捉特征，對水下航行器的安全和攻擊能力產(chǎn)生很大影響。水下航行器線譜噪聲與動力系統(tǒng)、傳動和轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的振動特性緊密相關(guān)，利用傳統(tǒng)的無源方式難以控制，可采用有源方式加以控制。本文將水下航行器簡化為有限長圓柱殼體結(jié)構(gòu)，在分析其低頻聲振特性的基礎(chǔ)上，開展

3、結(jié)構(gòu)振動聲輻射有源控制研宄。本論文完成的主要工作有：有限長圓柱殼低頻聲振特性分析。以兩端簡支有限長彈性圓柱殼為對象，基于薄殼理論建立了圓柱殼受激振動的理論模型。研宄了圓柱殼在不同流體中的低頻聲振特性，給出了有限長圓柱殼聲輻射模態(tài)的計(jì)算方法，分析了低頻范圍內(nèi)不同流體中振動模態(tài)和聲輻射模態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，確定了圓柱殼聲輻射中的主導(dǎo)聲輻射模態(tài)，這對選擇結(jié)構(gòu)聲有源控制策略有很大幫助。研宄了基于力源的水下有限長圓柱殼輻射噪聲有源控制。在流固耦合作用下，推導(dǎo)了次級力最優(yōu)強(qiáng)度解析表達(dá)式。通過單個控制力與兩個控制力的控制效果對比研宄，發(fā)現(xiàn)對于水下圓柱殼體結(jié)構(gòu)振動聲輻射

4、，可以在殼體上放置激振器產(chǎn)生次級控制力，并通過優(yōu)化激振器的布放、控制力幅度和相位達(dá)到控制結(jié)構(gòu)聲輻射的目的。另外，可以通過控制低頻范圍內(nèi)主導(dǎo)聲輻射模態(tài)來降低水下殼體低頻振動聲輻射。從控制前后總聲壓和各周向階數(shù)振動模態(tài)的聲壓指向性來看，頻率相同時不同位置次級控制力的控制機(jī)理不同，因而控制效果也不盡相同。以圓柱殼總輻射聲功率最小為控制目標(biāo)時，有源控制的機(jī)理在于降低與結(jié)構(gòu)模態(tài)對應(yīng)的主導(dǎo)聲輻射模態(tài)幅度，同時保證其它聲輻射模態(tài)的幅度不會有大的升高，從而有效控制結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的聲輻射。研宂了基于聲源的水下有限長圓柱殼輻射噪聲有源控制。首先推導(dǎo)了兩段同軸共線有限長彈

5、性圓柱殼之間的互輻射阻抗計(jì)算公式，討論了互輻射阻抗對低頻聲輻射性能的影響。然后，考慮流固耦合效應(yīng)下，利用二次最優(yōu)理論，以輻射聲功率最小化為目標(biāo)函數(shù)，得到次級環(huán)帶聲源的最優(yōu)強(qiáng)度；分析了次級環(huán)帶聲源與初級圓柱殼體間距以及次級激勵力位置對輻射聲功率控制效果的影響，并討論了控制前后遠(yuǎn)場輻射聲壓的空間分布。最后，采用局部控制，以若干點(diǎn)聲壓均方和最小化為目標(biāo)函數(shù)，可以有效降低誤差傳感點(diǎn)處的聲壓，局部控制平均可以達(dá)到左右的控制效果。建立了結(jié)構(gòu)聲輻射有源控制的近場及虛擬誤差傳感策略。采用離散點(diǎn)結(jié)構(gòu)振動傳感技術(shù)和虛擬傳感技術(shù)，通過在結(jié)構(gòu)表面安裝加速度計(jì)或在近場布放水

6、聽器測量殼體振動信號或近場聲壓信號，然后建立傳感器傳遞函數(shù)來估計(jì)特定位置遠(yuǎn)場輻射聲壓，以估計(jì)的輻射聲壓最小化為控制目標(biāo)，達(dá)到有源控制的目標(biāo)。結(jié)果表明由結(jié)構(gòu)表面或近場測量的振速或聲壓估計(jì)遠(yuǎn)場需要降噪?yún)^(qū)域的聲壓，通過有源控制，使得這些位置的聲西北工業(yè)大學(xué)士論文壓最小，其控制效果與直接最小化遠(yuǎn)場聲壓取得的效果相似。完成了水下有限長圓柱殼結(jié)構(gòu)聲輻射有源控制實(shí)驗(yàn)研宄。分別完成了次級力源和次級聲源兩種方法控制水下圓柱殼輻射噪聲的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了水下噪聲有源控制效果、自適應(yīng)有源控制器的穩(wěn)定性和算法的收斂性、初級噪聲頻域組成方式及頻率變化對控制效果的影響以及次級作動器

7、和誤差傳感器配置對控制效果的影響》關(guān)鍵詞：有限長圓柱殼，有源噪聲控制，結(jié)構(gòu)聲有源控制，振動模態(tài)，聲輻射模態(tài)，誤差傳感策略AbtractAbstractThelow-frequencylinespectrumnoiseisanimportantcomponentofself-noiseinunderwatervehicles,andmaybeeffectivefeaturesforenemy'sunderwateracousticdetecingsystem,whichcanresultinasignificantimpactonthesafetya

8、ndattackabilityforunderwatervehicles.Thelinespectrumnoiseofth