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径向激励作用下有限长双层圆柱壳声振传递特性研究杨晓刚;林立;白振国;李兵【摘要】The Donnell equation of thin shell was applied to describe double cylindrical shells motion. The effect of the rings, annular pales and the fluid was treated as forces and moments on shells, which were pre-sented in terms of the additional impedance. By using the mode expanding expression of shell ’s displace-ment, the sound and vibration transfer matrix between the inner and outer shell was constituted. The numer-ical analysis of mean square velocity of the outer shell was carried out. The result verified that the transfer matrix of the inner and outer shell was fixed, which was not influenced by excitation property. It offers the theoretical basis to predict the noise of double cylindrical shells.%文章利用Donnel壳体方程描述双层圆柱壳振动，以附加阻抗的形式表示环肋、实肋板以及水介质等对壳体的力作用，结合内外壳振动位移模态展开形式，建立了双层圆柱壳内外壳之间的声振传递矩阵。
有限长双层弹性圆柱壳体声散射研究有限长双层弹性圆柱壳体声散射研究随着现代科技的发展，声学研究已经成为了人们关注的热点之一。
声学研究的一个重要方向就是声散射问题。
而在声散射问题中，双层弹性圆柱壳体的研究备受关注。
本文将从有限长双层弹性圆柱壳体声散射研究角度来探讨这一问题。
首先，我们需要了解什么是双层弹性圆柱壳体。
双层弹性圆柱壳体由两层弹性圆柱壳体组成，其中内层圆柱壳体的直径小于外层圆柱壳体的直径。
在声学中，双层弹性圆柱壳体通常被用来研究声波的散射现象。
具体来说，在有限长双层弹性圆柱壳体声散射研究中，研究对象主要是声波的入射和散射。
双层弹性圆柱壳体的散射问题可以分为两种情况，即一层圆柱壳体为刚性体而另一层为弹性体以及两层圆柱壳体均为弹性体。
这两种情况都可以用传递矩阵法进行求解。
在求解过程中，我们需要利用传递矩阵法来计算反射系数和透射系数。
传递矩阵法首先将圆柱壳体分成多个小段，每个小段都用矩阵来表示声波的传递。
矩阵的元素根据壳体的结构和材料参数来计算。
然后，将每个小段的传递矩阵相乘，最终得到整个圆柱壳体的传递矩阵。
利用传递矩阵可以求得反射系数和透射系数，从而得到声波的散射特性。
此外，在有限长双层弹性圆柱壳体声散射研究中，我们还可以借助数值模拟方法来求解问题。
数值模拟方法可以利用有限元或边界元方法来模拟声波在圆柱壳体中的传播过程。
这种方法需要根据声波的频率、入射角度等参数来进行计算。
数值模拟方法通过计算可以得到目标圆柱壳体的声场分布和应力分布，从而得到其散射特性。
总之，在有限长双层弹性圆柱壳体声散射研究中，除了传统的传递矩阵法之外，数值模拟方法也是一种有效的研究方法。
这两种方法可以互相印证和补充，共同推进声散射问题的研究。
在进行有限长双层弹性圆柱壳体声散射研究时，需要涉及一些相关数据，并进行数据分析，以便更好地理解和解决问题。
一、材料参数双层弹性圆柱壳体的弹性模量、泊松比和密度等材料参数对其声散射特性有着重要影响。
水下圆柱壳空气管隔声性能分析及试验研究白振国;韦喜忠;庞业珍【摘要】利用水下阻抗失配原理,提出了水下空气隔声层的概念,利用模态法及隔声层等效参数法求解了隔声层水下单层圆柱壳的降噪效果.利用橡胶气管实现了空气隔声层,并在新安江水库进行小圆柱壳模型的外场声辐射试验,验证了空气管隔声层的隔声效果,计算及试验结果表明:采用等效参数能够较好地描述橡胶气管隔声层;采用阻抗失配原理构建的气管隔声层具有较好的水下隔声性能,在100 Hz以上频率范围内达到2-15 dB隔声降噪效果;隔声层厚度越厚,降噪效果越好,双层气管隔声层隔声效果较单层气管隔声层好3 dB左右.%Within the concept of impedance unmatching, a new type of underwater sound-isolation layer con-stituted with hollow rubber tube is presented, and the mode-decomposition method is adopted to analyze the sound reduction of a simply single cylindrical shell covered by this kind of sound-isolation layer. Then an experiment is carried out to testify the sound reduction effect of the layer. Both the calculation and test re-sults show that: the equivalent parameter could well describe the characteristic of the layer; and the effect of the layer demonstrated fine sound-isolation behavior,up to 2-15 dB above the frequency of 100 Hz; the thicker the layer is, the better the sound-isolation behavior of the layer shows, which is testified by the ex-periment that the double-layer presents 3 dB sound-isolation more than single-layer.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2018(022)005【总页数】8页(P645-652)【关键词】空气管;水下隔声;圆柱壳【作者】白振国;韦喜忠;庞业珍【作者单位】船舶振动噪声重点实验室,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;船舶振动噪声重点实验室,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082【正文语种】中文【中图分类】U661.10 引言空气介质中隔声理论的相关研究很早就开始了，Rayleigh[1]早在19世纪就指出了空气隔声中的“质量定律”，后经London[2]等学者的进一步完善，将这一方法和理论拓展，提出板传递声波的“吻合效应”，可成功解释混响声场中单层墙和双层墙的隔声变化规律。
水下双层圆柱壳辐射声场欠定分离评估方法研究关珊珊;吴书有;陶襄樊;陈美霞;曹为午【摘要】水下双层加筋圆柱壳振动和辐射声场的评估对其辐射噪声监测和控制具有重要工程意义.文中通过结构振动模态参与因子向量自身的稀疏特性,分析提出了一种基于结构振动的辐射噪声欠定分离评估方法,可实现有限振动测点情况下的水下复杂结构振动和辐射声场的有效评估.数值和试验结果验证了文中方法的有效性,且所需要的振动测点数目少,具有良好的工程适用性.%The prediction of radiated acoustic pressure field for double ring-stiffened cylindrical shell un-der water is of great importance to noise monitoring and control. Based on the vibration modes of a double ring-stiffened cylindrical shell in vacuum, an underdetermined separation method which can realize pre-diction of radiated acoustic pressure field of the submerged double ring-stiffened cylindrical shell with a few measurement points is proposed. The validity of the prediction results are analyzed through numerical and experiments methods. It demonstrates that the prediction precision is reliable. And the number of mea-suring points needed is acceptable. Consequently, this method has much better applicability.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2017(021)010【总页数】8页(P1309-1316)【关键词】声场评估;欠定分离;水下双层加筋圆柱壳;振动测点【作者】关珊珊;吴书有;陶襄樊;陈美霞;曹为午【作者单位】武汉第二船舶设计研究所, 武汉 430064;武汉第二船舶设计研究所,武汉 430064;武汉第二船舶设计研究所, 武汉 430064;华中科技大学, 武汉 430070;武汉第二船舶设计研究所, 武汉 430064【正文语种】中文【中图分类】TB532围绕弹性结构振动和辐射声场评估这一问题，国内外学者进行了广泛而深入的研究。
（多层复合）圆柱壳体的振动和声辐射研究的开题报告1. 研究背景多层复合材料圆柱壳体（Multi-Layered Composite Cylindrical Shell, MLCCS）在工业和军事领域有着广泛的应用，如飞机机身、舰船壳体、天线罩等结构。
然而，在长期使用过程中，MLCCS常常会遭受外力的作用而发生振动，同时也会对周围环境产生噪声污染，影响人类生活和健康。
因此，研究MLCCS的振动与声辐射问题具有重要意义。
2. 研究内容本课题的研究内容包括以下几个方面：（1）MLCCS振动模态分析：通过有限元方法（Finite Element Method, FEM）建立MLCCS的有限元模型，分析其在自由振动状态下的振动模态特性，并基于该特性对其振动稳定性进行评估。
（2）MLCCS受激振动分析：将MLCCS作为被动结构，通过有限元方法建立其与外界相互作用的系统，对其在受激情况下的动力响应特性进行研究。
（3）MLCCS声辐射分析：基于声学理论及有限元模型，分析MLCCS噪声产生机理、传播途径、辐射场，对其声辐射特性进行分析和预测。
（4）MLCCS振动与声辐射控制：通过材料特性研究、结构参数优化等方法，探究降低MLCCS振动和声辐射的有效途径，并制定控制策略。
3. 研究方法本课题采用有限元数值模拟、声学测量技术等方法进行研究。
（1）有限元数值模拟：通过商业有限元软件对MLCCS的结构进行建模和分析，得到MLCCS的振动模态、受激振动和声辐射场等信息。
（2）声学测量技术：采用声场测量系统对MLCCS进行室内或室外噪声测试，并通过傅里叶变换等处理手段对其声谱特性进行分析。
4. 预期成果本课题的预期成果包括：（1）建立MLCCS的有限元模型，分析其振动特性、受激振动响应以及声辐射特性；（2）量化MLCCS振动和声辐射的程度，并制订控制策略；（3）为提高MLCCS的振动稳定性和降低噪声水平提供理论依据和技术支持。
双层圆柱壳体水下振动噪声结构传递路径分析张磊;曹跃云;杨自春;何元安【摘要】为了实现水下双层圆柱壳体噪声源及传递路径的识别、量化，建立了水下结构振-声传递路径分析(TPA)模型，借助互谱技术、平均技术及加窗进行频响函数估计，并结合正则化方法改善频响函数矩阵求逆的病态问题。
进行了双层圆柱壳体水下振动-声辐射试验，实现噪声与结构振动数据的同时基采集。
编制TPA程序计算得到合成噪声响应与实测结果吻合很好，利用频谱贡献云图及数据对比的方式分析了传递路径对壳外目标点噪声的贡献，结果与分布运转法所得一致，进而从传递路径的角度找出了对壳外噪声起主导作用的环节。
可见，建立的水下双层圆柱壳体结构振-声TPA方法可以有效地识别、量化主要噪声源和噪声的传递路径，并且能够指导水下噪声实时预报和采取针对性的减振降噪措施。
【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2012(000)020【总页数】5页(P12-16)【关键词】传递路径分析;振-声;声贡献;双层圆柱壳体【作者】张磊;曹跃云;杨自春;何元安【作者单位】海军工程大学船舶与动力学院,武汉 430033;海军工程大学船舶与动力学院,武汉 430033;海军工程大学船舶与动力学院,武汉 430033;中国船舶工业集团公司船舶系统工程部,北京 100036【正文语种】中文【中图分类】TB532;U661.44有限长双层圆柱壳体结构是潜艇等各种航行器舱段的典型结构形式。
这些航行器的结构噪声来源于内部机械激励壳体振动，并带动周围流体介质振动产生声辐射，它严重影响了水下航行器的整体声学性能[1]。
为了提高水下航行器的声学性能，进行主要噪声源和噪声传播途径的识别、量化，针对性地控制结构振动与噪声的传递是极其必要的工作。
结构振－声传递路径分析(Transfer Path Analysis TPA)是辨识主要激励源和相应传递路径的重要方法，该方法是一种基于试验的振动噪声分析方法，通过TPA可以确定各路径传递的激励能量在总能量中的贡献，从传递路径的角度找出对辐射噪声起主导作用的环节，通过控制这些环节，如使振源强度，路径声学灵敏度等参数在合理的范围内，以使水下声辐射控制在预定目标值内[2]。
TPA方法在国内外的汽车设计领域已有较为成熟的应用[3－4]，然而水下结构的振－声TPA的报道却非常少见，特别对于水下双层加肋圆柱壳体模型。
由于该类水下结构具有较强的流固耦合特性，振－声传递特性十分复杂，试验难度大，使得水下结构TPA实施难度加剧。
本文针对水下双层圆柱壳体的特点建立了振－声TPA模型，结合典型激励下双层圆柱壳体舱段模型的水下振动－声辐射试验，实现噪声源和噪声传递路径的识别、量化，进而指导结构的声学优化、预报和采取针对性的减振降噪措施，具有重要的工程意义。
1 传递路径分析的基本原理1.1 传递路径分析方法结构振－声传递路径为机械设备产生振动激励，通过基座的衰减或放大作用，传递到艇体联节点上并表现为力激励，此力再通过艇体传递到各处使得壳体振动从而辐射出噪声。
对于某一激励源，如果已知某一路径上的传递函数和工作载荷，该路径对目标位置噪声的贡献量可表示为:式中，Hi'(f)是传递函数，Fi(f)为激励力的频谱。
Pi，stru(f)为目标点响应，可以是声压或加速度等，此处选择声压。
如果有n条路径，总响应可以是各路径分量的线性叠加:传递路径分析(TPA)必须先获得结构噪声各传递路径的传递函数及其工作载荷，工作力的获取方法主要有:直接测量法，复刚度法，矩阵求逆法和驱动点频响函数法等[2]，其中后三个为间接法。
而获取传递函数的方法主要有直接测量法和基于互易性原理的测量方法[3]，本文采用逆矩阵法来求解激励载荷，传递函数为频率响应函数，由直接测量法获得。
对于一线性时不变系统，当有激励 F1，F2，…，Fn时，存在响应 X1，X2，…，Xm，由系统的运动方程可得:在确定了频响函数矩阵及响应向量的傅氏谱后，便可计算载荷谱。
但实际上，常常是欲识别的载荷数与响应测点数不相等，即[H]m×n的逆矩阵不存在，这时可由矩阵理论中的广义逆矩阵法得到载荷识别的公式:式中，[H]m×n为载荷计算的频响函数矩阵其共轭转置矩阵，元素Hij=Xi/Fj为Xi 响应到输入Fj的频响函数;{F}n×1为路径载荷力列向量;{X}m×1为参考点响应信号列向量。
为了准确获得工作力的估计，应合理布置壳内参考测点的数目和位置，而且需要方程(3)中满足m＞n，通常取m≥2n[2]。
由于结构的模态特性，参考点的响应之间存在较强相关性，使得载荷计算的频响函数矩阵[H]m×n中包含的结构信息存在很大的相似性，这将导致频响函数矩阵的病态。
对频响函数矩阵求逆会出现不稳定，又由于观测噪声不可避免，将导致工作载荷与其准确值差异很大，结果不可信。
正则化方法是求解此类不适定性问题的有力工具，最著名的为Tikhonov正则化方法[5]。
当频响函数矩阵病态时，将式(4)进行Tikhonov正则化可得到:式中:HT为频响函数矩阵的共轭转置;L为正则化矩阵，本文取为单位矩阵;λ为正则化参数，其选择是求解不适定问题的关键，Hansen[6]针对不适定问题提出的L－曲线法是一种较好的方法，当λ∈(0，∞)且离散Picard条件成立时，曲线形状像字母“L”，L曲线角点处的曲率最大，选择其对应的λ即为所求的正则化参数。
1.2 频响函数估计激励力到参考点加速度响应的频响函数矩阵H及激励力到壳外目标点声压响应的频响函数矩阵H'的确定是TPA的核心，直接影响到TPA结果的准确性。
由于在试验测试过程中不可避免地存在干扰误差，因此频响函数估计精度问题是工程技术人员必须面对的问题之一。
系统频响函数估计的误差主要有输入输出测量误差(如加性随机噪声干扰)和信号处理误差(如频率泄露误差)等。
工程上减少加性随机噪声干扰影响常用的频响函数估计方法有估计和估计，前者主要考虑响应被污染的情况，后者则考虑了激励信号被污染的情况，两者都是有偏估计。
在一般实际测量中，输入输出加性噪声是同时存在的。
为此，本文引入能同时考虑输入输出噪声的估计模型来识别频响函数，是在总体最小二乘观点上求得的，其估计公式为[7]:式中，SXi，Xi(f)为响应信号的自谱;SFj，Fj(f)为激励力的自谱;SFjSFjXi(f)为激励信号与响应信号的互谱。
在系统频响函数估计中，时域截断引起的频谱泄露也是影响频响函数估计精度的主要原因之一，本文将通过选择恰当的窗函数和相邻数据块重迭比例来减小泄露误差。
为了进一步提高频响函数的估计精度，对频响函数估计采用多次平均。
2 双层圆柱壳体水下振动－声辐射试验为了研究双层加肋圆柱壳体在水下的振－声传递特性，本文进行了某双层加肋圆柱壳体模型的水下振动－声辐射试验，试验模型如图1。
在内壳体上选择三个激励源，位置分布如图2所示，试验只考虑垂向激励的响应。
在内壳体上布置振动加速度计共29个，振动加速度计的布置位置对模型振－声传递路径分析有很大的影响，此处在各激励点附近布置4个加速度计，这些部位的响应包含工作载荷的信息较丰富，其他加速度计布置遵循同方向的测点不要布置太近以及尽量不要将加速度计布置在反映激励点作用效应雷同的部位等原则。
在壳体外布放5枚水听器，加速度计和水听器布放位置与编号见图3。
图1 双层圆柱壳体模型Fig.1 The cylindrical double-shell model图2 激励源布放位置Fig.2 The location of excitation source图3 传感器布置示意图Fig.3 The location of the sensor试验在北京某消声水池内进行，模型吃水3.75 m，水听器布放深度均为4 m。
主要测量设备有:PFI28000信号调理器;NI1042q机箱+4498板卡的数据采集器;ACP－4320工控机;复合棒激振器;安捷伦33220信号源;BK2692电荷放大器;L6和JYH1000A功放;RHSA－20水听器;PCB加速度计。
试验中壳外的辐射噪声与壳体的结构振动数据实现了同时基采集，获得的数据不仅可以分析其自功率谱，还可进行涉及它们之间相互关系的互谱分析以及其他的综合处理。
采样频率为16 384 Hz，采样时间10 s，加速度、声压的参考值分别为10－6m/s2与10－6Pa。
首先进行单源激励试验，同时测得水下双层圆柱壳体内的振动加速度信号和壳外的声压信号，并利用1.2节中的)Hv估计对激励力到参考点加速度响应的传递函数H 及激励力到壳外目标点声压响应的传递函数H'进行估计。
在进行频响函数估计时，在每个激励点分别单独进行激励，采用多次激励，用平均的方法(作了6次平均)来获取频响函数以进一步减少噪声信号的影响。
同时选取 kaiser窗函数[8]，该窗函数全面反映了主瓣和旁瓣衰减之间的交换关系，它定义了一组可调的由零阶贝塞尔Bessel函数构成的窗函数，通过调整参数β可以在主瓣和旁瓣衰减之间自由选择它们的比重，此处取窗长度N=9 182，参数β=2，相邻数据块重迭比例取为1/2。
最后进行3个激励源同时激励下的试验，此处选一种信噪比较高的工况进行分析，具体为:1#激振器发射连续宽频信号sinc，频率取为500 Hz，2#激振器发射连续宽频信号sinc，频率取为1 000 Hz，3#激振器发射连续正弦信号，频率取为3 000 Hz，功率输出均为92 vpp。
对应的3个激励源分别单独开启，利用分布运转法来进一步验证振－声传递路径的分析结果。
3 试验数据处理与分析3.1 病态频响函数矩阵的诊断与正则化为了准确求得工作载荷，本文将参考点选为m=2n，模型共有3个路径点即参考点数为6个，且需要选取恰当的参考点组成较为良态的频响函数矩阵。
为了避免构造出病态的矩阵，需首先引入病态矩阵有效的诊断方法。
矩阵的条件数是诊断矩阵是否病态的有效方法，根据矩阵条件数的定义，将其推广到长方体矩阵有:其中，σ1是频响函数矩阵H的最大奇异值，σr是H的最小奇异值。
由于每一个频率处的频响函数矩阵都对应着一个condition值，此处根据condition曲线对载荷计算矩阵的病态程度进行判断。
当condition曲线在整个频率范围内都较小时，表示构造的矩阵质量较好，得出的计算结果比较好。
图4 给出了最佳参考点(1，5，7，11，12，14)构造的频响函数矩阵的condition(f)曲线，将condition(f)＞100对应的矩阵定义为病态矩阵[9]。
尽管图4的条件数总体较小，但在个别频率点处的条件数仍然较大，则相应的频响函数矩阵是病态的。
利用1.1节的正则化方法对病态矩阵进行修正，通过分析可知共有20个频点对应的频响函数矩阵为病态。
