發(fā)布時(shí)間：2020-07-23 23:20

【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展及工業(yè)現(xiàn)代化,噪聲污染已日益加劇,嚴(yán)重影響到人們的身心健康,而對(duì)噪聲源進(jìn)行聲輻射優(yōu)化設(shè)計(jì)是最為直接有效的噪聲控制手段。結(jié)構(gòu)聲輻射功率代表了結(jié)構(gòu)向外輻射的聲能量,而結(jié)構(gòu)表面聲輻射阻則表征了結(jié)構(gòu)向外輻射聲能量的能力,且其取決于結(jié)構(gòu)表面形狀。因此通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)表面形狀降低結(jié)構(gòu)聲輻射阻,使其成為弱輻射體是一種行之有效的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過研究波疊加理論,提出一種克服特征波數(shù)處聲場(chǎng)解非唯一性問題的聲場(chǎng)計(jì)算方法——附加源波疊加法;基于波疊加理論推導(dǎo)構(gòu)造了表征結(jié)構(gòu)聲輻射特性的聲輻射阻矩陣,并設(shè)計(jì)聲輻射阻測(cè)量裝置對(duì)理論計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證;基于此提出一種以結(jié)構(gòu)表面聲輻射阻為目標(biāo)函數(shù)的聲學(xué)形狀優(yōu)化方法,結(jié)合遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化,降低結(jié)構(gòu)的聲輻射能力;以某200 kW異步電機(jī)為對(duì)象,采用該聲學(xué)形狀優(yōu)化方法進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì),降低了電機(jī)的輻射噪聲水平,驗(yàn)證該聲學(xué)形狀優(yōu)化方法的有效性。主要的研究工作包括:(1)單極子波疊加法在求解聲場(chǎng)時(shí),由于單極子源位于輻射體內(nèi)部封閉光滑曲面上,當(dāng)分析波數(shù)等于特征波數(shù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)聲場(chǎng)解的非唯一性問題�；诓ǒB加法提出一種克服聲場(chǎng)解非唯一性問題的方法——附加源波疊加法,通過在輻射體內(nèi)部添加適量附加源來獲得全波數(shù)域內(nèi)聲場(chǎng)的唯一解;以重構(gòu)后體積速度相對(duì)誤差為目標(biāo)函數(shù),對(duì)單極子源位置進(jìn)行優(yōu)化選取,可保證聲場(chǎng)求解的精度。(2)設(shè)計(jì)了簡支平板聲學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,對(duì)比兩種實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果與波疊加法計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證了波疊加法的計(jì)算精度。保證激勵(lì)力幅值不變,測(cè)試不同頻率下簡支平板的輻射聲壓與有限元法結(jié)合波疊加法求解得到的聲壓解進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證;保證激勵(lì)力頻率及幅值不變,實(shí)驗(yàn)拾取平板表面加速度作為波疊加法輸入條件求解的輻射聲場(chǎng)與測(cè)得聲場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明,波疊加法計(jì)算具有非常高的計(jì)算精度。(3)基于波疊加理論,研究聲場(chǎng)的聲壓、源強(qiáng)度和表面單元體積速度之間的關(guān)系,推導(dǎo)構(gòu)造了表征結(jié)構(gòu)聲輻射特性的聲輻射阻矩陣,并據(jù)此編寫聲輻射阻計(jì)算程序。設(shè)計(jì)了聲輻射阻測(cè)量裝置,以一端密封的揚(yáng)聲器模擬點(diǎn)聲源,設(shè)計(jì)校準(zhǔn)裝置對(duì)模擬的點(diǎn)聲源進(jìn)行校準(zhǔn)以獲得該點(diǎn)聲源的體積速度;以一傳聲器測(cè)量該點(diǎn)聲源作用下其他單元表面聲壓,再根據(jù)聲輻射阻定義,計(jì)算結(jié)構(gòu)表面單元聲輻射阻。針對(duì)典型聲學(xué)結(jié)構(gòu),采用理論計(jì)算方法及實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法分別計(jì)算得到其表面聲輻射阻曲線,驗(yàn)證了理論計(jì)算方法的正確性。(4)針對(duì)結(jié)構(gòu)聲學(xué)形狀優(yōu)化時(shí),結(jié)構(gòu)表面形狀難以構(gòu)建參數(shù)化模型及優(yōu)化迭代過程中需反復(fù)費(fèi)時(shí)求解聲功率的問題,提出一種以結(jié)構(gòu)表面聲輻射阻為目標(biāo)函數(shù)的形狀優(yōu)化方法。該方法以一組結(jié)構(gòu)模態(tài)振型疊加重構(gòu)優(yōu)化時(shí)的形狀參數(shù)模型,以結(jié)構(gòu)表面聲輻射阻為目標(biāo)函數(shù)避免復(fù)雜費(fèi)時(shí)求解聲輻射功率的問題,采用遺傳算法優(yōu)化振型權(quán)系數(shù)以獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)形狀,進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)聲輻射阻實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)弱輻射,可有效降低結(jié)構(gòu)輻射噪聲水平。(5)針對(duì)某200 kW大型異步電機(jī)非線性部件(螺栓結(jié)合面、滾動(dòng)軸承、定轉(zhuǎn)子鐵芯及繞組)難以建模的問題,分別采用基于德國標(biāo)準(zhǔn)VDI2230的螺栓結(jié)合面建模方法建立電機(jī)螺栓結(jié)合面模型、基于Hertz接觸理論以彈簧阻尼單元模擬滾動(dòng)軸承、以實(shí)體單元等效定轉(zhuǎn)子鐵芯及繞組,并對(duì)其進(jìn)行仿真模態(tài)分析及試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析,驗(yàn)證了電機(jī)有限元模型的正確性。(6)在建立精確的電機(jī)有限元模型的基礎(chǔ)上,仿真計(jì)算其在電磁力作用下的振動(dòng)響應(yīng)及額定工況下的輻射聲場(chǎng),找出電機(jī)結(jié)構(gòu)中輻射能量最大的面板部分。針對(duì)該面板結(jié)構(gòu),采用以聲輻射阻為目標(biāo)函數(shù)的形狀優(yōu)化方法進(jìn)行了聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì),達(dá)到改善電機(jī)聲輻射性能、降低輻射噪聲水平的目的。綜上所述,通過研究波疊加法,采用添加附加單極子源的方式克服了傳統(tǒng)波疊加法特征波數(shù)處解的非唯一性問題�；诓ǒB加法推導(dǎo)構(gòu)造表征結(jié)構(gòu)聲輻射能力的聲輻阻矩陣,并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了驗(yàn)證。提出一種以聲輻射阻為目標(biāo)函數(shù)的聲學(xué)形狀優(yōu)化方法,該方法有效避免了傳統(tǒng)聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中需反復(fù)求解聲輻射功率的問題,并結(jié)合遺傳算法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲學(xué)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用該形狀優(yōu)化方法對(duì)某200 kW電機(jī)進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì),有效降低了電機(jī)整體輻射噪聲水平,該方法對(duì)后續(xù)結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM30
【圖文】：

振速幅值v=1 m/s。單極子波疊加法計(jì)算時(shí)，如圖2-6 所示，球表面均勻分布 59 個(gè)節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)的單極子源個(gè)數(shù)也為 59 個(gè)，單極子源均勻分布于半徑 b=0.5a 球面上。計(jì)算坐標(biāo)為（0，0，1）m 處球面聲壓并與解

28圖 2-7 脈動(dòng)球源表面聲壓實(shí)部對(duì)比 圖 2-8 脈動(dòng)球源表面聲壓虛部對(duì)比由圖 2-7 和圖 2-8 可見，單極子波疊加法求解脈動(dòng)球源表面聲壓，分析波數(shù)等于接近或等于特征波數(shù) kb = π,2π,3π時(shí)，聲壓實(shí)部和虛部出現(xiàn)非唯一解；在其他波數(shù)處，單極子波疊加法的聲壓解與解析解能很好吻合。2.4.1.2 附加源波疊加法為克服單極子波疊加法聲場(chǎng)解的非唯一性問題，采用附加源波疊加法對(duì)脈動(dòng)球源的例子進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。在上節(jié)單極子波疊加法的基礎(chǔ)上，球心即坐標(biāo)原點(diǎn)處添加一個(gè)附加源。球表面也均勻分布 59 個(gè)節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)的單極子源極均勻分布于半徑 b=0.5a 虛擬球面上。計(jì)算坐標(biāo)為（0，0，1）m 處球面聲壓并與解析解對(duì)比如圖 2-9 和 2-10 所示。

28圖 2-7 脈動(dòng)球源表面聲壓實(shí)部對(duì)比 圖 2-8 脈動(dòng)球源表面聲壓虛部對(duì)比由圖 2-7 和圖 2-8 可見，單極子波疊加法求解脈動(dòng)球源表面聲壓，分析波數(shù)等于接近或等于特征波數(shù) kb = π,2π,3π時(shí)，聲壓實(shí)部和虛部出現(xiàn)非唯一解；在其他波數(shù)處，單極子波疊加法的聲壓解與解析解能很好吻合。2.4.1.2 附加源波疊加法為克服單極子波疊加法聲場(chǎng)解的非唯一性問題，采用附加源波疊加法對(duì)脈動(dòng)球源的例子進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。在上節(jié)單極子波疊加法的基礎(chǔ)上，球心即坐標(biāo)原點(diǎn)處添加一個(gè)附加源。球表面也均勻分布 59 個(gè)節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)的單極子源極均勻分布于半徑 b=0.5a 虛擬球面上。計(jì)算坐標(biāo)為（0，0，1）m 處球面聲壓并與解析解對(duì)比如圖 2-9 和 2-10 所示。

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