考慮流體加載效應(yīng)的板結(jié)構(gòu)聲輻射損耗因子和輻射效率的計(jì)算分析

黎 勝

1大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024

2大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024

考慮流體加載效應(yīng)的板結(jié)構(gòu)聲輻射損耗因子和輻射效率的計(jì)算分析

黎 勝1，2

1大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024

2大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024

采用有限元法和Rayleigh積分耦合方法對(duì)考慮流體加載效應(yīng)的板的結(jié)構(gòu)聲輻射損耗因子和聲輻射效率進(jìn)行了計(jì)算分析，其中結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的聲輻射損耗因子和聲輻射效率分別基于模型降階的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法和考慮流體附加質(zhì)量的實(shí)模態(tài)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)板在空氣和水中的聲輻射損耗因子和輻射效率進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：板的奇奇振動(dòng)模態(tài)的聲輻射損耗因子遠(yuǎn)大于其他類(lèi)型模態(tài)；板奇奇振動(dòng)模態(tài)在空氣中的聲輻射損耗因子遠(yuǎn)小于水中的聲輻射損耗因子，約差一個(gè)數(shù)量級(jí)；板在水中的聲輻射損耗因子遠(yuǎn)大于板的結(jié)構(gòu)損耗因子，空氣的聲輻射損耗因子與結(jié)構(gòu)損耗因子相當(dāng)；空氣中的聲輻射效率比水中的聲輻射效率約高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

流體加載效應(yīng)；聲輻射；損耗因子；輻射效率

1 引言

結(jié)構(gòu)的聲輻射損耗因子和聲輻射效率分別體現(xiàn)了流體附加阻尼的大小和結(jié)構(gòu)聲輻射能力的強(qiáng)弱，目前已有不少研究探討了空氣中結(jié)構(gòu)的聲輻射效率［1，2］，但對(duì)考慮流體加載效應(yīng)的結(jié)構(gòu)聲輻射損耗因子和聲輻射效率研究還不多見(jiàn)。眾所周知，考慮流體介質(zhì)加載效應(yīng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射計(jì)算是一個(gè)結(jié)構(gòu)—聲耦合問(wèn)題。對(duì)中低頻激勵(lì)作用下的結(jié)構(gòu)—聲耦合問(wèn)題的求解，目前最有效、最能發(fā)揮求解方法自身優(yōu)點(diǎn)的是耦合有限元／邊界元方法，即結(jié)構(gòu)問(wèn)題用有限元法進(jìn)行處理，聲流體問(wèn)題用邊界元法進(jìn)行處理［3］。常規(guī)的有限元／邊界元耦合方法，其不足之處在于不能進(jìn)行考慮流體加載效應(yīng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。GIORDANO等［4］和CUNEFARE等［5］采用激勵(lì)頻率的冪級(jí)數(shù)形式對(duì)聲阻抗矩陣中的元素進(jìn)行擬合，將聲阻抗矩陣元素中隱含的激勵(lì)頻率用顯式表示出來(lái)，再將激勵(lì)頻率的不同次冪項(xiàng)與速度的乘積用位移的不同階導(dǎo)數(shù)表示后就消除了聲阻抗矩陣的頻率依賴(lài)性，然后在狀態(tài)空間內(nèi)將結(jié)構(gòu)有限元方程和流體邊界元方程耦合起來(lái)。此后，由狀態(tài)空間特征向量的雙正交性，通過(guò)求解一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)特征值問(wèn)題可以得到流體加載下結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和聲輻射模態(tài)阻尼比等?？紤]到聲阻抗矩陣的頻率依賴(lài)性來(lái)源于格林函數(shù)，黎勝［6］對(duì) Giordano和 Cunefare的狀態(tài)空間有限元／邊界元耦合方法進(jìn)行了改進(jìn)，不采用擬合而是直接對(duì)格林函數(shù)進(jìn)行最佳平方逼近或級(jí)數(shù)展開(kāi)，直接得到不隱含激勵(lì)頻率的聲阻抗矩陣，并直接對(duì)逼近誤差和截?cái)嗾`差進(jìn)行估算以保證模態(tài)分析的精度。李賢徽和黎勝［7］基于模型降階法也實(shí)現(xiàn)了考慮流體加載效應(yīng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射的模態(tài)參數(shù)識(shí)別。

本文采用有限元法和Rayleigh積分基于考慮流體附加質(zhì)量的實(shí)模態(tài)和基于模型降階的水下結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法對(duì)空氣和水中板結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的聲輻射模態(tài)輻射效率和模態(tài)損耗因子進(jìn)行了計(jì)算分析和比較，還對(duì)點(diǎn)力作用下的結(jié)構(gòu)聲輻射效率和損耗因子進(jìn)行了計(jì)算分析。

2 理 論

2.1 結(jié) 構(gòu)

結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)諧激勵(lì)力作用下，考慮流體加載效應(yīng)的有限元形式的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中， ω 為激勵(lì)圓頻率； i＝（－1）1／2； ［M］、［C］和［K］分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；｛x｝為結(jié)構(gòu)位移向量；｛F｝為外激勵(lì)力向量；［G］為轉(zhuǎn)換矩陣，其作用是將結(jié)構(gòu)表面法向力向量轉(zhuǎn)換為與結(jié)構(gòu)自由度對(duì)應(yīng)的力向量；矩陣［A］＝∫S［N］T［N］dS，［N］為形狀函數(shù)矩陣，S 為結(jié)構(gòu)表面；｛p｝為結(jié)構(gòu)表面聲壓向量。

2.2 聲輻射

結(jié)構(gòu)表面聲壓向量和表面法向速度向量的關(guān)系式可統(tǒng)一表示：

式中，［Z］為聲阻抗矩陣；｛νn｝為結(jié)構(gòu)表面法向振速向量。對(duì)嵌在無(wú)限大平面障板中的平板結(jié)構(gòu)，式（2）可通過(guò)對(duì)板表面Rayleigh積分進(jìn)行離散得到。對(duì)具有封閉表面的三維結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)表面聲壓和結(jié)構(gòu)表面法向振速的關(guān)系式也可通過(guò)對(duì)表面Helmholtz積分方程進(jìn)行離散得到。

2.3 結(jié)構(gòu)聲輻射的聲輻射效率和損耗因子的計(jì)算

結(jié)構(gòu)表面法向速度向量｛νn｝、結(jié)構(gòu)有限元節(jié)點(diǎn)速度向量｛ν｝和結(jié)構(gòu)位移向量｛x｝之間的關(guān)系式可表示為：

求出結(jié)構(gòu)位移向量｛x｝后，進(jìn)而可求出｛ν｝、｛νn｝和｛p｝等。結(jié)構(gòu)的輻射聲功率W可由結(jié)構(gòu)表面聲壓｛p｝和表面法向振速｛νn｝通過(guò)下式求得：

結(jié)構(gòu)的聲輻射效率一般定義為：

式中，W為結(jié)構(gòu)的輻射聲功率；ρ為流體介質(zhì)的密度；c為流體介質(zhì)中的聲速；S0為結(jié)構(gòu)的表面積；〈〉為結(jié)構(gòu)表面法向振速均方值，定義為：

式中，νn為表面法向振速。

對(duì)板厚為h，密度為ρs的板結(jié)構(gòu)，其聲輻射損耗因子與輻射效率的關(guān)系為［8］：

聲輻射損耗因子也可由結(jié)構(gòu)輻射聲功率和均方速度表示為：式中，M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

2.4 結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的聲輻射效率和損耗因子的計(jì)算

由結(jié)構(gòu)表面聲壓向量｛p｝和表面法向速度向量｛νn｝的關(guān)系式，式（1）可用矩陣表示為：

式中，［R］＝（［A］／2）Re（［Z］）。 于是，｛νn｝又可以表示為：

式中，［Φ］為結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)矩陣（振型矩陣）；｛r｝為結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)速度向量。所以，式（10）又可以表示為：

由式（12）可見(jiàn)，各振動(dòng)模態(tài)對(duì)聲輻射的貢獻(xiàn)是不獨(dú)立的，［T］的對(duì)角元素體現(xiàn)了各階振動(dòng)模態(tài)自身對(duì)結(jié)構(gòu)輻射聲功率的貢獻(xiàn)，而非對(duì)角元素則體現(xiàn)了各階振動(dòng)模態(tài)間的耦合對(duì)結(jié)構(gòu)輻射聲功率的貢獻(xiàn)。

對(duì)空氣中結(jié)構(gòu)的振型矩陣采用真空中的模態(tài)矩陣［Φ］，即求解廣義特征值問(wèn)題：

得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率ωi和固有振型｛φi｝。對(duì)水中的模態(tài)矩陣，由于與水中模態(tài)固有頻率ωi對(duì)應(yīng)的流體附加質(zhì)量矩陣為［9］：

求解由［K］和［［M］＋［Ma］］確定的廣義特征值問(wèn)題即可得到與 ωi對(duì)應(yīng)的模態(tài)矩陣｛Φi｝。 ｛Φi｝為不考慮流體附加阻尼的實(shí)模態(tài)矩陣。

各階振動(dòng)模態(tài)的輻射效率可由輻射效率的定義式（6）求得：

對(duì)模態(tài)阻尼損耗因子的計(jì)算，考慮流體加載效應(yīng)的結(jié)構(gòu)—流體耦合系統(tǒng)的降階模型的剛度陣和質(zhì)量陣中的分塊為：

式中，H（ω） ＝ ｛F｝T（-ω2［M］ ＋iω（［C］ ＋ ［G］［A］［Z］［G］T）＋ ［K］－1）｛F｝，ωαωβ為計(jì)算頻段內(nèi)的插值頻率。在計(jì)算頻段內(nèi)根據(jù)式（17）和式（18）來(lái)形成降階模型的剛度陣［K^］和質(zhì)量陣［M^］后，求解由［K^］和［M^］確定的廣義復(fù)特征值問(wèn)題即可以得到在計(jì)算頻段內(nèi)流體加載下結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的固有頻率和聲輻射損耗因子等模態(tài)參數(shù)。

3 數(shù)值算例和分析

3.1 結(jié)構(gòu)聲輻射的模態(tài)損耗因子和模態(tài)輻射效率

矩形板板長(zhǎng) Lx＝0.455 m， 板寬 Lν＝0.379 m，板厚 h ＝0.003 m， 板密度 ρs＝7 850 kg／m3，E ＝2.1×1011N／m2，ν ＝0.3， 邊界條件為四邊簡(jiǎn)支，空氣密度 ρ＝1.21 kg／m3，聲速 c ＝343 m／s，水密度ρ＝1 000 kg／m3，聲速 c＝1 500 m／s。 參考聲功率取為10－12W。計(jì)算中采用四邊形四節(jié)點(diǎn)等參元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，網(wǎng)格為16×16，其中有限元為基于Mindlin板彎曲理論的板元，板表面Rayleigh積分的離散使用和有限元計(jì)算同樣的網(wǎng)格。表1列出了考慮流體加載效應(yīng)的板在空氣中和在水中的前五階振動(dòng)模態(tài)的固有頻率和聲輻射損耗因子。

由表1可見(jiàn)，考慮空氣的加載效應(yīng)后得到的固有頻率與真空中的基本一樣，即空氣的附加質(zhì)量效應(yīng)可以忽略，結(jié)構(gòu)在空氣中各階振動(dòng)模態(tài)的聲輻射損耗因子有較大差別，奇奇模態(tài)最大，奇偶模態(tài)和偶奇模態(tài)次之，偶偶模態(tài)最小，最大的第1階振動(dòng)模態(tài)的聲輻射損耗因子為0.001416。各階振動(dòng)模態(tài)聲輻射損耗因子的差別實(shí)際上是由各階模態(tài)的聲輻射能力決定的，輻射效率高的模態(tài)聲輻射能力強(qiáng)，相應(yīng)地?fù)p耗因子大。從表1還可以看到，水的附加質(zhì)量效應(yīng)使結(jié)構(gòu)的固有頻率大大降低。結(jié)構(gòu)在水中各階振動(dòng)模態(tài)的聲輻射損耗因子較空氣中有更大差別，奇奇模態(tài)（1，1）和（3，1）的聲輻射損耗因子分別為0.012和0.0084，奇偶模態(tài)、偶奇模態(tài)、偶偶模態(tài)的聲輻射阻尼損耗因子與奇奇模態(tài)的聲輻射損耗因子相比非常小。對(duì)比空氣和水中（1，1）模態(tài)的聲輻射損耗因子，水中的聲輻射損耗因子約大一個(gè)數(shù)量級(jí)。計(jì)算奇奇模態(tài)（1，1）和（3，1）在空氣中和在水中的模態(tài)輻射效率如圖1和圖2所示，可以看到，空氣中的模態(tài)輻射效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水中的模態(tài)輻射效率，約高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然水中的模態(tài)輻射效率小于空氣中的輻射效率，但由于水的特性阻抗較大，較小的速度就可以輻射出較大的能量，所以表1水中奇奇模態(tài)的輻射損耗因子大于空氣中的損耗因子。關(guān)于輻射效率，損耗因子和特性阻抗的具體關(guān)系也可參見(jiàn)式（8）。

表1 空氣和水中板振動(dòng)模態(tài)的固有頻率和聲輻射損耗因子

3.2 結(jié)構(gòu)聲輻射的損耗因子和輻射效率

計(jì)算矩形鋼板在垂向點(diǎn)力激勵(lì) （力幅值F0＝1N）的作用下，作用位置為板中心時(shí)激勵(lì)頻率從5 Hz到550 Hz間的輻射效率和輻射損耗因子如圖3和圖4所示。由圖可見(jiàn)激勵(lì)力作用下結(jié)構(gòu)的聲輻射效率和聲輻射損耗因子在空氣中和在水中均有較大差別，水中的聲輻射效率約為0.001量級(jí)，空氣中的聲輻射效率約為0.1量級(jí)，水中的聲輻射損耗因子基本上大于0.01，空氣中的聲輻射損耗因子約為0.001量級(jí)。這樣，如取鋼材的結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子為 0.0013［10］或1 ～ 6 × 10－4［11］，則水的聲輻射阻尼的作用遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)阻尼的作用，空氣的聲輻射阻尼的作用與結(jié)構(gòu)阻尼相當(dāng)?？諝庵械穆曒椛湫始s為0.1，較之約為0.001的水中聲輻射效率高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

4 結(jié)論

本文采用有限元法和Rayleigh積分基于考慮流體附加質(zhì)量的實(shí)模態(tài)和基于模型降階的水下結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法對(duì)考慮流體加載效應(yīng)的板結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的輻射效率和損耗因子進(jìn)行了計(jì)算研究，還對(duì)點(diǎn)力作用下的結(jié)構(gòu)聲輻射效率和損耗因子進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算分析表明：板的奇奇振動(dòng)模態(tài)的聲輻射損耗因子遠(yuǎn)大于其他類(lèi)型模態(tài)；板奇奇模態(tài)在空氣中的聲輻射損耗因子遠(yuǎn)小于水中的聲輻射損耗因子，約差一個(gè)數(shù)量級(jí)；板在水中的聲輻射損耗因子遠(yuǎn)大于板的結(jié)構(gòu)損耗因子，空氣的聲輻射損耗因子與結(jié)構(gòu)損耗因子相當(dāng)；空氣中的聲輻射效率比水中的聲輻射效率約高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。本文中所給出的空氣和水中的聲輻射損耗因子和輻射效率對(duì)板結(jié)構(gòu)聲輻射阻尼的選取、結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的模態(tài)方法求解和結(jié)構(gòu)輻射聲功率的預(yù)估等具有一定的參考價(jià)值。

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Analysis of Structural Acoustic Radiation Loss Factor and Radiation Efficiency of a Plate Under Fluid Loading

Li Sheng1，2
1 State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment， Dalian University of Technology，Dalian 116024，China
2 School of Naval Architecture，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

The structural acoustic radiation loss factor and radiation efficiency of a plate under fluid loading were computerized and analyzed using finite element method and Rayleigh integral coupled method.The finite element method was employed for discretizing the structure.The Rayleigh integral was used for modeling the acoustic fluid.The modal acoustic radiation loss factor and the modal acoustic radiation efficiency were obtained with fluid－loaded undamped normal modes and reduced order models respectively.The numerical results of a plate in the air and in the water show that the acoustic radiation loss factor of an odd－odd mode is far larger than other types of modes， and the acoustic radiation loss factor in the air is about one order of magnitude lower than that in the water.The acoustic radiation loss factor in water is much bigger than the structural loss factor，and the acoustic radiation loss factor in the air is on the same order of magnitude of the structural loss factor.The acoustic radiation efficiency in air is about two orders of magnitude higher than that in water.

fluid loading effects；acoustic radiation； loss factor；radiation efficiency

TB532

A

1673－3185（2010）02－09－04

2009－09-01

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20082170）；教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目

黎 勝（1973－），男，副教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物振動(dòng)噪聲機(jī)理、預(yù)報(bào)及控制。E-mail：shengli＠ dlut.edu.cn