基于聲子晶體理論的海水管路系統(tǒng)聲振控制.pdf

1、海水管路系統(tǒng)通常是指船舶與外海相通的管路系統(tǒng)，具有動(dòng)力系統(tǒng)冷卻、重量補(bǔ)償和二氧化碳吸收等作用。它猶如船舶的“血管系統(tǒng)”，維系著船舶的生命力。同時(shí)，海水管路系統(tǒng)在工作過程中不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。其中，低頻振動(dòng)和噪聲不僅能量大、傳播距離遠(yuǎn)、特征譜線明顯、控制難度大，而且它們?cè)趥鞑ブ邢嗷ヱ詈?，互為激?lì)源，聲振綜合控制困難?？梢哉f，海水管路系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲輻射問題已嚴(yán)重影響到船舶的安靜性、安全性設(shè)計(jì)，低頻聲振控制已成為船舶設(shè)計(jì)和制造中亟待解

2、決的關(guān)鍵問題之一。
　　聲子晶體固有的帶隙特性可以實(shí)現(xiàn)“彈性波的人為操控”為船舶海水管路聲振控制問題的解決帶來新的思路。結(jié)構(gòu)中的彈性波和流體介質(zhì)中的聲波均為彈性波，對(duì)彈性波傳播進(jìn)行調(diào)控是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減振降噪的一種技術(shù)手段。本文將海水管路系統(tǒng)聲振控制與聲子晶體理論應(yīng)用探索相結(jié)合，利用聲子晶體理論指導(dǎo)海水管路系統(tǒng)的周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具有彈性波帶隙特性，從而控制管路系統(tǒng)特定頻段的聲振傳播特性，達(dá)到海水管路系統(tǒng)低頻段減振降噪的目的。文中將這種

3、具有帶隙特性的周期結(jié)構(gòu)形式的海水管路稱為周期管路，并將管路中的彈性波區(qū)分為結(jié)構(gòu)彈性波和聲波。論文在周期管路聲振傳播特性研究中取得的主要成果和結(jié)論如下：
　　1、發(fā)展了周期管路的聲振傳播計(jì)算方法。基于殼模型理論，開發(fā)了周期管路的結(jié)構(gòu)彈性波帶隙及振動(dòng)計(jì)算半解析有限元算法；建立了周期管路流固耦合下的有限元計(jì)算模型，該模型可以高效地計(jì)算出周期管路不同周向模態(tài)下的結(jié)構(gòu)彈性波帶隙和振動(dòng)傳遞特性；推導(dǎo)了附加聲學(xué)元器件的管路聲傳播傳遞矩陣法，建立

4、了管路流體聲場(chǎng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)的耦合有限元模型，可以快速準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)聲固耦合下周期管路的聲波傳播特性。
　　2、設(shè)計(jì)了具有低頻結(jié)構(gòu)彈性波帶隙的周期管路，并對(duì)其帶隙特性、振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行了深入研究?；诼曌泳w布拉格散射和局域共振兩種帶隙機(jī)理，設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)形式的周期管路，研究了管路中結(jié)構(gòu)彈性波的帶隙形成機(jī)理、參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律，探討了流速、邊界條件影響和失穩(wěn)條件；在流固耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了布拉格帶隙和局域共振帶隙的低頻寬帶耦合帶隙；研究了周期管路在單

5、、雙向流固耦合下對(duì)流致振動(dòng)的控制效果。
　　3、構(gòu)造了具有低頻聲波帶隙的周期管路并揭示了聲波帶隙的形成機(jī)理。通過在海水管路系統(tǒng)周期設(shè)計(jì)擴(kuò)張腔，獲得了布拉格聲波帶隙，帶隙內(nèi)最大消聲量包絡(luò)線呈現(xiàn)出與單個(gè)擴(kuò)張室消聲器相似的變化律。通過在海水管路系統(tǒng)周期布置亥姆霍茲共振腔，獲得了局域共振聲波帶隙，實(shí)現(xiàn)了“小尺寸控制大波長”。通過集成設(shè)計(jì)擴(kuò)張腔和亥姆霍茲共振腔并周期布置于海水管路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低頻寬帶強(qiáng)衰減聲波帶隙。
　　4、設(shè)計(jì)了具有

6、低頻振動(dòng)和噪聲控制功能的周期管路并探討了其聲振綜合控制機(jī)理。基于聲子晶體的局域共振帶隙機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種吸振消聲器，并將其在海水管路系統(tǒng)中周期布置，實(shí)現(xiàn)了利用一種結(jié)構(gòu)同時(shí)控制低頻聲波和結(jié)構(gòu)彈性波的傳播；基于聲子晶體的布拉格散射帶隙機(jī)理，揭示了由非金屬材料管和鋼管（或消聲器、非金屬材料管和鋼管）構(gòu)成的布拉格周期管路中結(jié)構(gòu)彈性波和聲波的帶隙形成機(jī)理，并分析了一些關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律。
　　5、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了周期管路的低頻聲振控制功能。設(shè)計(jì)搭建