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原文传递基于声子晶体理论的海水管路系统声振控制

论文题名：	基于声子晶体理论的海水管路系统声振控制
关键词：	声子晶体;减振降噪;流固耦合;声振综合控制;海水管路系统;船舶设计
摘要：	海水管路系统通常是指船舶与外海相通的管路系统，具有动力系统冷却、重量补偿和二氧化碳吸收等作用。它犹如船舶的“血管系统”，维系着船舶的生命力。同时，海水管路系统在工作过程中不可避免地产生振动和噪声。其中，低频振动和噪声不仅能量大、传播距离远、特征谱线明显、控制难度大，而且它们在传播中相互耦合，互为激励源，声振综合控制困难。可以说，海水管路系统的振动和噪声辐射问题已严重影响到船舶的安静性、安全性设计，低频声振控制已成为船舶设计和制造中亟待解决的关键问题之一。　　声子晶体固有的带隙特性可以实现“弹性波的人为操控”为船舶海水管路声振控制问题的解决带来新的思路。结构中的弹性波和流体介质中的声波均为弹性波，对弹性波传播进行调控是实现结构减振降噪的一种技术手段。本文将海水管路系统声振控制与声子晶体理论应用探索相结合，利用声子晶体理论指导海水管路系统的周期结构设计，使其具有弹性波带隙特性，从而控制管路系统特定频段的声振传播特性，达到海水管路系统低频段减振降噪的目的。文中将这种具有带隙特性的周期结构形式的海水管路称为周期管路，并将管路中的弹性波区分为结构弹性波和声波。论文在周期管路声振传播特性研究中取得的主要成果和结论如下：　　1、发展了周期管路的声振传播计算方法。基于壳模型理论，开发了周期管路的结构弹性波带隙及振动计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计算模型，该模型可以高效地计算出周期管路不同周向模态下的结构弹性波带隙和振动传递特性；推导了附加声学元器件的管路声传播传递矩阵法，建立了管路流体声场和结构振动的耦合有限元模型，可以快速准确地预报声固耦合下周期管路的声波传播特性。　　2、设计了具有低频结构弹性波带隙的周期管路，并对其带隙特性、振动传递特性进行了深入研究。基于声子晶体布拉格散射和局域共振两种带隙机理，设计了不同结构形式的周期管路，研究了管路中结构弹性波的带隙形成机理、参数调节规律，探讨了流速、边界条件影响和失稳条件；在流固耦合系统实现了布拉格带隙和局域共振带隙的低频宽带耦合带隙；研究了周期管路在单、双向流固耦合下对流致振动的控制效果。　　3、构造了具有低频声波带隙的周期管路并揭示了声波带隙的形成机理。通过在海水管路系统周期设计扩张腔，获得了布拉格声波带隙，带隙内最大消声量包络线呈现出与单个扩张室消声器相似的变化律。通过在海水管路系统周期布置亥姆霍兹共振腔，获得了局域共振声波带隙，实现了“小尺寸控制大波长”。通过集成设计扩张腔和亥姆霍兹共振腔并周期布置于海水管路系统，实现了低频宽带强衰减声波带隙。　　4、设计了具有低频振动和噪声控制功能的周期管路并探讨了其声振综合控制机理。基于声子晶体的局域共振带隙机理，设计了一种吸振消声器，并将其在海水管路系统中周期布置，实现了利用一种结构同时控制低频声波和结构弹性波的传播；基于声子晶体的布拉格散射带隙机理，揭示了由非金属材料管和钢管（或消声器、非金属材料管和钢管）构成的布拉格周期管路中结构弹性波和声波的带隙形成机理，并分析了一些关键参数的影响规律。　　5、实验验证了周期管路的低频声振控制功能。设计搭建了管路实验系统，开展了局域共振和布拉格周期管路的声振传播特性实验测试，测试结果验证了设计的周期管路具有低频声振综合控制功能。　　总之，本文重点研究了周期管路的声振传播特性，为船舶海水管路系统的振动传递和噪声传播控制提供新的基础理论，同时有望为海水管路系统低频段的减振降噪提供技术支持。
作者：	沈惠杰
专业：	机械工程
导师：	温熙森
授予学位：	博士
授予学位单位：	国防科学技术大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文