结构声辐射特性表达及优化方法研究

本项目以壳体结构低辐射噪声优化设计为工程应用背景，发展基于波叠加的结构声辐射阻抗理论计算和实验测量方法，研究内容包括基于波叠加原理的近边界辐射声场计算数值解稳定性问题，基于波叠加原理的结构表面声辐射阻抗的理论计算方法，结构声阻抗的精确测量研究，通过解析解、仿真计算以及实验等方法验证理论计算模型的正确性,继而研究以结构声辐射阻抗矩阵表达为基础的结构低噪声优化设计方法,探索非线性、非梯度、多峰值的组合优化策略和方法，研究多重约束函数和设计变量的表达等。该项目的实现可发展新的结构低辐射噪声设计的理论和方法,提高声优化设计的效率和实现多重目标，对于减少动力机械的辐射噪声，提高水下航行器的声隐身性能,减低舰船和工业噪声等具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

本项目围绕基于波叠加的结构低辐射噪声优化问题，全面系统地开展了基于波叠加原理的近边界辐射声场计算数值解稳定性问题研究，基于波叠加的结构声辐射阻抗理论计算方法研究，结构声辐射阻的测量原理及测量装置研究，以及基于形状优化的低辐射噪声设计等。在数值解稳定性研究方面，引入无单元法的思想解决格林函数近边界的奇异性问题，在无单元离散等效圆域上分别通过奇异点挖去法推导得到了单极子自辐射声压项近似解析表达，通过积分区域替换法推导获得了单极子自辐射速度项和偶极子自辐射声压项的近似解析表达，通过不变量嵌入法推导得到偶极子自辐射速度项近似解析表达，验证表明所推导的自辐射项近似解析表达式在中低频声场计算时能够得到较为准确的结果。研究了采用三极子作为等效源以克服在特征波数处的不唯一性问题，在体积速度相对误差最小条件下优化等效源位置，提出了采用1.5%的体积速度相对误差作为准则预测波叠加法计算截止频率，所提出的截止频率预测准则和等效源位置优化方法可有效降低声场预报的误差。推导了在等效源分别为单极子源、偶极子源和三极子源时结构表面声阻的理论计算公式，研究了实际结构处理时结构表面单元定义为各种等效源的准则。设计了声辐射阻的测量和标定装置，研究了减小探头尺寸和提高灵敏度之间的矛盾，并对测量方法可能产生的误差进行了理论推导，设计了多种不同尺寸用于测量结构声辐射阻的探头和测量系统，通过大量标定试验得到了各种探头的标定曲线，通过大量实验分析了影响测量精度的各种因素，实现了声辐射阻的精确实验测量，研究了截面积突变的消声器及方形箱体等经典声学结构的自辐射阻随频率的变化规律，以及柴油机缸盖不同结构位置自辐射阻和互辐射阻随频率的变化规律。研究了以结构声辐射阻抗矩阵表达为基础的结构低噪声形状优化设计方法，探索了基于遗传算法的组合优化策略和方法，以及设计变量和约束函数的表达，编制了声功率计算、声辐射阻矩阵计算、形状优化等的计算软件。该项目的研究发展了基于波叠加的新结构低辐射噪声设计理论和方法,提出了基于结构形状变化的声优化设计新方法，使声辐射优化设计更加简便有效，可用于减少动力机械、舰船的辐射噪声和其他工业噪声，提高水下航行器的声隐身性能。