腔室内部声场与结构振动耦合特性及噪声控制研究综述

    1引 言

    舰船声呐罩和飞机、车辆舱室以及建筑房间内部声场，局限在以罩壁、舱壁或墙壁为界面的有限区域内。产生腔室内部噪声的激励源主要有壁面湍流边界层脉动压力、外部和内部噪声源以及壁面结构振动等。，而且还与壁面的声学性质有关，壁面结构振动也不仅与外部无限区域的声介质耦合，而且还与内部有限区域的声介质耦合。

    在舰船机械噪声与推进器噪声得到有效控制以及安静性航速提高的情况下，声呐罩结构在湍流边界层脉动压力激励下产生的水动力噪声是声呐自噪声的主要分量，文献[1]综述了声呐自噪声的预报及控制方法，文献[2]综述了在湍流边界层脉动压力激励下，弹性结构产生的辐射噪声与内部自噪声的计算方法研究进展。近年来，针对声呐自噪声的水动力噪声分量预报，考虑声呐罩结构振动与内外声场藕合以及随机面分布激励两个基本特征，文献[[3-4]中采用简化平行腔体模型，研究夹芯透声窗受湍流边界层脉动压力激励产生的声呐自噪声;文献[[5]进一步考虑了周期性加肋夹芯透声窗对自噪声的影响，由于肋骨的散射效应，声呐部位自噪声增加。文献[6]针对潜艇舷侧声呐罩的非规则形状声腔，采用集成模态法和虚拟膜技术，建立声腔弹性壁面在随机面激励下产生的自噪声计算方法。文献[[7]考虑流体负载对模态密度等参数的影响修正，采用统计能量法建立声呐罩自噪声的计算模型。文献[[8]针对非规则形状声呐罩，采用虚拟弹性膜技术，建立了集成统计能量法计算声呐自噪声。这些研究基本构建了声呐自噪声的水动力噪声预报平台。

    随着舰船、列车和汽车速度的提升以及人们对安静舒适环境要求的提高，舱室空气噪声的预报与控制将会在一个新的层面上引起进一步的重视;舰船主被动声呐探测频率向低频的扩展，需要发展更有效的自噪声控制技术，舱室空气噪声对水下噪声的影响，也需要更深入的认识。本文在文献[[2]综述的基础上，分别从规则腔室的低频解析法与高频统计法以及非规则腔室的数值法等三个方面，归纳梳理腔室内部声场与结构振动藕合特性的计算分析方法，同时有重点地针对共振腔吸声与主动控制，综述腔室内部噪声控制研究的新进展，并提出舰船声呐罩和舱室内部声场与结构藕合振动及噪声控制研究的几点想法。

    2腔室内部声场及声弹性藕合特性计算方法

    2.1规则腔室的低频解析方法

    船舶与车辆舱室以及建筑房间形状基本为矩形腔，飞机、潜艇舱室接近圆柱腔，对于这类形状规则的腔体，常常采用内部区域声模态与结构振动模态藕合求解，建立声弹性藕合运动方程。Guy和Bhattacharya}9-'0}针对一面为矩形弹性板，另外五面为刚性壁面的矩形腔，采用Laplace变换法和模态分析法，研究了平面声波通过矩形弹性板在腔内产生的声场，分析了结构振动模态和声腔声模态的相互作用。Narayanan和Shanbhag}"}采用相同的方法，研究了平面声波通过三层夹芯弹性板在矩形腔产生的声场。Oldham和Hillarby}'z-'3}建立了矩形腔内己知声源产生的噪声通过弹性矩形板辐射到外场的计算模型。在声波波长远大于矩形板几何尺寸的低频假设情况下，只需取低阶振动模态，计算模型大为简化。Pan}i4-ib}和Lacour}l'}建立的矩形腔和矩形平板组合模型有两方面的进展，其一、矩形腔五个内壁为局部声阻抗壁面;其二、不仅腔内有声源，而且矩形板还受到外力的激励，扩展了模型的适用范围。Bistafa}'}}进一步提出了两种计算任意壁面阻抗矩形腔本征值的方法，用于计算声模态频率以及衰减常数与响时间。Lee}19}采用平面波和声阻抗概念，建立了两个相连矩形腔结构与声模态藕合的模型，提出了腔颈长度与面积比等影响矩形腔与结构控制模态的新藕合参数。在某些车辆或舱室中，两个腔室之间可能有小孔或缝隙存在，Ahn }z0}采用解析法建立了由小孔连接的两个腔室结构振动与声场藕合模型，小孔采用等效的质量一弹簧一阻尼振子模拟，研究表明，小孔使两个腔室与弹性隔板产生附加藕合模态。Wang}z'}针对圆柱壳内部有水平铺板的组合结构，研究了铺板与圆柱壳之间的振动功率流传递，但需要进一步考虑内部声场与结构振动功率流的关系。鉴于实际工程结构的复杂性，Henry和Clark}zz}计算飞机机舱噪声时，将机舱壁划分为曲面矩形子单元，建立每个子单元与内部声场的藕合方程。Peter}z3}利用声阵与激光测振仪，在试验室环境测量舱段模型内部声压与壳体振动，得到结构总体模态与局部模态对壳体振动及内部声场的贡献，并指出局部振动模态是激励内部声模态的主要因素。Gardoni。等人[24]采用模态相互作用分析方法，研究了平面波入射到夹心圆柱壳的共振与非共振传输特性，计算了蜂窝夹心结构以及内部附加质量块的降噪效果。他们认为，改变入射声波方向会影响它和内部声模态与圆柱壳振动模态的藕合。Kang}zs}采用一维简化模型，建立了汽车车厢局部区域噪声计算方法，分析了顶板、内饰层及空气层对噪声的影响，计算与模型试验结果一致。