声音识别结构模态方法的研究

    通过声音响应识别结构固有特性的方法很多,我国古代通过敲击陶瓷制品来识别好坏,铁道检修工通过敲击铁轨的声音来识别路轨的状态等,他们都是利用了声音响应反映出的结构固有频率。以前对结构响应的频率等特性研究的较多,但是对其振动模态的分析不多。

    在有些情况下,由于不方便安装传感器,或者由于传感器的附加质量导致结构固有性质会有所改变,因此此时需要使用新的测试方法。李俊宝等人曾于1995年对于声音模态的正问题从理论上进行了分析[1],并通过声音响应识别编钟的位移模态。黎胜等人也于2001年给出了用有限元/边界元方法进行结构声辐射的模态分析[2]。这些都从正问题方面证实了声音模态的可行性。其他研究人员也在结构振动声辐射方面做了大量的工作[3)5]。

    刘文峰曾经通过对声音响应识别平板结构的试验做了一些研究[6]。本文在此基础上做了理论上的分析研究,也通过实验和理论上的推导证实了通过测试声音响应能较好的得到结构的模态信息,并且将这种方法与其它测试方法进行比较,探究其作用规律。本文对声音识别模态,即基于SIS(Structure-induced Sound)-结构诱发声音的测试方法进行理论上的分析,并对使用这种识别方法的不同试验情况(声传感器在测试中固定和移动两种情况)进行了具体分析,分析其异同点,探究其原理。

    1 理论分析

    因为各点的振动都会因此而相应的形成声音,所以测试到的声压(声强)应包含各点的信息(见图1)。任意振动结构均可等效为点声源的集合,镶嵌于无限大障板中平板结构的声辐射功率为[7]:

    式(1)中J为衰变常数,Q为介质密度,j为单位虚数,vk为k点的法向振动速度,也即为垂直板向的速度,Rlk为板上k点到声压探头的位置,需要在面内对k点进行积分,也即考虑不同点对声压的影响。

    在结构共振时,

    从而得到

    式(4)中m为模态阶数,其余的参数同前。

    在识别中,识别的对象)))结构是不改变的,识别时的声音传播介质)))空气是不变的,因此导致HAlj变化的只有声压探头和结构的位置关系,也即只和Rlk有关,当R0一定时,则得到的HAlj也唯一。

    考虑各阶模态之间相互耦合作用较小,可以解耦,则在第r阶模态时,模态频率为Xr,其他阶模态在该频率处的贡献可忽略。只需考虑主模态的影响,所以:

    面积分中只对k进行,与Urj无关,因此

    由式(7)可见,此式与式(8)相似。应变模态的传递函数:

    式(8)中的UEri此处变为了^Url,也即式(8)中代表应变模态的量此处变为表示结构声音的量。因此二者在不同的识别参数中可能导致类似的结果。