【声波耗能在振动控制中的作用探讨】声波震动

来源:幼儿教育 发布时间:2019-04-24 05:43:08 点击:

  摘要:耗能减振技术是振动控制技术中非常重要并且也得到广泛应用的一种隔振技术,耗能减振技术主要通过在结构的某些部位增设耗能器或耗能部件,声波耗能法就是利用声波产生器将结构的振动能量转化为声波能量发射出去。本文以能量分析法为基础,分析了影响声波转化为振动能的效率的几个因素,并给出具体计算方法,最后结合工程实际说明了这个方法的有效性。
  关键词: 声波能;振动耗能;能量分析法
  中图分类号: TU352.11
  文献标识码: A
  
  引言,环境中存在各种各样的振动现象,工程中遇到的振动问题,在绝大多数情况下是有害的,高精度,高精密性设备的振动控制技术已经成为关键问题,有效的控制振动就显得非常必要和迫切。振动控制的基本方法就是围绕振动产生以及振动能量传输过程的三个环节(振源、传输途径以及受保护对象)入手,分别采取控制振源(或受保护对象)以及阻隔振动能量传输途径等措施来实施。耗能减振技术就是隔振技术中非常重要并且也得到广泛
  应用的隔振技术[1]。
  1 传统振动控制技术
  耗能减振技术主要通过在结构的某些部位增设耗能器或耗能部件,为结构提供一定的附加刚度或附加阻尼,在地震作用或风荷载作用下主要通过耗能部件来耗散输入结构的能量,以减轻结构的动力反应,从而更好地保护主体结构的安全,是一种有效、安全、经济且日渐成熟的工程减震技术[2].
  传统的耗能器主要有钢耗能器、铅阻尼器、摩擦耗能器、粘滞流体阻尼器、黏弹性阻尼器、电感式耗能器、智能型耗能器,复合型耗能器[3]。
  2声波耗能法简介
  2.1 理论基础
  本文提出一种新的消耗振动能量的途径,即声波耗能法。
  声音是人们日常生活中很熟悉的客观物理现象,声音是由声源的机械振动产生的,声源的振动状态,通过周围介质向四周传播就形成声波。产生声波的条件是:1),有作机械振动的物体――声源;2)有能传播机械振动的介质[1]。
  声波能量具有容易产生,扩散方便等优点。声波能量将振动能量转化为声波能的关键是将振动能量有效的转化为声波能。
  为了证明将外部振动转化为声波发射出去的可行性,并且具有一定的效率,采用计算输出能量和输入能量之比的方法,即计算声波能量的输出和激励振动输入能量的比值的方法来计算声波消耗振动能量的效率。
  声波能量的输出由发声单元的振动特性决定的,但是现在在未知发声单元结构的情况下,只能根据发声单元发出的声波的能量情况来近似计算,由于声波在传播过程中的损耗,所以仅当在离开发声单元最近的位置,声波能量近似等于发声单元的振动能量。
  能量分析法
  能量分析法的思想是在振动过程中输入耗能减振结构体系的能量必须与结构体系内部能量的存储、转换和消能相平衡。即
  (1)
  式中, 为振动过程中输入耗能减振体系的总能量,为耗能减振结构体系的势能,为耗能减振结构体系的动能,为主体结构的黏制阻尼耗能,为主体结构的非弹性变形滞回耗能,为耗能装置的耗能。[4]
  工程设计中,为确保主体结构的安全,可近似认为振动能量全部由耗能减振吸收或耗散,上述方程可简化为:
   (2)
  
  上式即可以作为耗能减振结构体系的能量设计方程,其中忽略了,,,等因素的影响,一方面简化了计算,另一方面可作为结构的安全储备。
  计算过程:
  ①、发声单元将自身的振动一部分转化为声波,而另一部分转化为热能,这里只计算转化为声波的那部分能量。
  ②、假设在离发声单元很近的距离时,声波是没有损耗的。
  2.2 振动能量转化为声波能的效率的计算方法:
  因为无论多复杂的波形都可以看作是无数个简谐波的叠加,所以通过计算简谐波在一个周期内能量的转换来实现计算的目的
  弹性介质中取一线元,其质量
  
  波形函数可以表示为:
  (3)
  质元动能:
  (4)
  
  质元形变势能:
  波形传播速度:
  质元波动能量:
  介质中单位体积内的能量,能量密度等于:
   (8)
  能量密度在一个周期内的平均值为平均能量密度:
  单位时间内通过截面S的能量等于体积uS中的能量,即为能流。
  单位时间内通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量为能流密度。
  能流密度:
  一个周期内能流密度大小的平均值称为波的强度,波的强度即为度量波的能量大小的标志
  上式指出波(注意,所有形式的机械波)的能量大小与传播介质的密度,波的振幅,波的频率以及波的速度有关。
  2.3 算例
  人能发出的声音的频率范围为45Hz到1600Hz之间,乐器中发音频率最高的是小提琴:196~1320为基音区,泛音为12KHz左右,这里是通过机械振动与摩擦的方式将振动能量转化为声波能,所以其产生声波的频率不会超过乐器所能发出的最高频率。故计算频率取小提琴能发声的基本频率1KHz。
  考虑到声波在空气中的衰减,声波离开发声单元1cm处,在一分钟内通过面积为区域的能量可以看作是没有衰减的。
  由于声波在空气中传播,空气的密度非常低,假设一个算例,声波传播速度为340m/s,频率v为1000HZ,空气的密度为1.27kg/,振幅A=m,,那么该波的平均能量流密度就是:
  
  一分钟内垂直通过面积的总能量为:
  
  对于被保护体来说,激励能量等于
  假设被保护体质量为0.1kg,限定振幅为0.01m,根据GJB 150.16―86,在普通公路运输环境下的振动,其振动频率期望值为200HZ
  故被保护体振动能量输入为
  
  故转化效率等于
  
  3 结论
  传统的耗能减振技术主要通过在结构的某些部位增设耗能器或耗能部件,声波耗能法就是利用声波产生器将结构的振动能量转化为声波能量发射出去,本文从理论上和工程算例上都证明了这种方法是切实有效的,为振动能量的消耗提供了一个新的方法,为振动控制技术提供了一个新的方向。
  
  参考文献:
  [1] 盛美萍 王敏庆等.噪声与振动控制技术基础[M].北京:科学出版社,2001.
  [2] 李方泽等.工程振动测试与分析[M].北京:高等教育出版社,1992.
  [3] 周云 徐彤.耗能减震技术的回顾与前瞻.力学与实践[J],2000,22(5):1-7.
  [4] 严东方.浅谈效能减震结构.科技情报开发与经济[J],2006,16(8):165-167.
  
  作者简介:
  第一作者姓名:唐昊(1986-),男,四川大学建筑与环境学院,四川省广元市人,硕士研究生,主要研究领域为固体力学,振动力学。
  第二作者姓名:田仁慧(1987-),女,四川大学建筑与环境学院,云南省丽江市人,硕士研究生,主要研究领域为疲劳断裂力学,断裂损伤力学。

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