基于声学测量的激振力时域重建方法研究

In order to study the noise mechanisms of mechanical and electrical products and to actively or passively control the noise fundamentally, it is necessary to build the relationship between the noise and the exciting force responsible for generating that noise. In realistic situations, it is easy to measure noise signal, but difficult to measure the exciting force, therefore, the optimal way to build the relationship between them is to reconstruct the exciting force based on the measurement of noise. All the existing methods for this purpose were developed in frequency domain, and thus they cannot be used to reconstruct the non-stationary or transient exciting force that is common in practice. To resolve this problem, this project aims to develop time domain method for reconstructing exciting force based on acoustic measurements. To achieve this goal, the time domain method for extracting the noise actively radiated by the vibrating structure will be developed first, by which the disturbing sound as well as the sound scattered by the structure can be removed. Secondly，we will study the time domain nearfield acoustic holography method for reconstructing the displacements, velocities and accelerations on the surface of the vibrating structure. Thirdly, the time domain method for reconstructing the exciting force will be developed based on the reconstructed vibration parameters on the surface of the structure. Finally, the spatial distribution and time history of the exciting force can be reconstructed by combining the above three methods. After finishing the theoretical studies, experiments will be designed to demonstrate all the established methods. The research results of this project can provide an important basis for studying the noise mechanisms and for actively or passively controlling the noise of non-stationary or transient vibrating structures.

为从根源上开展机电产品的噪声机理研究和实现噪声的主被动控制，需要建立噪声与引发噪声的激振力之间的关系。在实际情况下，噪声信号容易测量，而激振力不易测量，因此通过测量噪声来重建激振力是建立两者关系的最优途径。现有的基于声学测量重建激振力的方法都是频域方法，无法重建实际中常见的非平稳的或瞬态的激振力。针对该问题，本项目开展基于声学测量的激振力时域重建方法研究。围绕这一目标，本项目首先建立振动结构主动辐射噪声时域还原方法，消除测量数据中干扰声和结构自身散射声的影响，然后建立用于结构的表面位移、速度和加速度等振动参数重建的时域近场声全息方法，再建立适合与表面振动重建结果进行耦合的激振力时域重建方法，最后联合上述三种方法，实现激振力的空间分布和时间历程的重建。完成理论研究后，本项目将设计实验对所建立的各种方法进行验证。本项目的研究成果可以为非稳态振动结构的噪声机理研究和噪声的主被动控制提供重要依据。

结构振动是激发噪声的直接原因，而结构振动又是由激振力引起，因此激振力是产生噪声的根源。为从根源上研究机电产品的噪声机理和控制方法，需要建立噪声与引发噪声的激振力之间的关系。在实际情况下，噪声信号容易测量，而激振力往往难以直接测量，因此通过测量噪声来重建激振力是建立两者关系的最优途径。现有的基于声学测量重建激振力的方法都是频域方法，无法重建实际中常见的非平稳的或瞬态的激振力。针对该问题，本项目开展基于声学测量的激振力时域重建方法研究。围绕该目标，本项目从还原振动结构主动辐射噪声，基于还原的噪声重建结构表面时域振动参数，基于重建的振动参数重建时域激振力等三个紧密联系且逐渐深入的层面开展了详细地研究，解决了复杂形状振动结构的时域辐射声场分离、振动结构表面的时域位移、速度和加速度的准确重建、时域重建过程的不稳定性分析和控制、时域激振力的准确识别和重建等多个关键问题，形成了基于声学测量的激振力时域重建理论与方法，并已应用于薄板结构和半圆柱面壳体结构。在该项目支持下，在Journal of the Acoustical Society of America、Mechanical Systems and Signal Processing、Journal of Sound and Vibration、Journal of Vibration and Acoustics— Transactions of the ASME等振动和声学领域的著名期刊上发表高水平学术论文17篇，其中已被SCI检索15篇；申请国家发明专利7项，授权国家发明专利5项；培养博士研究生5名和硕士研究生3名；项目负责人张永斌获得三项科技奖励：2017年获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖(排名第2)；2018年获得中国振动工程学会青年科技奖；2019年获得安徽省自然科学奖二等奖(排名第2)。项目研究成果在时域内建立了噪声和非稳态激振力之间的直观关系，实现了激振力空间分布和时间历程的重建，为非稳态振动结构的噪声机理研究和噪声的主动和被动控制提供了重要依据，因此具有现实的应用价值和重要的工程意义，而且项目研究成果推动了时域NAH技术、时域声场分离技术以及激振力时域重建技术的发展，因此也具有重要的理论意义。