揚(yáng)聲器輻射體薄殼的非線性振動(dòng)機(jī)理和控制

我國是揚(yáng)聲器生產(chǎn)大國，但遠(yuǎn)非生產(chǎn)強(qiáng)國。揚(yáng)聲器非線性失真是影響揚(yáng)聲器品質(zhì)的重要因素。隨著國內(nèi)勞動(dòng)力生產(chǎn)成本的提高，揚(yáng)聲器產(chǎn)業(yè)改型升級(jí)已迫在眉睫。因此，對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行一些基礎(chǔ)性研究至為必要。 本項(xiàng)目主要研究揚(yáng)聲器薄殼的非線性振動(dòng)機(jī)理和控制，具體內(nèi)容包括分諧波失真、混沌、諧波失真和互調(diào)失真的產(chǎn)生機(jī)制和克服方法。 本項(xiàng)目的主要研究結(jié)果有：首先，建立了揚(yáng)聲器薄殼非線性模型，確定其非線性因素來源于幾何非線性，即應(yīng)變和位移間的非線性關(guān)系，并將揚(yáng)聲器薄殼離散為多自由度系統(tǒng)。其次，揭示了薄殼分諧波和非軸對(duì)稱模態(tài)振動(dòng)出現(xiàn)的機(jī)制，它們由直接激勵(lì)的揚(yáng)聲器薄殼軸對(duì)稱振動(dòng)通過參數(shù)激勵(lì)主共振激發(fā)。第三，揭示了揚(yáng)聲器薄殼分割振動(dòng)時(shí)的混沌產(chǎn)生機(jī)制和產(chǎn)生條件，共振直接激發(fā)的軸對(duì)稱模態(tài)和由軸對(duì)稱模態(tài)經(jīng)參數(shù)激勵(lì)主共振激發(fā)的非軸對(duì)稱模態(tài)間發(fā)生劇烈的能量交換，其振動(dòng)幅度由倍周期分岔進(jìn)入混沌運(yùn)動(dòng)。第四，確定了低音揚(yáng)聲器在其基本共振頻率附近的分諧波產(chǎn)生機(jī)制，非線性因素來自揚(yáng)聲器的磁力耦合因子、懸掛系統(tǒng)和電感的非線性，主要由磁力耦合因子通過參數(shù)激勵(lì)共振引發(fā)分諧波失真。第五，揚(yáng)聲器薄殼諧波失真由薄殼軸對(duì)稱模態(tài)的主共振和超諧波共振產(chǎn)生。第六，揚(yáng)聲器薄殼非線性對(duì)互調(diào)失真影響不大，主要影響因素為揚(yáng)聲器電磁系統(tǒng)的非線性。第七，利用光柵投影高速三維測量時(shí)間平均方法研制了揚(yáng)聲器薄殼的模態(tài)測量技術(shù)。第八，對(duì)由薄殼非線性引起的非線性失真的有效抑制途徑是采用高阻尼、高強(qiáng)度的揚(yáng)聲器薄殼材料和增加薄殼厚度。 本項(xiàng)目首次揭示了由我國學(xué)者發(fā)現(xiàn)的揚(yáng)聲器中頻混沌現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制；系統(tǒng)研究了揚(yáng)聲器薄殼各種非線性失真機(jī)制和規(guī)律；并對(duì)連續(xù)體的非線性建模具有借鑒意義。

揚(yáng)聲器振膜為典型的薄殼結(jié)構(gòu)，研究揚(yáng)聲器薄殼的分諧波失真、混沌、互調(diào)失真和諧波失真的產(chǎn)生機(jī)制和克服方法。采用理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的研究方法，建立揚(yáng)聲器薄殼非線性理論模型，將其離散為多自由度系統(tǒng)，進(jìn)而采用現(xiàn)代非線性動(dòng)力學(xué)理論分析離散系統(tǒng)在自參數(shù)共振、組合共振和內(nèi)共振時(shí)出現(xiàn)的分諧波、極限環(huán)、分岔和混沌等非線性現(xiàn)象。揭示揚(yáng)聲器薄殼非線性失真機(jī)制和規(guī)律，探討揚(yáng)聲器振膜幾何形狀和材料參數(shù)對(duì)非線性的影響，從而提出改善揚(yáng)聲器非線性畸變的途徑。同時(shí)有所豐富和發(fā)展薄殼非線性振動(dòng)理論。

土木工程結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下將不可避免地進(jìn)入塑性階段，從而表現(xiàn)出非線性行為，因此研究結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)識(shí)別與控制具有重要的理論和實(shí)際意義。本項(xiàng)目針對(duì)結(jié)構(gòu)中已知非線性程度及非線性類型的不同，設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)識(shí)別及控制算法，并分別基于旋轉(zhuǎn)阻尼器和磁流變彈性體建立具有可重復(fù)性的結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。具體為：1）當(dāng)已知較多非線性模型信息時(shí)，采用常參數(shù)結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)模型，設(shè)計(jì)以魯棒控制方案為主的控制算法；當(dāng)已知較少非線性模型信息時(shí)，采用時(shí)變參數(shù)結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)模型，設(shè)計(jì)以自適應(yīng)制方案為主的控制算法；2）利用磁流變或粘滯旋轉(zhuǎn)阻尼器建立具有可重復(fù)性的結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑼ㄟ^調(diào)整輸入到磁流變旋轉(zhuǎn)阻尼器中的電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)不同的非線性行為；3）利用磁流變彈性體設(shè)計(jì)變剛度柱，并建立可以實(shí)現(xiàn)不同剛度非線性的結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?）在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕向?yàn)證前面提出的結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)識(shí)別與控制算法的合理性。

硬涂層是由金屬基、陶瓷基或兩者混合制成的涂層材料，將其涂敷在以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的動(dòng)力裝備的薄殼構(gòu)件上，可有效抑制薄殼構(gòu)件過大的振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)而避免高周疲勞。為了科學(xué)地實(shí)施薄殼構(gòu)件硬涂層阻尼減振，必須明確硬涂層對(duì)薄殼構(gòu)件的阻尼減振機(jī)理。本項(xiàng)目，以可有效模擬動(dòng)力裝備中常見薄殼構(gòu)件的梁、板及圓柱殼為研究對(duì)象，圍繞薄殼構(gòu)件硬涂層阻尼減振機(jī)理和相關(guān)振動(dòng)測試方法開展研究，取得了以下成果：組建了激光掃描、壓電陶瓷激勵(lì)等專用測試系統(tǒng)，研究提出了頻域帶寬法、Hilbert變換法識(shí)別硬涂層薄殼結(jié)構(gòu)非線性剛度及阻尼的方法；在考慮硬涂層材料中小阻尼及應(yīng)變依賴性特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究提出修正振動(dòng)梁法和反推法辨識(shí)硬涂層材料力學(xué)特性參數(shù)的方法；針對(duì)硬涂層梁、板、殼結(jié)構(gòu)，利用假設(shè)模態(tài)和伽遼金截?cái)喾?，?chuàng)建了上述硬涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)線性解析分析模型，并分析了硬涂層參數(shù)及厚度對(duì)基體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響；在將硬涂層材料參數(shù)按照多項(xiàng)式模型引入的基礎(chǔ)上，分別用有限元及解析法創(chuàng)建了硬涂層梁、板、殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的非線性振動(dòng)分析模型，研發(fā)出用于求解上述復(fù)合結(jié)構(gòu)共振頻率和共振響應(yīng)的高效迭代算法，再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀測到的硬涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)軟式非線性現(xiàn)象；針對(duì)獲取硬涂層在薄殼結(jié)構(gòu)件上最佳涂敷位置的需求，研發(fā)出修正模態(tài)應(yīng)變能法以及多種群遺傳算法解決了硬涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)阻尼優(yōu)化設(shè)計(jì)問題；將硬涂層減振技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用在層合板以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤上，并對(duì)涂敷硬涂層的上述結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行了初步研究。通過本項(xiàng)目的研究，實(shí)現(xiàn)了從宏觀振動(dòng)學(xué)角度揭示硬涂層阻尼減振動(dòng)力學(xué)機(jī)理的目標(biāo)，初步建立起滿足于硬涂層阻尼減振設(shè)計(jì)需要的振動(dòng)測試、涂層材料參數(shù)辨識(shí)、涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析和硬涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)阻尼優(yōu)化等較為完備的技術(shù)方法體系。 2100433B