扬声器辐射体薄壳的非线性振动机理和控制

我国是扬声器生产大国，但远非生产强国。扬声器非线性失真是影响扬声器品质的重要因素。随着国内劳动力生产成本的提高，扬声器产业改型升级已迫在眉睫。因此，对扬声器进行一些基础性研究至为必要。 本项目主要研究扬声器薄壳的非线性振动机理和控制，具体内容包括分谐波失真、混沌、谐波失真和互调失真的产生机制和克服方法。 本项目的主要研究结果有：首先，建立了扬声器薄壳非线性模型，确定其非线性因素来源于几何非线性，即应变和位移间的非线性关系，并将扬声器薄壳离散为多自由度系统。其次，揭示了薄壳分谐波和非轴对称模态振动出现的机制，它们由直接激励的扬声器薄壳轴对称振动通过参数激励主共振激发。第三，揭示了扬声器薄壳分割振动时的混沌产生机制和产生条件，共振直接激发的轴对称模态和由轴对称模态经参数激励主共振激发的非轴对称模态间发生剧烈的能量交换，其振动幅度由倍周期分岔进入混沌运动。第四，确定了低音扬声器在其基本共振频率附近的分谐波产生机制，非线性因素来自扬声器的磁力耦合因子、悬挂系统和电感的非线性，主要由磁力耦合因子通过参数激励共振引发分谐波失真。第五，扬声器薄壳谐波失真由薄壳轴对称模态的主共振和超谐波共振产生。第六，扬声器薄壳非线性对互调失真影响不大，主要影响因素为扬声器电磁系统的非线性。第七，利用光栅投影高速三维测量时间平均方法研制了扬声器薄壳的模态测量技术。第八，对由薄壳非线性引起的非线性失真的有效抑制途径是采用高阻尼、高强度的扬声器薄壳材料和增加薄壳厚度。 本项目首次揭示了由我国学者发现的扬声器中频混沌现象的产生机制；系统研究了扬声器薄壳各种非线性失真机制和规律；并对连续体的非线性建模具有借鉴意义。

扬声器振膜为典型的薄壳结构，研究扬声器薄壳的分谐波失真、混沌、互调失真和谐波失真的产生机制和克服方法。采用理论、实验和数值计算相结合的研究方法，建立扬声器薄壳非线性理论模型，将其离散为多自由度系统，进而采用现代非线性动力学理论分析离散系统在自参数共振、组合共振和内共振时出现的分谐波、极限环、分岔和混沌等非线性现象。揭示扬声器薄壳非线性失真机制和规律，探讨扬声器振膜几何形状和材料参数对非线性的影响，从而提出改善扬声器非线性畸变的途径。同时有所丰富和发展薄壳非线性振动理论。

土木工程结构在强震作用下将不可避免地进入塑性阶段，从而表现出非线性行为，因此研究结构非线性振动识别与控制具有重要的理论和实际意义。本项目针对结构中已知非线性程度及非线性类型的不同，设计合适的结构非线性振动识别及控制算法，并分别基于旋转阻尼器和磁流变弹性体建立具有可重复性的结构非线性振动试验模型。具体为：1）当已知较多非线性模型信息时，采用常参数结构非线性振动模型，设计以鲁棒控制方案为主的控制算法；当已知较少非线性模型信息时，采用时变参数结构非线性振动模型，设计以自适应制方案为主的控制算法；2）利用磁流变或粘滞旋转阻尼器建立具有可重复性的结构非线性振动试验模型，并通过调整输入到磁流变旋转阻尼器中的电压信号实现不同的非线性行为；3）利用磁流变弹性体设计变刚度柱，并建立可以实现不同刚度非线性的结构非线性振动试验模型；4）在试验模型上验证前面提出的结构非线性振动识别与控制算法的合理性。

硬涂层是由金属基、陶瓷基或两者混合制成的涂层材料，将其涂敷在以航空发动机为代表的动力装备的薄壳构件上，可有效抑制薄壳构件过大的振动应力进而避免高周疲劳。为了科学地实施薄壳构件硬涂层阻尼减振，必须明确硬涂层对薄壳构件的阻尼减振机理。本项目，以可有效模拟动力装备中常见薄壳构件的梁、板及圆柱壳为研究对象，围绕薄壳构件硬涂层阻尼减振机理和相关振动测试方法开展研究，取得了以下成果：组建了激光扫描、压电陶瓷激励等专用测试系统，研究提出了频域带宽法、Hilbert变换法识别硬涂层薄壳结构非线性刚度及阻尼的方法；在考虑硬涂层材料中小阻尼及应变依赖性特点的基础上，研究提出修正振动梁法和反推法辨识硬涂层材料力学特性参数的方法；针对硬涂层梁、板、壳结构，利用假设模态和伽辽金截断法，创建了上述硬涂层复合结构线性解析分析模型，并分析了硬涂层参数及厚度对基体结构动力学特性的影响；在将硬涂层材料参数按照多项式模型引入的基础上，分别用有限元及解析法创建了硬涂层梁、板、壳复合结构的非线性振动分析模型，研发出用于求解上述复合结构共振频率和共振响应的高效迭代算法，再现了实验中观测到的硬涂层复合结构软式非线性现象；针对获取硬涂层在薄壳结构件上最佳涂敷位置的需求，研发出修正模态应变能法以及多种群遗传算法解决了硬涂层复合结构阻尼优化设计问题；将硬涂层减振技术扩展应用在层合板以及航空发动机整体叶盘上，并对涂敷硬涂层的上述结构的振动特性进行了初步研究。通过本项目的研究，实现了从宏观振动学角度揭示硬涂层阻尼减振动力学机理的目标，初步建立起满足于硬涂层阻尼减振设计需要的振动测试、涂层材料参数辨识、涂层复合结构动力学分析和硬涂层复合结构阻尼优化等较为完备的技术方法体系。 2100433B