聲致振動

　　在高強度聲場中（例如噴氣雜訊、附面層壓力起伏和轟聲等雜訊場中），結構由於聲激發而引起的聲頻振動。它是一種寬頻帶隨機振動，常常具有非線性回應，其效應則是累積性疲勞損傷。

　　中國古代《莊子》一書中記載瞭懸掛在牆上的樂器能自鳴，這種現象就是弦的聲致振動。在小信號聲場中，聲致振動的效應常常被忽略，通常隻討論物體對聲波的反射、衍射和散射等特性。但是在高強度聲場中，例如頻率為500Hz、聲壓級為160dB的簡諧波聲場中空氣質點的振動位位移超過2mm，振動速度約為7m/s，振動加速度大於2000g（g為重力加速度）；必須考慮聲場中結構的聲致振動效應。近代國防工業、噴氣飛機和航天器的發展，產生的噴氣噪聲和附面層噪聲已高達155～170dB。飛行器在飛行過程中和航天器在起飛及再入大氣層時都處於強噪聲場中。薄板結構會由於聲致振動而產生疲勞，或引起鉚釘松動，有時還會引起蒙皮撕裂。隨著飛行器發動機的推力越來越大，為瞭提高結構的抗疲勞特性和估計結構的疲勞壽命，促進瞭聲致振動理論和實驗技術的發展。

　　除瞭聲致振動引起的金屬疲勞外，在140dB以上的噪聲環境中，噪聲對無線電元件和精密儀表的幹擾會使它們失效或損壞，因而影響遙測、遙控。一些建築物也會由於轟聲激發起振動而破壞。

　　結構響應　飛行器所遇到的對各種不同外加聲場的響應需要用不同的方法來求解。有規律的力引起的結構響應可以嚴格地描述，但隨機力引起的運動必須用統計方法描述。火箭噪聲是一種對時間隨機但對空間具有嚴格規律的噪聲場，附面層壓力起伏在時間上、空間中都是無規的，沖擊波則是一種有確定運動的沖擊。在寬帶噪聲激發下，復雜結構的響應具有許多個共振頻率。通常力學系統習慣上隻分析幾個低次簡正振動，但對飛行器的輕結構必須考慮高次簡正振動。由聲場激發的結構振動沒有明顯的方向性，即三個垂直方向能同時激發，而機械振動的激發力常常是單方向的，用隨機振動力激發則更為困難。噪聲場激發不需與結構連接並且容易激發起各種簡正振動。圖a表示瞭兩種結構的聲激發簡正振動。

　　統計能量分析　統計能量法是研究噴氣噪聲和湍流噪聲對飛行器結構激發的隨機振動響應的方法。這種方法不是求解復雜的數理方程，而是用統計方法研究多維系統間的能量傳遞和平衡。把系統看作大量簡正振動集合，來處理系統的各個隨機參量的總體響應。把能量作為系統主要參量，因此聲系統與力學系統的差異消失而使計算簡化。統計能量法可以用來解決兩個或多個構造簡單但振動復雜的力學系統與聲系統相互耦合，並且在一定隨機力作用下的問題，如隨機聲場作用於殼、板、梁等結構。

　　聲疲勞　飛機和火箭等飛行器的金屬結構，由於所承受的噪聲壓力的變化，產生疲勞（產生裂紋，並擴展乃至斷裂）的現象。在各種噪聲和附面層壓力起伏的聲頻交變負載作用下，飛機和火箭等結構部件發生共振，或由這些噪聲的振動效應產生聲疲勞，它與振動和熱引起的隨機負載導致的疲勞現象沒有本質的差別。但是聲疲勞損傷常常突然發生，因此對飛行中的飛行器容易引起災難性事故。

　　聲振實驗　用聲致振動的實驗研究分析，可以確定聲疲勞程度和典型環境中的可靠性評價，也可以模擬實際飛行的噪聲環境。

　　對於導彈、飛機、航天器可以觀察到一些典型的聲致振動情況。為瞭說明能經受這樣的噪聲環境，並能防止金屬疲勞和器件及儀表失效等，必須在實驗室內以不同強度的噪聲級來模擬這種條件，進行可靠性評價。聲能作用到復雜結構的方法有行波管法和混響室法。聲源常用旋笛或氣流揚聲器。目前混響室內聲壓級可達165dB，行波管內聲壓級可達175dB。

　　見機械振動。

　　

參考書目

　E. J. Richards and D. J. Mead， ed.， Noise and Acoustic Fatigue in Aeronautics， John Wiley & Sons， New York，1968.