声学设计论文范文

关键词：声音的产生与传播；教学设计；学习兴趣；培养

中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003-6148（2017）1-0074-3

1引言

兴趣是指人们对某些事物总是带着愉悦、喜欢等肯定情感的认识倾向，它是人们积极参加对应实践活动的内部动力之一。如果学生对物理有了兴趣，它将促使学生怀着喜悦的心情主动积极地开展物理学习。在这个教学设计中，我们设计了一系列有趣的物理实验和学生感兴趣的物理问题，激发学生思维，引导学生在观察实验和解决问题的过程中，形成学习兴趣和创新能力。

2教学设计

“声音的产生与传播”是与人们的日常生活紧密相关的物理知识，掌握声音的产生与传播的规律，既是深入学习后续声学知识的基础，也是提高人们生活品位和保护人们身心健康必备的知识。

2.1利用实验，引入新课知识

[教师演示1]敲击音叉，音叉可以发声；奇怪的是――用手抓住音叉，声音立即停止。

[教师演示2]事先准备一个真空杯子、一个单层玻璃杯子和一个小闹铃。使小闹铃发出声音，将发出声音的小闹铃放进单层玻璃杯子里，慢慢拧紧杯盖，让学生感受小闹铃发出声音（现象是当将杯盖慢慢拧上时，声音几乎没有多大的变化）；再将发出声音的小闹铃放进真空杯子里，再慢慢拧紧杯盖，让学生再次感受小闹铃发出声音。（有趣的是：将杯盖慢慢拧上时，声音明显变弱最后消失）

利用这两个有趣的实验，引入新课内容――声音的产生与传播。

设计意图：利用有趣的实验现象，激发学生思维，集中学生的注意力，唤起学生的探究热情和培养学生的学习兴趣。

2.2构建活动，探究声音的产生

[体验活动1]给每两个同桌的同学发一根橡皮筋，一个同学将其拉伸，另一个同学对橡皮筋进行拨动，观察橡皮筋来回振动，同时聆听橡皮筋发出的声音。（用手握住橡皮筋，橡皮筋停止振动，它发出的声音随即停止）

[体验活动2]学生将刻度尺一端按在桌子边上，另一端伸出桌边，拨动伸出桌边的部分，使刻度尺发生明显的振动而发声。（刻度尺的振动停止时，发声随即消失）

[体验活动3]学生用大拇指和食指触摸自己的喉头，朗诵一段课文实现发声，感受喉头发声时的状态。

设计意图：构建学生实验，让学生在熟悉的活动中体验声音的来源，使学生感到新知识的亲切、有趣。

[体验活动4]敲击音叉使音叉发声，将音叉接触水面，观察音叉可以溅起水花，感知音叉的振动；再用大拇指和食指轻轻接触发声音叉的顶部，感受音叉的振动。

设计意图：通过实例让学生体验到，不同物体虽然都可发声，但它们的振动幅度不同，有些可以看到，有些难以察觉。对于不容易观察到的现象，我们可以利用放大或者转化的方法来展示，以此对学生进行研究方法的教育和训练。

[体验活动5]取一个小孩子的玩具――“喜洋洋小鼓”，敲击鼓面发声，但看不到鼓面振动。要求学生思考并讨论：有什么办法可以检验鼓面是否振动？（可取的办法至少有：方法一，用手指轻轻触摸鼓面，感受鼓面是否振动；方法二，将鼓面放置水平，在鼓面上放一些细纸屑，通过观察细纸屑是否运动来判定鼓面是否振动；方法三，将小鼓竖直放置，在鼓面上端固定一段细线，在细线的另一端吊一个乒乓球，乒乓球静止时接触鼓面，敲击鼓面发出声音时，可通过观察乒乓球是否在跳动来判定鼓面是否振动。）

设计意图：利用“检验鼓面是否振动”这一问题，构建交流讨论的学习环境，促进学生的发散思维，培养学生的思维兴趣和创新能力。同时，引导学生学习又一类有效的研究方法――放大法或者转化法，利用它可以展示不容易观察到的现象。

教师引导学生归纳总结：声音是由物体振动产生的。当物体停止振动时，物体就不发出声音了。

[实验与讨论]有一种烧水壶，在壶中的水被烧_时壶嘴就会发出尖叫声，以此实现报警。现用此水壶进行烧水实验，观察并讨论：该水壶为什么会在水沸腾时发出声音？（参考答案：在壶嘴上套着一个开有小缝的“帽子”。烧水时，把壶盖盖严，水沸腾时会产生大量的水蒸气只能从壶嘴的小缝喷出，气流迫使壶嘴附近的空气振动，从而发出声音。）

设计意图：将新知识和学生生活中的实际问题联系起来，让学生感到新知识亲切有用，激发学生学习新知识的兴趣。

2.3创设情境，体验声音传播

[思考和讨论]若把一个正在响铃的闹钟放在一个密封的玻璃罩内，聆听闹钟的声音。学生思考并讨论：现将玻璃罩内的空气逐步抽掉，如果听到的铃声不变，这说明什么？如果听到的铃声变强，这说明什么？如果听到的铃声逐渐变弱，这又说明什么？

设计意图：利用实际问题促使学生思考，激发学生的学习兴趣，培养学生的逻辑思维能力和交流表达能力。

[感受和总结]将玻璃罩内的空气逐步抽掉，感受铃声的变化；再让空气逐步进入玻璃罩，感受铃声又有什么变化。学生根据自己的感受、思考和讨论，可以总结得到什么结论？

[教师引导]总结得出：空气可以传播声音，但真空不可以传播声音。我们平时能够和他人自由交谈，是由于空气帮助我们传播了声音；在没有空气的太空，航天员哪怕离得再近，也只能通过无线电交谈。

设计意图：通过学生的观察、思考、交流和总结，培养学生的观察能力、逻辑思维能力、交流表达能力和归纳总结能力。

[教师提问]实验已经证明，一切气体都可以传播声音。那么，液体、固体是否可以传播声音呢？请设计可以用于检测的实验方法，与同学交流并改进自己的实验方法，并按照自己确定的方案进行实验和总结。

设计意图：以具体问题为牵引，训练学生设计实验方案的能力和交流表达的能力。

[演示实验]用塑料袋包住正在响铃的闹钟，指导学生感受它在空气中的声音；再把它放进水中，感受是否听到声音，并与闹钟在空气中产生的声音进行对比。

指导学生分析和交流，得出结论：声音在液体中也能传播。

[学生体验]学生用笔在课桌上写字，感受是否听到写字的声音？（没有或者很弱）。再把耳朵贴在桌面上倾听，感受是否听到写字的声音？（奇怪的是：居然清楚地听到了写字的声音）。

指导学生归纳总结并推广，以得出结论――声音的传播需要物质，这样的物质叫做介质；固体、液体、气体都可以传播声音；声音在固体中传播得最快、最远，能量损失最少。

设计意图：指导学生感受奇特的现象，培养学生探究大自然的欲望和兴趣。

2.4开展自学，学习声音的传播速度

[学生自学]学生自学教材：什么是声波？声音在各种介质中传播的速度有何规律？人耳是怎样听到声音的？

（1）物体振动会带动其周围的介质振动，形成疏密相间的波，并向远处传播，这个过程跟水波的传播相似。也就是说，声音是以波的形式传播的，因此，声音也叫做声波。

（2）声音在各种介质中传播具有确定的速度，这个速度叫做声速。声速的大小跟介质的种类和介质的温度有关。声速在固体中最大，在气体中最小。在15℃的空气中声速是340m/s，在常温的水中声速是1500m/s，在铁棒中声速是5200m/s。

（3）外界传来的声音引起鼓膜振动，这种振动产生的信号经过听小骨及其他组织传给听觉神经，听觉神经把信号传给大脑，人就听到了声音。

设计意图：指导学生自学教材，培养学生的自学能力。

[教师讲解]1976年7月28日，我国唐山发生了大地震，导致24万人死亡，16万人重伤，是迄今为止世界地震史上最悲惨的一页。有关专家指出，地震后，人们缺乏必要的自救知识，是丧生人数增多的一个重要原因。如果当时被淹没的人们知道声音在固体中传播得更快、更远（因而更容易被营救人员听到），他们就会用硬物敲击墙壁或管道，及时向营救人员发出求救信号，或许可以得到救助，重获新生。

设计意图：用悲壮的历史故事说明声学知识的重要性，进一步激发学生学习新知识的欲望和兴趣。

2.5利用问题，研讨新知

[学生讨论1]在开始上课时，我们都看到：（1）用手握住振动的音叉，音叉发出的声音会立即停止，为什么？（2）将发出声音的小闹铃放进真空杯子里，慢慢拧紧杯盖，会听到小闹铃发出的声音变小最后消失，为什么？[参考答案：（1）由于声音来自振动，用手抓住音叉，音叉不再振动，因而音叉不再发声。（2）这是因为小闹铃发出的声音要想被人们听到，它必须穿越杯中的真空区域，但真空不传播声音。]

[学生讨论2]古代行军打仗晚上睡觉时，要求士兵经常将耳朵贴在地上，这是为什么？

参考答案：军队在行进过程中，他的脚步会发出声音。如果是晚上，士兵正在熟睡，很难感觉到空气中的声音，如果将耳朵贴在地面，那么声音就会通过地面传播到耳朵，而且这种传播速度比在空气中的更快，引起耳膜的振动幅度更大，因此，更容易感觉到异常情况，便于采取紧急措施，应对偷袭。

[学生讨论3]我国南极科学考察工作者为了探测海底某处的深度，向海底垂直发射超声波，经过4s收到回波信号，已知声音在海水中的传播速度是1500m/s，试求海洋中该处的深度是多少？这种方法能否用来测量月亮和地球之间的距离？为什么？

参考答案：因为声音传播过去又返回来，所以声音从海面传播到海底所用的时间只是总时间的一半，即2s，所以海水的深度为1500m/s×2s=3000m。由于声音的传播需要介质，但在地球大气层之外的空间基本上是真空，真空不能传播声音，因此，不能用这种方法测量月亮与地球之间的距离。

设计意图：设计一系列学生感兴趣的问题，通过讨论和求解，加深学生对新知识的理解，培养学生学习物理的兴趣和解决实际问题的能力。

2.6引导总结，把握知识要点

[生互动]教师引导学生总结本节的知识要点，并让学生交流各自的心得体会，然后板书：

（1）声音是由物体振动产生的。当物体停止振动时，物体就不发出声音了。

（2）声音的传播需要介质，固体、液体、气体都可以传播声音，声音在固体中传播得最快、最远，能量损失最少。

（3）声波：声音是以波的形式传播的，声音也叫做声波。

（4）声速：声音在各种介质中传播具有确定的速度，这个速度叫做声速。声速的大小跟介质的种类和介质的温度有关。声速在固体中最大，都大于3000m/s；声速在液体中都大于1000m/s；声速在气体中最小。在15℃的空气中声速是340m/s，在常温的水中声速是1500m/s，在铁棒中声速是5200m/s。

3教学体会

在此“声音的产生与传播”的教学设计中，我们设计了一系列有趣的物理实验和学生感兴趣的物理问题，引导学生在观察实验和解决问题的过程中形成学习兴趣和创新能力，引导学生的心理品质和物理知识达到同步发展。这个教学设计，我们已经在岳阳市第十二中学八年级进行了教学实践，得到了学生们的普遍好评。

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理（八年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012：27-30.

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关键词：高超声速飞行器；动力学建模；飞行控制

中图分类号：V249.1文献标识码：A文章编号：1673-5048（2015）03-0003-05

ResearchProgressonControlSystemofAirBreathing

HypersonicFlightVehicles

WangPengfei1，WangJie1，ShiJianming1，ChenXingyang2，YangYurong2

（1.TheAirDefenseandAntimissileInstitute，AirForceEngineeringUniversity，Xi′an710051，China；

2.ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Thecontrolsystemfunctionofairbreathinghypersonicflightvehiclesisthatmakingtheflightvehiclestrackthecommandguidanceaccuratelybychangingthevelocitythroughenginethrustandregulatingflightattitudewithdeflectionofruddersurfaceinfullflightenvelop.Thispaperdiscussesthedynamiccharacteristicsofflightvehicles，andanalyzesthecontrolsystemdevelopmentofairbreathinghypersonicflightvehicleswithmodelingandcontrollaw，whichcanprovideareferencefortheinterrelatedstudy.

Keywords：airbreathinghypersonicflightvehicles；dynamicsmodeling；flightcontrol

0引言

高超声速飞行器是指能够以大于5个马赫数持续飞行的飞行器，分为无动力式滑翔飞行器和吸气式动力飞行器。吸气式动力飞行器是从周围环境中获取氧气，依靠自身发动机提供飞行动力、控制舵调整飞行姿态，可实现高超声速巡航与突防、空天往返的飞行器。具有远程快速响应、大机动性、高突防概率和自由进入空间的潜在优势，主

收稿日期：2014-12-10

基金项目：航空科学基金资助项目（20120196006）

作者简介：王鹏飞（1988-），男，河南开封人，博士研究生，主要从事飞行器控制技术研究。

要以美国的高超声速飞行器试验（Hyper-X）计划为代表，如NASA的X-43A、美国空军的X-51A试验飞行器。

吸气式高超声速飞行器作为临近空间高超声速飞行器发展的重要研究内容，对国家安全和和平利用空间有重要的战略意义和应用价值。

1吸气式高超声速飞行器动力学特性

1.1飞行环境复杂、飞行包线跨度大

吸气式高超声速飞行器飞行高度覆盖了从大气层到临近空间近80km的广阔空域，而飞行速度跨越了5个马赫数到25个马赫数的范围，在如此广阔而又复杂的环境中作高超声速的机动飞行，吸气式高超声速飞行器动力学的非线性快时变特征异常明显。当该类飞行器飞行马赫数大于5以后，其表面的流场会出现一些明显区别于亚声速和超声速飞行的物理现象，如薄的激波层、真实气体效应和气动热效应，这些现象称为高超声速效应。高超声速效应使得吸气式高超声速飞行器的气动特性和气热特性复杂多变，会影响飞行器飞行性能、操纵性和稳定性。

1.2外形结构、推进系统和空气动力学之间交叉耦合

以X-43A和X-51A为代表的新一代高超声速飞行器为减小飞行过程中的飞行阻力、降低气动加热、提高升阻比，广泛采用轻质材料和大型薄壁结构设计，气动外形为细长体、升力体布局、完全或部分乘波体布局，这使得吸气式高超声速飞行器动力学系统是气动/推进/结构耦合的复杂系统，如图1所示。

图1吸气式高超声速飞行器气动/推进/结构耦合关系

1.3高度不确定性

吸气式高超声速飞行器动力学的不确定性主要来源于三个方面：一是高超声速气流流动特征和吸气式高超声速飞行器动力学系统中的交叉耦合关系十分复杂，且由于尚未建立充足的风洞试验和飞行测试数据库，因此，与亚声速和超声速飞行器相比，吸气式高超声速飞行器的许多飞行特性还无法掌握，其关键气动特性也很难预测；二是高超声速飞行会经历严重的不确定气动加热环境，由于表面材料的烧蚀而产生的飞行器结构变形和固有振动频率变化将影响飞行器的结构动力学特性和稳定性；三是由行环境复杂，吸气式高超声速飞行器飞行过程中往往会受到各种事先无法预知的大气干扰，如湍流、阵风等，气流干扰容易对飞行姿态造成扰动，使气动舵操纵过程中发生瞬时饱和[1]。

航空兵器2015年第3期王鹏飞等：吸气式高超声速飞行器控制研究综述综合以上分析可知，吸气式高超声速飞行器的非线性不确定和交叉耦合，使得飞行控制系统设计面临着各种严格的控制要求和控制难题。基于系数冻结的增益调度控制方法和依赖于精确数学模型的传统控制器设计方法已经很难适用于吸气式高超声速飞行器的控制系统设计中。要适应大范围的飞行环境和高机动的性能要求，控制系统就必须具有高可靠性、强鲁棒性、强自适应性和强抗干扰的能力。

2吸气式高超声速飞行器控制研究

2.1高超声速飞行器动力学建模研究

如何建立描述吸气式高超声速飞行器特性的数学模型，是设计高效控制器的一个重要前提。目前，主要的建模方法包括以动力学建模为代表的常规建模方法、以模糊建模为代表的智能建模方法，以及以特征建模为代表的工程化建模方法[2]。吴宏鑫院士对特征建模方法有着系统深入的研究[3]，罗熊对智能建模和特征建模相结合的建模方法也进行了进一步的研究工作[4]。虽然这两种建模方法在传统航天器控制领域有着成功的应用，但是在面向复杂的吸气式高超声速飞行器建模时还存在着模型参数辨识困难问题。一般而言，分析吸气式高超声速飞行器特殊构型设计下的动力学稳定性，设计适当控制律以获得合适的性能，都离不开吸气式高超声速飞行器的飞行动力学建模过程。目前，已经研究过的动力学模型有NASALangley研究中心早期公布的风洞数据插值拟合模型[5]、Mirmirani给出的基于计算流体力学（CFD）的数值模型[6-7]、Chavez和Schmidt提出的气动推进/气动弹性一体化解析模型[8]。虽然学术界和工程领域都在寻求建立吸气式高超声速飞行器的六自由度模型[9]，但是目前动力学建模工作主要还是在吸气式高超声速飞行器的纵向飞行平面内展开，这是出于两点考虑[1]：一是吸气式高超声速飞行器对姿态变化敏感，应避免横向的机动；二是吸气式高超声速飞行器的纵向动力学特性对于控制问题而言已经足够复杂。NASA模型和Mirmirani模型的研究对象是六自由度的Winged-Cone构型高超声速概念飞行器，该类型飞行器具有锥体外形和刚性结构，反映不出当前具有乘波体构型吸气式高超声速飞行器的动力学行为。后续的研究中，美国空军研究实验室的Bolender和Doman在Chavez和Schmidt模型基础上完善了包含空气动力学、推进系统和结构动力学的动力学模型[10-13]。在美国空军研究办公室资助下开展的吸气式高超声速飞行器飞行控制研究工作都采用了Bolender和Doman的模型[14-17]，但是在气动与结构之间的耦合方式、结构动力学特性近似等方面也存在一定的差异。

在高超声速气动力建模方面，有两类气动力的计算方法：一是基于计算流体力学的时域计算方法；二是基于工程近似计算方法。由于高超声速气动数据库和计算流体力学软件还不完善，目前多采用工程近似计算方法求解气动力，此方面广泛应用的理论包括牛顿碰撞理论[18-19]、斜激波理论[20]和Prandtl-Meyer膨胀波理论，以及活塞理论[21-22]。牛顿碰撞理论仅适合于马赫数远大于7情况下的气动力近似计算，而对于吸气式高超声速飞行器的马赫数范围，该理论计算结果不够准确。斜激波理论/膨胀波理论适合确定高超声速飞行时飞行器表面激波位置和分布，但是依据该理论只能进行定常气动力的计算。活塞理论在非定常气动力近似计算方面应用较为广泛，针对吸气式高超声速飞行器的非定常气动效应，Oppenheimer研究了采用活塞理论计算吸气式高超声速飞行器表面的非定常气动力的方法[23-24]。

在结构动力学建模方面，目前关于吸气式高超声速飞行器机身结构存在两种假设：一是Bolender和Doman所采用的质心固定的两根悬臂梁（DoubleCantileverBeam）假设[10]；二是Bilimoria和Schmidt所采用的两端无约束自由梁（Free-FreeBeam）假设[25]。虽然第一种假设更符合对吸气式高超声速飞行外形的直观感受，但是基于此假设推导出的弹性模态和俯仰力矩之间直接耦合的理论结果与实际飞行试验观测到的结果并不一致[26]。在第一种假设下，Bolender和Doman采用Lagrangian方法建立的刚体力学与结构力学强烈耦合动力学模型给控制器设计也带来了不小的困难[15]。在后续的动力学建模与稳定性分析中[12-13]，Bolender和Doman改用Williams关于结构动力学的假设模态建模方法[27]，此时结构动力学与刚体动力学之间只通过气动力进行耦合。这种耦合方式下的动力学模型也逐渐被用于控制器的设计与验证[16-17]。

在推进系统建模方面，Chavez和Schmidt提出了简化的一维超燃冲压发动机模型[8]，该模型至今仍被应用于吸气式高超声速飞行器的一体化解析建模中，是后续超燃冲压发动机解析建模的基础。Chavez和Schmidt的主要贡献在于给出了超燃冲压发动机尾喷管的压强分布预测公式，从而大大方便了推力的计算。Torrez提出了包含预燃烧激波和分解效应的超燃冲压发动机模型[28]，虽然该模型清晰描述了燃烧室内的化学反应过程，但是不能为控制器设计提供清晰的输入和输出关系，且该模型是数值模型，不能进行快速解析计算。

由于吸气式高超声速飞行器未开展广泛的大包线飞行试验，缺乏关于该类型飞行器的完整气动数据，因此上述研究都是从原理上进行建模，将所得的原理模型用于动力学稳定性分析，及检验基于特定理论所设计的控制器的有效性，进而辅助地面风洞模拟及高空飞行试验。但是，从控制系统设计的角度建立简单高效的系统模型，研究复杂飞行器具有的严重非线性、快时变及强耦合特性，目前还没有突破性的研究成果。

2.2控制策略研究

从控制的角度来看，通过原理模型给出的气动力等作用力的解析表达式必然为控制量的复杂隐函数，难以直接进行反馈形式的控制器设计。建立面向控制的动力学模型需要将这些复杂的气动力表示成控制量的仿射形式，有两种可行的途径：一是基于工作区域内的多个特征点建立线性化模型，再对各个特征点模型分别进行线性控制器设计，这体现了增益调度设计方法的思想；二是将气动力和推力等作用力拟合成关行状态量和控制量的多项式形式，再进行非线性控制器设计。目前，吸气式高超声速飞行器的控制方法研究呈现大发展态势，主要包括：基于H∞的特征结构配置方法、线性变参数控制方法、自适应控制方法、基于观测器的输出反馈控制方法、模型跟踪控制方法等等，这些方法涉及线性控制、非线性控制和智能控制，涵盖了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。虽然这些方法从不同角度探索了高超声速飞行器控制系统设计问题，但是都可以从上述两个方面进行归类。

针对线性化模型，Lohsoonthorn等人在模型不存在不确定性和外部干扰的情况下，采用基于H∞理论发展的Shapiro特征结构配置方法研究了长短周期解耦控制问题[29]。Gregory等人考虑了大气干扰和输入不确定性，采用直接H∞回路成形和DK迭代μ综合方法等经典的H∞鲁棒控制设计方法设计了三种控制器，通过仿真表明，μ最优控制器具有一定的鲁棒性，而单纯的H∞控制器不能满足稳定性要求[30]。Marrison和Stengel基于线性二次型调节器控制结构并采用随机鲁棒分析与设计方法研究了鲁棒控制综合问题[31]。

针对非线性模型，许斌采用高增益状态观测器估计经连续求导线性化获得的状态量，并对变换后系统的集总不确定项采用一个神经网络进行逼近[32]。张天翼等人在引入参考模型的基础上，建立了一种具有非匹配特性的耦合控制模型。通过动态调节参数的方法，得到了一种鲁棒自适应控制律。该算法保证在气动参数摄动与干扰同时存在的情形下，满足飞行器稳定飞行的要求[33]。王明昊等人对非线性动力学模型进行雅克比线性化处理并拟合得到LPV模型，离散化后存储于一张量中，利用高阶奇异值分解，得到有限个LTI多胞顶点系统。再对各顶点进行状态反馈H∞控制器设计，通过引入松弛变量，在不同点使用不同的Lyapunov函数矩阵，以此降低控制器的保守性，得到依赖变参量进行增益在线调节的控制器[34]。

从应用的角度讲，反馈控制系统的一个主要问题是由于执行机构的物理约束使得设计的控制律产生的控制信号不能实施，称此问题为输入受限问题或有限控制权问题。输入受限问题是控制理论与方法走向工程应用过程中的一个很突出的问题，因为目前大量的控制方法针对的都是具有线性连续响应系统，即假设系统的控制输入能够一致处于有效的线性工作状态，而实际系统中执行机构对控制指令的响应总是受到物理机制等方面的约束。因此，从理论分析中所得出的结论在实际系统应用中可能并不成立。通过前面分析可知，机身和推进系统耦合、控制和结构耦合带来的稳定性要求和约束要求，使得吸气式高超声速飞行器控制系统设计过程中，尤其需要重视输入受限问题。文献[1]将输入受限问题和不确定性问题一同归入线性变参数系统鲁棒性框架内，通过设计鲁棒控制器加以解决。以上研究只局限于在线性化模型中解决执行机构饱和问题，对于状态量约束问题还需进一步研究。针对高超声速飞行器的非线性模型，文献[35]采用模型预测方法研究了状态变量和控制变量幅值约束时的控制问题；文献[36]将饱和视为系统的不确定项，采用神经网络进行补偿，提出了输入受限条件下的自适应滑模控制方法。但是，这些控制方法在具有广泛意义的输入受限问题上还需要进行更深入的研究。

3结论

综上所述吸气式高超声速飞行器控制方法研究涵盖面广，取得了很多的新成果，但还需要在以下几个方面开展进一步的研究工作：

（1）原理建模的合理简化问题

原理模型较为真实全面地反映了吸气式高超声速飞行器纵向运动的特点，但是原理模型具有非最小相位行为，且模型中各子系统中的状态量是相互耦合相互影响的，故一般在设计控制系统时都要对原理模型进行适当的简化处理。目前，由于仅对高超声速飞行器进行了有限的飞行试验，使得该类型飞行器的许多动力学特性还未被完全掌握。因此，现有研究采用的假设和简化模型并不能完全反映出高超声速飞行器的动力学特性，甚至有些假设并不完全符合试验观测到的结果。在下一步的研究过程中，还需深入研究高超声速飞行器的气动/推进/结构动力学交叉耦合机理，对原理模型进行更为合理的简化和近似。此外，从控制系统设计角度讨论研究高超声速飞行器具有的严重非线性及强耦合特性，并建立简单高效的系统模型等问题也有待进一步研究。

（2）自适应控制系统的输入受限问题

一般而言，自适应控制中的跟踪误差主要由参数估计误差产生。而当考虑高超声速飞行器的输入受限问题时，跟踪误差则非直接由估计误差引起，传统的自适应方法难以保证闭环系统稳定，从而出现动态响应特性恶化等问题。因此，近些年来，输入受限问题逐渐得到重视，但研究还并不十分充分。一些研究虽然也将其研究的内容称为输入受限问题，但实际上仅仅考虑了饱和约束，且将约束作为一种不确定性加以考虑，未从理论上进行深入分析。所以，在输入受限的条件下如何保证控制器的鲁棒性以及自适应控制的稳定性和有效性，仍是有待解决的关键问题。

（3）控制系统全反馈的实现问题

目前，相关控制研究大都建立在全状态反馈的基础上，即假设高超声速飞行器动力学系统中的所有状态变量都是可以获得的。但实际的工程实践中，并非所有状态量都可以方便测量。例如严重的气动加热使得传统的物理测量设备对迎角和航迹角等小角度值的测量十分困难。因此，考虑动力学系统状态量的不便测量或不完全可测量的因素，研究全状态反馈的实现方法对控制方法走向工程应用有着重要的意义。

总之，高超声速飞行器的强非线性和高度的不确定性，使得飞行控制系统设计十分困难。传统的增益调度法和依赖于精确数学模型的控制器设计方法已经很难适应高超声速飞行器的控制系统设计要求。要适应飞行器大范围机动飞行的性能要求，控制系统就必须具备高可靠性、强鲁棒性以及强自适应性。因此，在今后较长一段时间内，高超声速飞行器的控制问题将是航空航天领域持续关注的热点。

参考文献：

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声学设计论文范文篇3

关键词：噪声污染控制课程教改教学大纲教学方法

中图分类号：TB53文献标识码：A文章编号：1672-3791（2017）01（c）-0137-03

噪声污染是主要的环境污染问题之一，噪声污染控制也是环境工程专业的一个重要教学内容和研究方向。高校学生应通过噪声污染课程的系统学习，掌握噪声污染的基础理论和噪声污染控制的基本技术，并掌握噪声污染监测和评价的方法与工作流程。然而在常规的教学过程中，以单纯的课堂理论灌输为主，没有突出实践环节。为适应应用型人才培养的目标，需要对教学大纲、教学方法、考核方法等进行改革。

1现状分析

噪声污染控制是高等学校环境工程专业的一门重要专业课。该课程基本要求是学生应了解噪声的物理学基础，了解噪声的基本评价量和评价方法，掌握噪声声级的计算；了解环境噪声控制基本概念和控制原则，基本掌握各种主要噪声控制技术的原理及其适用范围。课程基本要求是以培养目标和教学大纲为依据的。培养目标是专业人才培养的总纲，是构建专业知识结构形成课程体系的基本依据，而教学大纲是培养目标在课程中的具体体现，教学大纲选择的教学内容必须保证培养目标的实现。常规的噪声污染控制教学大纲中只有理论教学，没有实验仪器演示和操作环节，噪声测量也只是讲监测方法及数据分析，不能让学生深切体验实际环境中的噪声状况，不能引起学生更大的兴趣，而且教学效果也只停留在理论层面，实践能力得不到锻炼。即使课件中插入图片，也只能眼见而不能耳闻，这对于噪声知识的学习是一个很大的缺陷。这些现状与提高学生动手能力、实践能力，培养应用型人才的目标之间显然存在很大的差距。

据调查，一般高校噪声污染控制课程设32～34学时，内容涉及声学基本理论、噪声测量、噪声评价、噪声污染声学控制技术等。这些内容与大学物理、环境监测、环境影响评价等课程有交叉，怎样合理安排教学时间和进度，怎样有效衔接避免重复，怎样突出噪声污染控制重点是值得探讨的。另外，很多高校只有噪声污染控制理论课，没有相关的课程设计、毕业设计环节，因此课程的系统性与连续性需要改革[1]。

2教学大纲调整

针对噪声污染控制教学大纲存在的问题，结合独立学院学生特点及应用型培养目标，需要对教学大纲进行调整。在明确培养目标和毕业要求的基础上，任课教师应清晰地了解所承担课程在整个课程体系中的位置和作用，以及与其他相关课程的关系。对照毕业要求，确定该门课程有针对性地安排教学内容，确定教学深度要求和考核方式等[2]。

2.1噪声污染控制常规教学大纲

噪声污染控制常规教学大纲中的教学内容主要包括两大部分。第一部分主要是噪声的物理基础及噪声的评价量和评价方法。其中物理基础主要是机械波的相关内容，与大学物理课链接紧密。第二部分主要是噪声的声学控制技术，包括吸声隔声消声和隔振，要求掌握各种噪声污染控制技术原理和设计计算。根据噪声污染控制常规教学大纲，主要课时分配见表1。从表1中可以看到只有理论课时而没有实验课时，且声波的物理基础占用了两课时。

2.2教学大纲调整

由常规教学大纲的主要内容和课时分配可以看到，主要以理论教学为主，没有实验实践学时。这种安排是很多高校常规路线，也是笔者从事噪声污染控制课程教学初期模式。经过一定的教学经验积累以及学生反馈、校外调研，发现这种纯理论教学内容必须有所调整。调整的思路可以采用成果导向法，即反向设计。反向设计是从需求开始，由需求决定培养方案，由培养目标决定毕业要求，再由毕业要求决定课程体系。所有参与教学的教师要明确自己所教课程对毕业要求和培养目标的贡献与责任[3]。

因此在原有的教学大纲中增加噪声测量实验环节，与理论教学内容密切相关，提高学生的动手能力，巩固理论知识。增加声学实验室参观学习环节，深切体验各类噪声污染控制技术效果。从书本走到实践中，理论联系实践，既强化理论知识学习与巩固，又能大大提高学习兴趣。如何在不改变总学时的前提下增加实践环节，需要对照其他相关课程的教学大纲进行调整[4]。大W物理中涉及到机械波章节，而声波是机械波的一种。大学物理已经详细讲了声波的物理基础，噪声污染控制课程中应简化。环境监测、环境影响评价课程中涉及噪声监测、噪声评价内容，噪声污染控制课程中也应简化，只突出重点讲吸声、隔声、消声等污染控制技术，将多出来的时间用于课内实验和实践教学。而为了提高相关课程之间的连续性，培养计划学期安排应该紧密衔接，相关课程可以安排在同一学期，通过教学进度前后连贯，也可以紧密安排在上下两个学期。相关课程不应该间隔一年以上，以免知识点记忆中断而增加复习量。调整后噪声污染控制课时分配及课程体系结构见表2和表3。从表2可以看到在总学时不变的情况下，增加了噪声测量实验和现场教学课时，减少声波物理基础课时。从表3课程体系结构可以看到，有大学物理提供声学理论基础知识，环境监测提供技术基础，环境影响评价和噪声污染控制课程设计等应用类课程巩固理论教学，提高应用能力。

3教学方法改革

除了教学大纲教学内容的调整，要达到好的教学效果也离不开教学方法的改革。除了在教室里采用板书和幻灯片进行理论教学外，也可以通过现场教学法、案例教学法导引学生，提高学习知识与应用知识的能力。

3.1案例教学法

在每一个教学章节引入案例，讲解案例应用背景，给学生一个切入点，激发学生的思考和学习兴趣。例如以某住宅隔声窗设计项目为案例，通过对案例的分析，明确隔声窗设计所需的知识和要领，然后让学生自己动手设计，在设计过程中发现问题提出问题，引导学生巩固相关知识和提高应用技能；任务完成后，指导学生进行归纳总结[5]。另外可结合该校其他专业的设施设备开展案例设计，如机械专业、土木专业有大型的机械设备，对机械设备运行过程中产生的噪声可以进行监测并进行降噪设计；也可以结合建筑学专业的室内声环境设计，形成相关案例进行设计。

3.2现场教学法

组织学生到同济大学声学实验室进行现场学习。在真实的混响室、消声室、隔声室内切深感受声音的变化，并在现场进行讲解，现场互动解惑。大家能够感受到混响室里声音被放大，而消声室里静得让人压抑。针对这些切深体会结合课堂内容寻找原因。在现场教学过程中，要求学生围绕参观内容收集有关资料，质疑问难，并做好记录，参观结束后整理笔记，写出书面报告，将感性认识升华为理性知识（见图1）。

4考核方式改革

大学教育与中学教育最大区别在于学生不再以升学考试为唯一目标，而是以获取知识、提高学习知识的能力为主要目标[6]。以往纯理论教学一般采用期末考试一份试卷进行考核。在教学内容增加实验环节、教学方法采用案例设计教学后，考核方式也相应进行改革，总成绩可以由几部分组成，如期末理论考试占50%，实验成绩占20%，案例设计成绩占30%，综合考核学生学习效果。

5结语

针对噪声污染控制课程体系存在的问题进行了一系列改革，调整教学大纲和学时分配，增加噪声测量实验环节，与理论教学内容密切相关，巩固理论知识的同时也提高学生的实践能力。增加声学实验室参观学习环节，深切体验各类噪声污染控制技术效果。合理安排课程设计等应用类课程，提高课程结构体系的整体性和连贯性。改变教W方式，通过现场教学法、案例教学法导引学生，提高学习知识应用知识的能力。同时考核方式也相应进行改革，综合考核学生学习效果。

参考文献

[1]段宁.“噪声污染控制工程”课程体系建设初探[J].武汉科技大学学报：社会科学版，2006，8（3）：96-99.

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