声学设计论文范文1
超声医学科研设计，基本与其他临床学科的科研设计相同。通常可分为两大类，一类为前瞻性，一类为回顾性。前者是既往初步作过或尚未作过的课题，作以预计性的研究，如研究一种新技术、新治疗方法对临床的诊断、治疗价值如何， 其结果可有实际应用价值，也可得出相反的结论。而后者是将过去所做的工作给予回顾性的总结评价。目前采用前瞻性研究更具有新的实际意义。
在作前瞻性的课题研究时，首先要立题，而立题一定要新颖，最好通过查新，以确定待作的这项研究，他人是否作过，如果多人已作过并已有了明确结论，自己再作则仅是重复他人的项目而无新的意义。当然，在实际工作中发现了与前人不同的结果，此时为了进一步深入研究，仍可立题，其结果可能是一项重大突破或发明。立题后，继之要对本课题作合理的设计，并且绝对要严谨。
在确定了具体的科研题目后，应按以下几点去做并固定不变。
研究对象：要恒定。包括病人、对照健康人（志愿者），某种动物或其他。这个栏目中，对人体最好不用“实验”两字，对动物或其他类可用“实验研究”。对所研究对象的年龄、性别、条件等应当一致且固定不变，特别在病人组与对照组间的性别、年龄要相当方可。
研究方法：要新颖。检测和治疗方法切勿全部重复他人所用的内容，并且应由专人、专机完成。例如技术熟练者与新参加工作者的技术条件不相同，其检测的结果则会出现人为的差异。又如仪器性能相差过甚时，所作结论会有一定的差异，否则作出的结论均一致，其可信性则值得考虑。
检测指标：要准确。选择容易观察和意义明确的客观指标。如观察胎儿脐带绕颈的时间，最好在分娩前，若距分娩时间较长，则其结果之可信性就不如分娩前。
若使其科学性强，检测的指标要有旁证，如检测诊断冠脉狭窄最好有冠脉造影结果的对比。诊断腹部某脏器之恶性肿瘤则应有手术病理或针吸细胞学的证实。这些在科研设计时应安排好。
研究结果：要有科学性。要按科研设计的目的研究和观察，得出结果以统计学的客观数据为结论，作为本项课题研究的结果最佳。
统计方法：设立对照组：要条件相似。为使结果更具有说服力，应设对照组，通过实验组与对照组的结果对比，分辨出处理因素与非处理因素对研究结果的差距。处理因素包括对病人的检测、治疗方法、剂量等，非处理因素包括社会、环境等。非处理因素在两组均相对一致时，例如，两组间的年龄、性别均一致，检测时期亦相同，如同在某一季节内等，其得出的结果才具有较高的科学性。
随机化：要客观。随机化即研究两种不同检测方法、治疗方法、用药方法等对检测或治疗结果的观察。随机化是保持实验组与对照组相对均衡的方法，即应用抓阄、抽签等方式。这并非按主观愿望挑选，而是被研究对象是从总体中随机抽取的，即每个对象都有同样的机会被抽到。
样本量：要大。样本量越大，其反映客观的真实性越大。病例组与对照组样本最好各在30例以上或再多些。如常见的病例在观察药物疗效时，最好 100～200例或更多，对照组也应有50～80例或更多。如果某种新疗法作鉴定性研究时，样本量应超过200例。有时大样本有一定困难，但应确保研究结果的科学性。样本少时，要求：
（1）个体间差异不大；
（2）两组间效应差异大（p＜0.01）时；
（3）严格控制非处理因素；
（4）罕见或少见病例，例数可少到10例左右；
（5）特殊疾病可个案报道。
2、撰写论文
将自己所做的各种研究，予以真实的、客观的作一总结和评价。但不应同于一般的工作总结。撰写时应重点突出、简明扼要，文字通顺、条理清楚、用词得当、数据可靠。一般论著不超过3000字（含图、表及参考文献），短篇和个案500～1000字，综述亦勿超过5000字为宜。
题目：立题应简明确切。通常20个字左右，最多不超过26个字为宜。应能准确的反映出论文的主要内容。
作者：一般论著不超过5人；综述1人，审校不应超过2人。
摘要：250字左右，并按结构式摘要撰写，即：
（1）目的：本项检测或研究的出发点。
（2）方法：所观察或检测的指标，如病人及对照组的数目、性别、年龄、病种，使用的仪器、探头频率以及采用的方法等。
（3）结果：检测或实验方法得出的具体效果或指标，对比数据，最后结果，以及对上述各项的附加解释。
（4）结论：本项目的观察、研究或检测后的总结性的定论。
关键词：凡有摘要的论文皆应标引关键词。关键词主要自文题中选取，不足时可自摘要或正文中选用。选自论文所研究的目的、对象和涉及的新技术等。
（1）定义：可直接表达论文要点、中心内容和特征的词。
（2）用途：提供检索窗口。
（3）数量：3～10个，一般3个。
（4）词性：名词或名词性词组、形容词性。而代词、介词、冠词、连词、情态动词等皆不能作为关键词。
（5）方式：按顺序排列成关键词索引。
（6）要求：用规范化检索语言，即主题词。应查阅中国医学科学院信息研究所编辑出版的《医学主题词注释字顺表》（Medical Subject Headings Annolated Alphabetic List.Me SHAAL）。当所用词未查及时，可用同义词、近意词或关联词，并可配用有关的副主题词，亦应查阅《Me SHAAL》副主题词字顺表〔1〕。
引言：应在250字之内。应概括简明的叙述立题的理论依据，研究思路与基础，国内外现状，并应明确指出本研究的目标。
材料与方法（资料与方法）：此部分是论文的基础和关键。评价论文主要看材料和方法的可信度和确定结果的标准。应写明病人、对照组、所用仪器种类、探头频率、检测的方法、药物名称（不用商品名）、剂量等。
结果：此段是论文的核心部分。研究和检测的最终目的，即所获得的结果。此部分可分别用文字、图表表示。可强调或摘要叙述本研究的主要发现。
结果应有充分的数据及对比性研究，最后结果应是科学的、合乎逻辑的，而不是作者自行判断或推断的。例如：应用B超诊断胎儿脐带绕颈30例分析。在此文章中，仅有诊断多少例的所见及数据，而无最后的分娩证实，这样的文章则欠科学性。
讨论：是论文最重要的部分是反映文章水平高低的主要部分。应重点突出自己的新发现、新概念、新学说、新规律，及所作出的结论和观点。对研究中所发现之不足处亦应说明，此外，可以提出设想或建议。
在书写讨论段时，应注意撰写技巧，要简明扼要、语言顺畅、抓住重点、条理分明的表达出所要说明的主要问题，使读者易懂，看后有收益，但要避免口语化。
（1）讨论之重点是应有自己的某些独到观点和见解，并将之讲深讲透，切勿仅重复他人的或众所周知的内容。如：超声检查法对人体无痛、无损伤、价格低廉……。
（2）讨论段与其他段相关联，特别是结果段中的某些数据及最后的结果，用以进一步表明自己的观点，但并不是结果中的数据又全盘搬到讨论中，造成重复。
（3）讨论中切勿引用他人文献过多，更不要写成：本研究结果与×××和×××的结果一致或符合×××的结论。一来是将论著写成了综述，二来是仅说明自己是重复他人所作。
（4）通常讨论是文章中较长的一段，应突出重点，不要洋洋数百字，冗长的内容反而使该说明的问题模糊不清。此外，不要对某一问题尚未解释清楚时，又另讨论其他内容，使读者费解不得要领。
声学设计论文范文2
关键词：建构主义理论；高校声乐教学；课程设计
声乐演唱除了要求学生有较好的演唱技巧之外，还要求其能产生与声乐相应的情感体验，因此，在声乐的教学中往往要注意理论和实践之间的有效结合。然而，受传统教学观念和教学方式的影响，我国高校在声乐教学的课程设计方面仍存在一定的问题，并对声乐人才的培养造成了一定的限制。新课程标准要求我国高校的声乐课程设计要能有效调动学生的学习自主性，能帮助在学生和教师之间建构和谐良好的关系，并能尊重学生个体之间的差异性，而这往往与建构主义的相关理念相符合。因此，我国高校的声乐课程设计可以融入建构主义的相关理论，在建构主义理论下对声乐的课程设计进行完善，以培养在声乐演唱方面更加优秀的人才。
一、建构主义的基本内容
建构主义最早是由瑞士著名的心理学家让•皮亚杰（JeanPiaget）提出的，强调学生在学习中不应是被动的接受对象，而应当切实发挥自身的主体意识对信息内容进行加工，并逐渐成为相关知识的建构者。这也就表示，学生的学习并不是一个教师单向传输、学生单项接受的过程，而应当是一个由教师对学生进行引导并充分调动他们的主体意识使他们对相关知识进行自主建构的过程。因此，将建构主义融入到课程的设计中，能在教学材料的基础上通过情景的建构和人与人之间的互动，调动学生在学习中的主体意识，并通过自主学习方式的运用提高他们学习的效率性。建构主义对学生学习中主体意识的强调以及对学生自主能力培养的重视，与我国现阶段课程设计的基本要求和标准以及其中的人本主义思想相符合，都强调转变传统课程设计中教师和学生的定位，切实发挥学生的主体意识和教师的引导作用，以提高学生学习中的自主意识和自主能力。但要注意的是，高校的声乐教学除了要求学生有较好的演唱技巧之外，还要求其能产生与声乐相应的情感体验，重视理论和实践之间的有效结合。因此，在建构主义理论下的课程设计要以高校声乐教学的实际情况和要求为标准，以提高课程设计的有效性。
二、现阶段我国高校声乐课程设计存在的问题
（一）课程设计中的实践教学缺乏逻辑性
在高校声乐课程的设计中，往往会根据教材的内容以及教学的需要而设计相应的实践课程，但在课程设计中，这些实践课程往往分散在不同的教学内容之内，且彼此之间没有形成有效的衔接点，这也就使得高校声乐课程设计的实践教学缺乏逻辑性。
（二）课程设计忽略了学生学习的主体性发挥
高校声乐课程不仅具有很强的理论性，还有着丰富的实践性。但不论是其理论性还是实践性，都要求学生主体意识的提高。但现阶段，我国部分高校的声乐课程设计仍偏重于教师的传授，这不仅不利于学生主体意识的发挥，同时对他们声乐能力的提高也有着一定的限制。
（三）课程设计中相关实践内容的缺失
对于高校的学生而言，声乐科目并不是他们的主修科目之一，这往往也造成了学生学习以及教师课程设计中对声乐教学的不重视。主要表现在声乐课程设计中实践内容的缺失。由于声乐科目并不是主修科目，甚至有时并不将其纳入考试的范围之内，部分高校的声乐教师在课程设计中往往会忽视对学生声乐实践能力的培养。
（四）课程设计中相关评价体系的缺失
我国高校人才的培养目标是培养与社会相适应的高素质综合发展型人才，但由于对非主科声乐教学的不重视，使得教师在声乐的课程设计中往往不能给予与声乐相关的评价体系以足够的重视，忽略了学生在声乐综合应用能力及创新创造能力方面的评价内容，与高校人才培养的目标相背离。
三、建构主义理论下的高校声乐课程设计的原则
首先，要坚持理论结合实践的原则。理论是课程设计基础，要完善高校声乐课程设计，必须要以声乐的理论知识为基础；但要提高声乐课程设计的有效性，必须要坚持理论结合实践的原则，在理论知识的基础上强化对学生的实践培养，以切实提高高校学生的声乐能力。其次，要坚持过程结合内容的原则。由于声乐的学习内容存在多样性的特点，因此，在课程设计方面也不能采用统一的方式。一方面，声乐实践课程的设计要保证学生能直接参与到教学中；另一方面，声乐理论知识的课程设计则要重视相关的语言和文字符号。这也就要求在高校的声乐课程设计中要遵守过程结合内容的原则。最后，要坚持全面性和适应性原则。高校声乐课程设计要切实保证课程设计的内容与学生的学习要求相符合，且能切实提高学生的声乐水平和能力，这也就要求高校声乐课程设计既要保证全面性的原则以丰富声乐教学的内容，又要保证适应性的原则使课程设计的内容与学生的实际情况、声乐能力、性格特征等相符合。
四、建构主义理论下的高校声乐课程设计
（一）建构主义理论下的高校声乐课程设计
要重视学生主体意识的发挥高校声乐教学开展的主要目的是通过声乐艺术教育培养高素质的综合发展型人才，这也就要求高校的声乐课程设计要注重引导学生发挥主体意识。因此，在高校的声乐课程设计中，也应当坚持建构主义的相关理论，以学生主观能动性的发挥为主要目标，强调课程设计的综合性和实践性。而这种课程设计的模式不仅是对原有模式的突破，也能切实弥补传统课程设计中的不足之处，以提高声乐教学的效果。可见，在建构主义理论下强调学生主体意识发挥的课程设计方式的运用在高校的声乐教学中具有较高的价值性和可行性。与此同时，建构主义对学生自主意识和创新意识的强调在课程设计中得以融入，也能使高校声乐课程设计更加重视对学生自主能力和创新能力的培养。
（二）建构主义理论下的高校声乐课程设计
要重视对学生的评价设计就高校的学生而言，一个良好的评价方式对其能力和成绩以及正确思想意识和道德观念的养成具有良好的促进作用，因此，在建构主义理论下的高校声乐课程设计也应当重视课程中评价内容的设计。一方面，要保证课程设计中评价的有效性，教师必须要与学生之间建构平等的关系，平等地对待每一位学生，并对学生之间的差异性给予足够的尊重，针对不同的学生而设计不同的评价方式；另一方面，要根据教学的内容、学生的能力基础、学生学习的情况而设计不同的评价标准，要切实发挥评价在学生中的鼓励和激励作用，以保证课程中评价的设计能有效促进学生成绩的提高。
（三）建构主义理论下的高校声乐课程设计要重视个性化的融入
建构主义理论下高校声乐课程设计中的个性化方式的融入指的是要对传统课程设计的方式进行转变，在教学中更加注重学生个性的发展。这也就要求高校的声乐教师对学生个体之间的差异性有充分的了解，并对学生在声乐学习方面的基础、能力、天分、性格等多方面的不同因素进行深入地了解，从而以建构主义为依据将班级的学生进行组别的划分，并根据不同组别学生之间的不同而进行更加有针对性和个性化的课程设计。同时，教师也应当与学生之间建构更加和谐平等的师生关系，彼此之间进行良好的沟通与交流，在建构主义理论下与学生平和合作，共同进行课程设计，以提高课程设计在学生中的适应性。总之，高校的声乐教学内容具有多样性的特征，因此，在建构主义理论下的声乐课程设计也应当遵循这一特征，在课程设计中，重视学生主体意识的发挥、和谐师生关系的建构、学生个性化的发展等，从而使课程的设计变得更加具有价值性和效用性，以切实提高学生的声乐能力和音乐素养。
参考文献：
[1]陈海珍.大学音乐教育教学模式探析[J].四川戏剧，2011（02）.
声学设计论文范文3
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340 m/s，在常温的水中声速是1 500 m/s，在铁棒中声速是5 200 m/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4 s收到回波信号，已知声音在海水中的传播速度是1 500 m/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2 s，所以海水的深度为1 500 m/s× 2 s=3 000 m。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3 000 m/s；声速在液体中都大于1 000 m/s；声速在气体中最小。在15 ℃的空气中声速是340 m/s，在常温的水中声速是1 500 m/s，在铁棒中声速是5 200 m/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.
声学设计论文范文4
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。
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声学设计论文范文5
关键词： 扩张腔消音器； 传递损失； 有限元仿真； 可调频
中图分类号： TN61?34； TU112.3； TH12 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0108?0
0 引 言
消声器是一种在允许气流通过的同时又能有效地阻止或减弱声能向外传播的装置，它主要应用于机械设备的进、排气管道或者通风管道的噪声控制。消声器的种类很多，按其减噪原理主要分为阻性消声器、抗性消声器和复合式消声器。消声器的声学性能的优劣，是根据消声值的高低和消声频率的宽度来衡量的。扩张腔消声器是比较常见的抗性消声器之一，因其结构简单，便于加工制造且消声效果较好得到了广泛的应用。它的消声原理是：利用管道的截面突变引起声阻抗变化，使一部分沿管道传播的声波反射回声源；同时，通过腔、室和内接管等尺寸的变化，使得向前传播的声波与不同管截面上的反射波之间产生的相位差发生相互干涉，从而达到消声的目的[1]。传统的扩张腔消声器消声频率比较宽但是消声效果一般，带有插管的扩张腔消声器虽然在固定频率内提高了消声值，但是其消声频率宽度又比较窄。本文在此基础上提出了一种可自主调节插入管长度的扩张腔消声器。
传递损失是消声器本身所具有的特性，在消声器设计以及数值计算时，用传递损失来作为评价标准特别方便[2]。本文应用有限元分析法对几种扩张腔消声器的传递损失进行了研究，并设计声学实验验证了有限元仿真的正确性。根据理论研究对该消声器做了机械结构上的改进，在不影响扩张腔消声器空气动力性能的基础上，实现了消声器的插入管长度可自主调节，从而实现了高的消声值和宽的消声频率。
1 传递损失理论
传递损失是消声器声学性能的一个重要特征参数，是一个消声器本身的固有特性，其数值可以用来作为消声器性能的评价标准[3]。通常情况下，认为传递损失值越大，消声器的消声性能越好。
传递损失（Transmission Loss）的定义：消声元件入口处的入射声功率级 [Lwi]和出口处的透射声功率级 [Lwt] 之差，即：
[TL=Lwi-Lwt=10lgwiwt] （1）
空气中声强级近似等于声压级，而声强与声功率有[I=WS]（[S]为传播方向的面积）的关系式，所以有：
[Lp≈LI=LW-10lgS] （2）
传递损失也可以运用声压级或者声强级来计算。
2 有限元理论
有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，是用有限数量的未知单元去逼近无限未知单元的真实系统。COMSOL Multiphysics是一款基于全新有限元理论、直接针对偏微分方程为研究对象的大型数值仿真软件，实现了任意多物理场、直接、双向、实时耦合，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算[3?4]。COMSOL中的声学模块可以实现管道内声学的理论仿真。为了对管道内的声压分布情况进行研究，本文应用COMSOL仿真软件对扩张腔消声器进行了有限元分析。所研究的消声器各参数尺寸如表1所示，分别对无插入管和插入管长度为100 mm和90 mm的扩张腔进行仿真分析。根据这些参数建立了扩张腔消声器模型，并采用自由划分网格方式对其进行网格划分[5]，如图1所示。
设定声音的传播速度为340 m/s，空气密度为 1.293×10-6 kg/m3。根据扩张腔消声器平面波截止频率公式[f=1.22cd]，该消声器的截止频率为3 771 Hz，因为本文研究噪声最高为2 000 Hz，远远小于截止频率。所以仿真设定入射声波为一维平面波，入射声压[6?8]为1 Pa。
图2（a）为扩张腔消声器的传递损失曲线，由图中曲线可以看出，无插入管消声器传递损失呈周期性变化，消声效果一般。插入管100 mm的扩张腔消声器在约为790 Hz时传递损失特别大，消声效果特别好。插入管90 mm的扩张腔消声器在约为850 Hz时传递损失值大，消声效果显著。说明插入管有利于消声效果的提高，而插入管的长度决定消声效果较好的消声频率。
如图2（b）所示，消声器1为入口插入管和出口插入管长度分别为110 mm和0 mm的消声器，消声器2为入口插入管和出口插入管长度分别为110 mm和90 mm的消声器，消声器3为入口插入管和出口插入管长度分别为0 mm和90 mm的消声器，从该图可以看出消声器2所得的传递损失曲线是由消声器1与消声器3所得传递损失的叠加。说明消声器入口插入管与出口插入管互不干涉，但是都有利于消声器消声效果。
3 实验方案设计
根据理论分析设计实验方案，应用四传声器法对该消声器消声前后声压进行测量[9?10]，实验测试原理如图3所示，实验设备采用的是莞音Audio Labs制作的8 Ω/ 15 W扬声器，采用YE5856功率放大器对信号源噪声信号源进行放大，采用Φ12.7 mm（[12] inch）预极化测试传声器，传声器1和传声器2、传声器3和传声器4均间隔12 cm。采用DAQ9234采集卡配合LabVIEW软件编程进行数据采集。
实验测试装置如图4所示。为了比较准确地测试出消声器的消声效果，在消声器的同一位置放置长度相同的直管做空管的声压测量，并将两者所得传递损失的差值作为该消声器的传递损失值[7]。根据国家标准GB/T 4760―1995，在管道的出口处接喇叭形的消声末端，这样能够最大程度地减小管道振动对实验结果的影响。
4 结果分析
通过应用有限元仿真分析和实验研究对有插管的扩张腔消声器的传递损失进行分析，其传递损失曲线如图5中所示。图5中消声器1为入口插入管和出口插入管长度均为100 mm的消声器，消声器2为入口插入管和出口插入管长度分别为110 mm和90 mm的消声器。由图5中曲线可以看出，插入管长度不同的两个消声器，其仿真分析得到的传递损失曲线与实验分析得到的传递损失曲线都能很好的吻合。说明应用COMSOL仿真得到的结果是正确的，可以在研究有插入管的扩张腔消声器时作为参考。实验得到的曲线在频率低于300 Hz时出现了局部不稳定的现象，特别是在频率低于100 Hz时波动尤为明显，这是由于实验所用的扬声器本身在低频段工作不稳定的特性引起的。而在1 400 Hz处传递损失曲线出现了一个极大值，其原因可能是由于达到扩张腔的共振频率，扩张腔内的气体在声波激励下发生共振，使得声能急剧转化为热能以及管道的动能，导致传递损失出现极大值。而在约为600 Hz，1 100 Hz和1 700 Hz时出现了不同程度的负的传递损失，这是因为实验数据处理所用的是双末端法，该方法在传递损失接近0时会出现较大的误差，从而使得传递损失值出现了周期性的负值。
结合第3节中的结论，可以知道，只要调节插入管的长度就能调节消声器最佳消声频率，从而实现高消声宽频域的消声器。
5 优化设计
5.1 结构设计
根据第3，4节中的仿真分析与实验验证结论，在现有的内插管扩张腔消声器的基础上，设计了一种可以调节扩张腔内插管长度的结构，它是由步进电机通过丝杆带动扩张腔左右移动，从而实现扩张腔内部插入管长度的调节，其结构图如图6所示。
图6中插入管外径带有外螺纹，与扩张腔插入口处的内螺纹相连接，扩张腔外设有外螺纹，将其与有步进电机的丝杆相连接，插入管与过渡管固定连接，这样只要控制步进电机的旋转就能实现消声器插入管长度的调节。对该消声器的部分位置进行仿真分析，仿真分析结果如图7所示，设定前后插入管均为100 mm时为0，扩张腔向左移动为正。从图7中可以看出，随着扩张腔位置的移动，其最佳的消声频率会随着变化，从图7中还可以看出，每个频率的噪声都有一个最佳的传递损失值，也就是说，每个频率的噪声都对应有一个扩张腔位置使其达到最佳的消声效果。只要能够有足够量的基数，每个频率处都取所有基数的最大传递损失值，就能得到该消声器的最佳传递损失曲线。图8为扩张腔每5 mm一个移动单元所得的最佳传递损失曲线，从该曲线可以看出，其消声效果相比无插管消声器消声量大的多，相比固定插管消声器消声频域宽很多。
5.2 控制系统
扩张腔体的移动需要通过控制步进电机来实现，步进电机的工作需要控制算法的支持。选取点积值法作为该系统的控制算法。控制系统方案：通过消声器前后端传声器信号识别噪声频率，根据预先算好的仿真结果，步进电机快速调整扩张腔至指定位置，传声器信号随隔板移动发生变化，根据点积值法计算结果，实时调整扩张腔位置，实现自动控制消声频率，图9为点积值算法流程图[11] 。
6 结 论
对扩张腔消声器进行了有限元仿真计算，验证了消声频率与插入管长度的关系，并设计实验验证了仿真结果的正确性。根据消声频率与插入管的关系，设计了一种通过调节扩张腔位置调节插入管长度的消声器结构，并通过控制算法控制扩张腔位置移动，实现了自主控制的可调频消声效果。实验结果受到实验仪器本身特性的影响，需要更好的方法来避免，实验管路的特性以及实验数据处理的方法所产生的局部频率处传递损失负值或突变需要进一步的改进。所设计结构的扩张腔与插入管处密封性由螺纹本身所具有的密封性来实现，密封性的优劣还需进一步的研究。图8中扩张腔每5 mm一个移动单元所得的最佳传递损失曲线过于曲折，若能适当的减小移动单元，可以使该传递损失曲线趋于平滑。
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声学设计论文范文6
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
Research Progress on Control System of AirBreathing
Hypersonic Flight Vehicles
Wang Pengfei1， Wang Jie1， Shi Jianming1， Chen Xingyang2， Yang Yurong2
（1.The Air Defense and Antimissile Institute， Air Force Engineering University， Xi′an 710051， China；
2.China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China）
Abstract： The control system function of airbreathing hypersonic flight vehicles is that making the flight vehicles track the command guidance accurately by changing the velocity through engine thrust and regulating flight attitude with deflection of rudder surface in full flight envelop. This paper discusses the dynamic characteristics of flight vehicles， and analyzes the control system development of airbreathing hypersonic flight vehicles with modeling and control law， which can provide a reference for the interrelated study.
Key words： airbreathing hypersonic flight vehicles； dynamics modeling； flight control
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80 km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NASA Langley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（Double Cantilever Beam）假设[10]； 二是Bilimoria和Schmidt所采用的两端无约束自由梁（Free-Free Beam）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。
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