敷设约束层阻尼的弹性空腔中频域声控特性分析的建模与计算方法研究

弹性空腔结构广泛用于国防、航空航天和交通运输等领域，其空腔噪声水平已成为衡量设计质量优劣的重要指标。由于约束层阻尼具有良好的能量耗散性能，且可靠性高、自适应能力强，已逐渐成为弹性空腔减振降噪的有效手段。因此，研究敷设约束层阻尼弹性空腔的声振特性具有非常广泛的工程应用背景和重要理论意义。由于涉及到多场耦合，此类问题的求解非常复杂。目前，有限元法和统计能量法已分别成功地运用于低频段和高频段的声振分析，但在中频段，目前还没有一种较成熟的方法。本项目正是针对这方面研究的不足，结合无网格法、虚拟源强模拟技术和快速Fourier算法等，试图建立一种在中频段分析敷设约束层阻尼弹性空腔声振特性的新模型，同时建立一套高效精确的半解析方法，并以此为基础，对此类结构在中频段的声振特性进行深入研究和分析。通过本项目研究，有望为敷设约束层阻尼的任意形状弹性空腔在中频段的声振特性分析提供一种有力的解决方法和理论基础。

弹性空腔结构广泛用于国防、航空航天和交通运输等领域，通过在表面敷设主/被动约束层阻尼结构，可以有效地降低空腔的振动和噪声。但是，由于涉及到多场耦合，约束层阻尼空腔结构的求解非常复杂。目前，有限元法和统计能量法已分别成功地运用于低频段和高频段的声振分析，但在中频段还没有一种较成熟的方法。本项目结合无网格法、虚拟源强模拟技术和快速Fourier算法等，建立了一种在中频段分析敷设约束层阻尼弹性空腔声振特性的新模型，提出了一套新的求解方法，并搭建了空腔声振实验的平台。在此基础上，对此类结构的声振特性进行了研究和分析。取得的主要成果是：1. 结合Koopmann波叠加法、复数矢径虚拟边界技术和快速Fourier算法建立了一种求解多球域轴旋转空穴三维声学问题的快速算法。该方法不仅能保证解的唯一性，且由于采用2D-FFT算法计算振荡积分，在中频范围的计算效率和精度方面相对于常规的数值方法有明显改善。2. 采用分层理论建立了被动约束层阻尼结构的动力学控制方程，并提出了一种分析被动约束层阻尼结构动力学特性的半解析方法——精细元法。该方法避免了传递矩阵的连乘所导致的误差累计，可适用于中频段内的分析和计算。采用PD控制策略和声压率控制策略，建立了敷设主动约束层阻尼结构的完全力电耦合模型，并结合叠加原理提出了求解主动约束层阻尼旋转空腔声振耦合方程的半解析方法。3. 结合连接处的动力学平衡方程、位移连续性条件和精细元法，导出了不规则约束层阻尼空腔的动力学方程，并采用无网格法和多球域轴旋转空穴的快速波叠加法建立了声场的总体方程。然后，结合结构场和声场的控制方程，提出了一种分析约束层阻尼空腔声振特性的混合算法。4. 基于DSP芯片和CCS软件开发了一套测量和控制约束层阻尼空腔结构声振特性的软、硬件系统和基于多球域波叠加法的声全息测量系统。由于采用了自适应控制程序模块及在线校正等模块，约束层阻尼空腔声振实验系统具有较强的自适应性和交互性。声全息测试系统的声学计算中采用了多球域虚拟源强，通过合理配置它们的位置，可以很好地避免由于重建面和测量面不共形所产生的误差，可有效地提高测量精度。5. 通过数值计算和实验测试讨论了结构参数、控制策略等对约束层阻尼空腔结构的振动特性、阻尼特性及控制特性的影响规律，可为今后解决约束层阻尼空腔结构的声控优化问题奠定基础。