任意边界条件弹性板-局部开口声腔耦合系统声振特性与能量传输

A coupled system consisting of an acoustic cavity and an elastic panel is widely encountered in various engineering fields, a good understanding on its vibro-acoustic characteristics is of critcial importance for the relevant acoustic design or noise control. So far, a huge amount of research attention has been devoted to the panel-enclosed cavity coupling system, while there is very little effort made on panel-partially opened cavity system. The existing study on this topic is just limited to two-dimensional simplified system and ideal strucutral boundary conditions, such as simply supported and clamped, this condition greatly hampers us to get a complete understanding on such complex structural-acoustic coupling system. In this project, a recently proposed multi-dimensional improved Fourier series method will be employed to establish the prediction model for vibro-acoustic analysis and energy transmission of a partially opened cavity bounded by a flexible panel with general boundary conditions, in which the effect of opening interface on the internal cavity sound field is fully taken into account by introducing the pressure-velocity relationship derived from the Rayleigh integral into the cavity system Lagrangian. Based on the model developed,the influence of main system paramters, such as panel restraining stiffness and partial opening dimension, on the structural-acoustic coupling mechanism and energy transmission path in such partially opened panel-cavity system will be investigated and revealed. It is believed that the conduction of this project will provide new insight and model basis for the further acoustic design and active strucutral acosutic control of such partially opened panel-cavity coupling system.

弹性板-声腔耦合系统广泛存在于各个工程领域，深入理解其结构-声耦合特性.是进行相关声学设计和噪声控制的核心与关键。对于弹性板-封闭声腔系统的研究已经相对.成熟，然而，对于由弹性板与局部开口声腔组成的耦合系统分析远不够充分，现有初步研究仅局限于二维简化系统和经典结构边界，如简支和固支等，极大地限制了人们对于此类复杂结构-声耦合系统的全面认识。本课题旨在采用最近所提出的一种多维改进傅立叶级数方法，考虑局部开口界面外部声辐射对腔内声场的影响，建立较为完整的任意边界条件弹性板-局部开口声腔耦合系统声振特性与能量传输预报模型。在此基础上，讨论分析结构边界条件和局部开口尺度等重要参数对于此类结构-声系统耦合机制与能量传递途径的影响，深刻揭示控制其耦合方式的主导因素和内在规律。为人们继续开展局部开口结构-声耦合系统的声学设计及结构声有源控制提供全新认识和模型基础。

弹性板结构-声腔耦合广泛存在于各个工程领域，全面理解其结构声耦合机制是成功开展相关噪声控制和声学设计的关键所在。在很多场合中，由于通风或换热等要求，会经常遇到由弹性板和局部开口声腔所组成的耦合系统，文献调研表明，针对此类耦合系统研究尚不充分，限制了人们对其特性的理解与设计。本研究采用最近所提出的一种改进傅里叶级数方法对任意边界条件弹性板-局部开口声腔系统进行建模研究，开展研究包括：.（1）从任意阻抗壁面局部开口三维声腔系统动力学特性分析入手，应用三维改进傅里叶级数法描述任意阻抗壁面三维矩形声腔内部声场声压函数，基于瑞利积分计算出了开口界面声辐射阻抗，再引入声腔系统能量原理描述的拉格朗日函数求解了声腔内部的声场分布。通过数值计算分析，得出了局部开口声辐射阻抗特性及其对声腔耦合系统动力学特性产生的影响。. （2）建立了一种任意边界条件弹性板-局部开口声腔耦合系统理论模型模型。将耦合系统划分子系统，分别采用改进傅立叶级数法描述，然后基于能量原理采用瑞利里兹法得到耦合系统模态特性及强迫响应，同时通过瑞利积分近场声压公式求得声腔外部半无限声场的声压响应。理论计算结果与参考数据的比较验证了本文方法的准确性；并深入研究了局部开口存在情况下弹性板结构振动与声腔内部声场以及外部半无限空间声辐射三者之间的耦合关系。.（3）对存在多隔板连通情况的复杂封闭空间耦合系统进行理论研究，根据声振特性不同将耦合系统划分为弹性板结构、声腔结构以及局部开口三类子系统，应用改进傅立叶级数法描述了三类子系统的场函数，基于能量原理采用瑞利里兹法得到整个耦合系统动力学方程。通过数值计算分析了弹性隔板长度与边界条件对耦合系统自由模态、强迫响应和能量传输的影响。. （4）采用试验手段对局部开口三维封闭声腔进行了研究。设计并搭建试验台架，分别采用声源与点力激励，测试了耦合系统的频率响应函数，并与本文所提理论预测结果进行对比，两者吻合良好，验证了本研究理论框架正确性，同时分析了测试误差来源。.通过上述研究工作，进一步拓展了改进傅里叶级数方法处理复杂结构-声耦合系统的适用范围，为人们分析任意边界条件弹性板-局部开口声腔耦合系统声振特性与能量传输提供了一种有效分析手段，理论分析和实验测量充分验证了建模方法的有效性和正确性，所得到结论有助于人们深刻理解此类复杂结构声耦合系统的物理机制及后续优化设计。