蜂窝夹层结构封闭空间结构声耦合特性及其优化设计研究

针对目前国内外蜂窝夹层结构封闭空间结构-声耦合特性研究缺乏的问题，项目提出在考虑芯层横向剪切变形和转动惯量影响的基础上，建立蜂窝夹层板封闭空间结构-声耦合分析理论模型，获得结构速度响应和声腔声压响应的解析表达；在对理论模型进行实验验证的基础上，基于结构和声学响应灵敏度分析，进行夹层板面板/芯层厚度、蜂格尺寸和面板/芯层密度、杨氏模量等原始结构和材料参数及弯曲刚度、剪切刚度等中间设计参数对系统耦合特性、耦合机制的影响途径和规律研究，解析出某些重要参数对结构、声腔固有特性的影响和对系统耦合特性进行控制的关键机理；通过多变量非线性约束优化，研究腔内场点声压响应与夹层板材料和几何参数间的耦合关系，在理论预测和实验验证的基础上，提出蜂窝夹层板封闭空间低噪声设计的参数优选准则。本研究能提升我国在夹层板复合材料封闭空间结构声传入基础研究领域的学术地位，可为高速交通运输工具舱室内声学优化设计提供理论依据。

针对目前国内外蜂窝夹层结构封闭空间结构-声耦合特性研究缺乏的问题，本研究首先从蜂窝夹层板的弯曲振动控制方程入手，考虑芯层横向剪切变形和正交各向异性影响，通过引入位移函数和微分算子的方法，将含有3个广义位移的横向振动控制方程组化为仅含一个位移函数的单一方程，在此基础上，针对四边简支的边界条件，获得了矩形蜂窝夹层板固有频率的解析解，理论结果与数值结果和实验结果的比较验证了本文方法的正确性和合理性；研究了结构和材料设计参数对夹层板固有频率的影响机理。分析表明：芯层横向剪切变形和正交各向异性均对夹层板固有频率有较大影响，分析中应该予以考虑；各阶固有频率在面板厚度、蜂窝芯格壁厚和芯格边长的常用取值区间内取得最大值，在工程应用中应该予以考虑；各阶固有频率随芯层厚度和面板杨氏模量的增加而上升，而蜂窝材料杨氏模量对固有频率基本没有影响。. 对夹层板封闭空间结构-声耦合特性进行了理论和实验研究。首先运用格林函数法，分别得到了结构和声腔的模态响应；基于结构和声腔模态响应的矩阵表达式，提出了一种新的分析结构-声耦合问题的方法，即将耦合的结构和声腔系统模拟成可调并联电路，由此得到了耦合后声腔与夹层板系统的固有频率表达式；通过测量腔内声压响应验证了建立的理论分析模型具有很好的精度，为后续的设计参数对耦合特性影响的定量讨论和结构改进设计提供了理论基础。. 最后进行了夹层板设计参数对结构-声耦合特性影响的定量讨论和结构改进设计。基于结构和声学响应灵敏度分析，进行夹层板面板/芯层厚度、蜂格尺寸和面板/芯层密度、杨氏模量等原始结构和材料参数及弯曲刚度、剪切刚度等中间设计参数对系统耦合特性、耦合机制的影响途径和规律研究，解析出某些重要参数对结构、声腔固有特性的影响和对系统耦合特性进行控制的关键机理；总结出蜂窝夹层板件组成的封闭空间低噪声设计的基本原则，在此基础上以降低封闭空间内指定位置处的声压响应为设计目标，对夹层板主要设计参数进行了改进设计，计算结果表明，改进设计方案能有效降低封闭空间内的声压响应。