回转类复合材料板壳结构与声腔耦合系统理论建模及声振机理研究

The composite plates and shells of revolution and sound cavity coupled system is composed of the structural field and sound field, and its acoustic-vibration mechanism is critical to the low noise design. When the energy is transferred in the acoustic-vibration coupled system, not only the incidence, reflection and transmission, but also the energy dissipation and waveform conversion will occur on the interface, causing the energy loss and modal coupling between the structural field and sound field, which makes the mechanism of such problems extraordinarily complex. Based on the energy transfer process and using an improved Fourier-Ritz method, the study on the theoretical modeling and mechanism analysis for the structural field, sound field and the coupled system is conducted gradually from local to whole. The main contents include: (1) The theoretical modeling and analysis of inherent characteristics for composite plates and shells of revolution subject to complex boundary conditions; (2) The theoretical modeling and analysis of inherent characteristics for the cavity structure of revolution with complex acoustic conditions; (3) The theoretical modeling and analysis of inherent characteristics for the structural-acoustic coupling system of the composite plates and shells of revolution with complex boundary conditions; (4) The verification experiment for the acoustic vibration coupling system model. By the implementation of the project, can the inherent complex coupling mechanism of the coupled system be revealed, which would provide the theoretical basis for the low noise design of the composite plates and shells of revolution.

回转类复合材料板壳结构与声腔耦合系统由结构域和声场域耦合组成，其声振机理对于结构低噪声设计非常重要。能量在声振耦合系统中传递时，除在作用面上产生入射、反射与透射外，还会在交界面处出现能量耗散、波形转换等现象，由此产生结构域与声场域模态耦合、能量损失等效应，导致声振机理变得异常复杂。本项目拟以能量在声振耦合系统传递过程为依据，采用改进傅立叶-Ritz法从局部到整体，分别从结构域、声场域及声振耦合系统逐级递进地开展理论建模与机理研究，主要研究内容有：(1) 复杂结构边界条件下回转类复合材料板壳结构理论建模与固有特性分析；(2) 复杂声学边界条件下回转类声腔理论建模与固有特性分析；(3) 复杂边界条件下回转类复合材料板壳结构声振耦合系统理论建模及声振特性分析；(4) 声振耦合系统模型验证实验。通过本项目的实施，旨在揭示声振耦合系统内在复杂耦合机制，为回转类复合材料板壳结构低噪声设计提供理论基础。

结构噪声水平是评价结构设计质量优劣的一项重要标志，低噪声水平意味着更为舒适的声学环境和更为安全的结构性能。随着中国制造2025计划的贯彻实施，对于高技术船舶、民用航天等领域的振动和低噪声设计提出了更高标准的要求。因此，在复合材料大量应用于工程实践的背景下，开展回转类复合材料板壳结构优化设计和噪声控制研究具有重要意义。然而，通过对现有文献调研不难发现，目前对于复合材料板壳结构与周围声场组成的声振耦合系统的研究成果较少，且较少涉及弹性边界或阻抗声学壁面对声振特性的影响，不符合实际情况，缺少将弹性边界和阻抗声学壁面耦合在一起并面向结构-声振耦合系统的整体研究，极大的制约了复合材料板壳结构低噪声设计的理论研究深度和实际工程应用前景。基于此，本项目根据能量在声振耦合系统中传递过程，采用能量法从局部到整体，分别从结构域、声场域及声振耦合系统逐级递进地开展理论建模与机理研究。首先从计算方法和板壳理论入手，开展了以能量法为基础的位移容许函数和简化板壳理论研究；其次，建立了复杂边界条件和耦合条件下回转类复合材料板壳及组合结构振动特性统一分析模型，研究了边界条件、几何参数、材料参数等参数对结构振动特的影响机理；然后，建立了复杂声学边界条件下回转类声腔声场特性理论分析模型，分析探讨了声学边界参数、声腔几何参数、腔内介质参数、声源位置参数等参数对于声腔声场特性的影响机理；在上述研究基础上，进一步建立了复杂边界条件下回转类复合材料板壳与声腔声振耦合系统理论分析模型，开展了结构边界条件、材料参数和声腔参数等参数对于耦合模态特性和声振耦合特性的影响，进而全面地揭示此类声振耦合系统的声振耦合机理。为了验证上述建模方法及理论分析模型的有效性，开展了相应的实验研究，实验结果证实了建模方法的正确性和理论分析模型的有效性。本课题的研究工作可为回转类复合材料板壳结构进行结构优化设计和噪声控制提供评估依据。