粘弹性阻尼复合结构声辐射的复模态分析与控制研究

Analysis and control of acoustic radiation from viscoelastic damping structures has very significant theoretical meaning and applications. This project first is going to develop a complex modal analysis method for the vibration and acoustic radiation of fluid-loaded viscoelastic damping structures. The analysis method will take account of the frequency-dependent modulus and loss factor of the viscoelastic damping materials and the frequency-dependent added mass and damping of the fluid loading. Second, the acoustic radiation characteristics of the real modes and different complex modes of plates and cylinders with different surface damping treatment will be compared based on parameters for the quantification of complex mode shape complexity, complex modal coupling and decoupling approximation errors, supersonic intensity and fluid-loading effects to show the noise abatement mechanism of the viscoelastic damping materials. Third, for the control of the acoustic radiation, a topology optimization theory will be developed to obtain the optimal distribution of the viscoelastic materials, the controllability and observability of the complex modes and the active control of the viscoelastic damping and the complex modes will be studied. Finally, the lowest points in acoustic radiation in frequency response will be discussed based on the modal coupling between two resonances. The analysis and control methods to be developed in this project will be constructed and validated with experimental results.

粘弹性阻尼复合结构声辐射的分析和控制研究具有重要的理论意义和应用前景。本项研究首先建立流体加载下粘弹性阻尼复合结构振动声辐射的复模态分析方法，所建立的方法能考虑粘弹性阻尼材料模量和损耗因子的频变特性以及流体附加质量和附加阻尼的频变特性。其次，以不同构型的自由阻尼板、约束阻尼板及敷设橡胶覆盖层的圆柱壳结构为研究对象，从复模态复杂性表征指标、耦合特性及退耦近似误差、超声速声强和流体加载效应等方面系统深入地分析和对比实模态和不同复模态的声辐射特点，揭示粘弹性阻尼的降噪机理。然后，研究建立粘弹性阻尼材料降噪的最优分布理论和方法，并进行复模态声辐射主动控制的可控可观性研究和主动粘弹性阻尼复模态控制研究。最后，还将从相邻模态声辐射的耦合作用揭示结构声辐射最小值的形成机理。本项目采用理论研究与实验相结合的方法，对粘弹性阻尼复合结构声辐射的建模和分析方法、控制机理、控制效果等都将进行实验验证。

近年来随着对舰船噪声（舱室噪声和水下辐射噪声）、汽车噪声和飞机噪声越来越严格的要求和控制，粘弹性阻尼结构声辐射的分析和控制研究越来越凸显重要性，目前对粘弹性阻尼结构声辐射分析和降噪机理的研究都存在如下两个问题：（1）使用的阻尼模型不能准确表征粘弹性阻尼材料的动态力学性能；（2）没有从粘弹性阻尼所导致的复模态本质上进行粘弹性阻尼结构声辐射的分析和控制研究，因此，本项目致力于在正确处理粘弹性阻尼材料损耗因子的频变特性和形变特性基础上，解决了粘弹性阻尼材料频变的模量和损耗因子情况下的阻尼复合结构复模态求解问题，以及考虑流体加载时频变的流体附加质量和附加阻尼情况下的结构复模态求解问题，基于GHM模型建立了流体加载下粘弹性阻尼复合结构声辐射的复模态分析理论和方法；从复模态复杂性表征指标、模态耦合特性、退耦近似准则、声辐射热点、可控可观性和流体加载效应等方面对比了实模态和不同复模态的声辐射特点，揭示了粘弹性阻尼复合结构复模态声辐射的特性和机理；基于拓扑优化技术研究了考虑结构宏观阻尼吸声性能最优的粘弹性阻尼覆盖层的拓扑优化设计问题，在宏观尺度上建立了吸声性能最优的阻尼材料布局优化设计的理论和方法；研究了粘弹性阻尼材料降噪的最优分布理论和方法，基于复模态声辐射的可控可观性和控制机理研究了主动粘弹性阻尼和复模态声辐射控制；提出了结构振动声辐射最小响应的计算方法和配置方法，从相邻模态声辐射的耦合作用揭示了结构声辐射极小值和最小值的形成机理和特性。项目研究成果可用于敷设粘弹性阻尼的舰船结构、汽车结构和飞机结构等的振动声辐射机理分析、模态分析和模态参数识别、响应预报、测量与控制。