粘弹性吸声材料力学参数与结构优化研究

粘弹性材料在噪声与振动控制领域有着广泛的应用，对国家战略需求和经济建设有着极其重要的意义。粘弹性阻尼材料动态力学参数是联系基体材料配方与结构设计的桥梁与纽带，复合结构设计是提高材料低频吸声性能的主要手段，目前国内外在对如何将材料与结构有效地结合起来还缺乏必要的认识，本项目将在材料力学参数调控和结构优化设计方面做一些工作，其研究内容包括：①研究多层粘弹性材料特定目标函数的力学参数逆向优化方法，确定有约束条件下力学参数取值范围；②通过分层多重散射模型和有限元数值计算方法研究特定结构的声学性能和低频吸声机理；③通过材料声学性能和力学参数实验验证相关理论模型。本项目重点研究粘弹材料动态力学参数与声学性能之间的相互关系，构建声波入射与反射两个方向的阻抗过渡型梯度结构，从而拓展对低频声波在复合结构中传播特性和能量耗散机理认识，其研究成果期望为发展有效的低频薄层吸声材料提供一个新的技术途径。

粘弹性材料广泛应用于噪声与振动控制领域，对国家战略需求和经济建设有着极其重要的意义。本项目针对动态力学参数调节和复合结构优化两方面进行粘弹性吸声材料研究，取得的研究成果主要包括以下几方面：.（1）粘弹性材料动态力学参数优化研究：应用分层介质波动理论和数值算法优化了粘弹性材料的复弹性模量，并确定了不同背衬条件下有效吸声频段内复弹性模量的取值范围；（2）轴对称空腔覆盖层多重散射方法研究：发展了一种基于分层多重散射方法计算声学结构性能的半数值半解析模型，该模型和通用的有限元方法计算结果相比一致性符合地比较好，但计算量却可以大幅度降低；（3）粘弹性材料动态力学参数测试研究：基于非接触式光学测振和有限元方法反演测试粘弹性材料的复模量，反演结果与动态机械分析仪(DMA)测试结果误差在10%以内,该反演系统可进一步测量变温变压下材料的力学参数；（4）空腔结构声学覆盖层吸声机理研究：研究了典型空腔结构波型变换、局域共振和多重散射等主要吸声机理，分析了材料的动态力学参数、空腔体积、背衬和声波入射角度对吸声系数的影响；（5）水下声学覆盖层制备和低频测试分析：通过DMA和水声声管等仪器测试分析了相关粘弹性材料的动态力学参数和低频吸声性能，并验证了多重散射方法的正确性。经过材料力学参数和空腔结构优化后，制备的声学覆盖层样品吸声系数在500～5500Hz频率内大于0.8。. 此外，本项目也利用力学参数与结构优化的手段拓展了粘弹性材料在其它声学工程领域的应用，具体如下：. （1）高精度超声探头背衬吸声材料：通过环氧树脂改性与多元复合材料理论和实验研究，初步解决了背衬材料中钨粉体积含量增加同时声衰减降低的瓶颈问题，制备的背衬材料样品的吸声性能优异，在医用超声领域具有良好的工程应用价值。 （2）应用于轨道交通的多功能复合声学材料：经过力学参数和结构的优化设计后多层复合材料兼具吸隔声性能，在高速列车受电弓实验平台上力激励条件下测试的降噪量提高达5.1dBA。. 综上所述相关研究成果表明调节力学参数和优化复合结构是提高粘弹性材料声学性能的有效技术手段，对构建粘弹性基体材料配方和吸声结构设计的桥梁有着相当重要的工程价值和现实意义，实现了项目预期的研究目标。本项目发表论文总计18篇，其中期刊论文8篇，会议论文10篇，有6篇论文被EI收录，获得授权专利3项，培养博士生2名。