考虑机械连接的双层板结构-声耦合特性建模与主动控制研究

Double panel structures are widely used in various engineering branches due to the outstanding advantages of low-mass and high-performance. A clear understanding on their dynamic characteristics, structural-acoustic coupling mechanism and acoustic insulation performance is the necessary prerequisite and foundation to develop the low noise design and noise control of such complicated systems. In this project, the prediction model for structural-acoustic coupling behavior and energy transmission is established of a mechanically linked double panel structural-acoustic coupling system. To remove the limitation of the existing study on this topic, the multi-dimensional improved Fourier series method will be employed to propose the theoretical model for the dynamic characteristics of a mechanically linked double panel structure, and the structural-acoustic coupling behavior of a three-dimensional acoustic cavity with double panel partition is proposed systematically. Then the natural frequencies, mode shapes and forced response for the structural-acoustic coupling system are presented. Based on the model developed, the influence of main system parameters, such as the boundary conditions of the structure, the positions of the mechanical links, multi-point distribution functions and connection stiffness, on the structural-acoustic performance will also be investigated and revealed. In addition, the active control simulation study is investigated for the complicated structural-acoustic coupling system. It is believed that the studies of this project can provide theoretical basis for the optimization of double panel structure, open out the internal relations between energy transmission path and active control strategy, and increase the understanding of the structural-acoustic coupling mechanism of the complicated systems.

由于双层板结构具有低质量高性能的突出优点，被广泛应用于船舶工程领域。对双层板结构动力学特性、声振耦合机理及隔声性能的全面理解，是开展复杂工程系统低噪声设计与控制的重要前提和基础。本课题完整建立考虑机械连接的弹性双层板结构-声耦合系统声振特性与能量传输预报模型，对其进行声振特性分析及控制。针对现有理论建模技术的局限性，应用多维改进傅立叶级数法系统建立考虑机械连接的双层板结构动力学模型，及其作为空间隔板情况下的结构-声耦合系统声振特性预报模型。求解全耦合系统声振固有频率、模态分布及强迫响应，全面探讨结构边界条件、机械连接位置、多点分布形式以及连接刚度等关键参数对系统声振特性的影响规律。在此基础上，针对上述结构-声耦合系统进行主动控制研究。本课题旨在为双层板系统模型优化提供理论基础，揭示系统能量传递路径与控制策略之间的内在联系，同时加深对复杂结构-声耦合系统振动噪声本质的认识和理解。

结构-声耦合系统广泛应用于船舶工业、航空航天、建筑工程等各个工程领域，在外部激励作用下耦合系统通常会表现出复杂的声振特性，可能导致更为严重的振动噪声问题，影响工程系统的安全性与可靠性。因此，预测分析复杂结构-声耦合系统的声振特性与能量传递机制，并根据实际需求进行有源控制研究对于工程系统优化设计、振动噪声控制和不确定性分析具有重要意义。.本项目以考虑机械连接的双层板结构-声耦合系统为研究对象开展了如下工作：首先对考虑机械连接的双层板结构进行理论建模，基于改进傅立叶级数法对耦合结构振动位移函数进行描述，并结合能量原理与瑞利里兹法获得系统控制微分方程。通过求解耦合结构自由振动模态特性与强迫振动响应特性对所建立理论模型进行验证，同时重点分析两个弹性板结构之间机械连接数目、位置及分布形式等物理参量对系统能量传递机制带来的影响。然后考虑具有机械连接的双层板结构在室内声场中的耦合效应，建立双层板结构作为空间声场隔板的复杂结构-声耦合系统理论模型，分析复杂结构-声耦合系统声振特性与耦合机制。通过与数值软件及现有文献结果相比较，验证了本方法的准确性和有效性，进一步考虑结构边界条件、中间声腔深度、隔板所处位置以及机械连接情况等关键因素与耦合系统能量传递路径之间的对应关系。最后采用二次最优控制原理，以耦合系统中接收声腔观测点的声压水平为目标函数，选取噪声主动控制与振动主动控制两种不同控制策略，求解最优次级控制力，建立耦合系统有源控制预报模型，揭示不同控制策略下次级激励位置对控制效果的影响，为复杂结构-声耦合系统振动噪声控制与低噪声设计提供新的思维和方法参考。