敷设多孔介质吸声层和约束层阻尼结构复杂空腔的中频建模和声振特性分析研究

Flexible cavities are widely used in the national defense, aerospace and transportation ect，and its noise level is an important indicator of the design quality. Porous sound absorption materials can effectively inhibit the propagation of sound waves, and constrained layer damping treatments can effectively reduce the vibration of sound source structures，so they have gradually become the effective means for the noise and vibration reduction. Therefore, researches on the vibro-acoustic characteristics of a cavity covered with porous sound absorption materials and constrained layer damping treatments have widely engineering application background and important theoretical significance. On the other hand, FEM and SEA have been successfully applied to the vibro-acoustic characteristic analysis in the low frequency and high frequency range respectively, but an effictive and mature method is still needed to investigete in the intermediate frequency range. Aiming at the deficiencies in this area, adopting the domain decomposition principle and combining with the radial point interpolation technology, FEM, Boit theory, and fast wave superposition method, we will attempt to establish a new model for the intermediate frequency vibro-acoustic characteristic analysis of a cavity covered with porous sound absorption materials and constrained layer damping treatments. In addition, an accurate and efficient method will be constructed in the projection. On this basis, the intermediate frequency vibro-acoustic characteristics of the cavity will be further explored, and the influence of the structural parameters on the vibro-acoustic characteristics will also be revealed. The projection is hopeful to provide a powerful solution and theoretical basis to the intermediate frequency vibro-acoustic characteristics analysis and acoustic optimization of the cavity covered with porous sound absorption materials and constrained layer damping treatments.

弹性空腔结构广泛应用于国防、航空航天和交通运输等领域，其空腔噪声水平已成为衡量设计质量优劣的重要指标。多孔吸声材料可有效抑制声波的传播，而约束层阻尼结构可有效减小声源结构的振动，已逐渐成为减振降噪的有效手段。因此，研究敷设多孔吸声层和约束层阻尼空腔的声振特性具有广泛的工程应用背景和重要的理论意义。另一方面，有限元法和统计能量法已分别成功地运用于低频和高频的声振分析，但在中频段还没有一种成熟有效的方法。本项目正是针对这方面研究的不足，利用区域分解的原理，结合径向点插值技术、有限元原理、Boit理论和快速波叠加法等，试图建立一种在中频段分析敷设多孔介质吸声层和约束层阻尼的弹性空腔声振特性的新模型，同时创建一套高效精确的数值计算方法，对该类结构的中频段声振特性进行深入的研究和分析，揭示各种参数对空腔内声学特性的影响规律，为空腔结构中频段的声振特性分析和声学优化设计提供一种有力的解决方法和理论。

在航空、航天、交通运输等工程领域，许多结构都存在弹性空腔，如飞机舱室、汽车车厢等。弹性空腔结构的振动噪声不仅降低乘坐舒适性，还会影响结构寿命和安全。多孔吸声材料可有效抑制声波的传播，而约束层阻尼结构可有效减小结构的振动，它们已逐渐成为结构减振降噪的有效手段。因此，研究敷设多孔吸声层和约束层阻尼空腔的声振特性具有广泛的工程应用背景。.有限元法和统计能量法已分别成功地运用于空腔结构的低频和高频声振分析，但在中频段还没有一种成熟有效的方法。因此，本项目考虑流固耦合作用，结合光滑有限元原理、精细积分法和Boit理论等，建立了含多孔介质吸声层和约束层阻尼弹性空腔声振特性的新模型，创建了一套可适用于该类结构中频分析的数值计算方法，并搭建了相应的空腔声振实验平台。在此基础上，对此类复合结构的声振特性进行了研究和优化。取得的主要成果是：（1）基于Biot理论和经典板壳理论，建立了各种多孔介质结构的解析模型，并借助层间连续性条件建立了含多孔介质叠层结构的力学模型。在此基础上，基于齐次扩容精细积分法提出了一种分析此类复合结构动力学特性的半数值半解析算法。（2）采用可辐射强指向性声场的等效源替换传统的球波等效源，改进了传统的源强模拟技术，有效改善了声场反演时系统矩阵的病态，进而提高声场在中频段内的模拟精度。（3）考虑声场与结构的耦合作用，采用光滑梯度技术，建立了复合空腔结构和声场的光滑有限元模型，有效软化了离散系统的刚度，使有限元法能拓展用于复合空腔中频段内的声振耦合分析。（4）搭建了实验平台，测试了复合空腔的声振特性，并通过实验和数值计算结果的比较验证了所建模型的精度；（5）分析了复合空腔的声振特性，揭示了敷设方式和结构参数等对减振降噪效果的影响，并利用径向基神经算法和遗传算法对结构进行了优化设计。项目的研究方法和成果可为复合空腔全频段振动噪声控制和声学系统的设计与优化提供一定的理论和技术支撑。