磁流变液夹层板结构声学特性与控制研究

This study focuses on the problem of poor effectiveness of passively reducing noise in low frequency, and high complexity and low reliability of actively reducing noise control system for the lightweight sandwich structures which have high ratio of stiffness to mass and are easy to transfer and radiate noise. In this study, the primary problem is the smart sandwich panel structure with the core layer of magnetorheological fluid (MRF) whose sound impedance and damping both can be adjusted. Theoretical analysis, numerical simulation and experimental test are combined to carry out the basic scientific research on the acoustic characteristics and control of the smart sandwich structure. The major problems investigated are: based on the MRF rheological constitutive model obtained by experiments, the sound transmission loss (STL) model of the sandwich panel structure with MRF core layer (SPS-MRF) and its coupling model of the structure finite element and acoustic boundary element are established, the research on sound propagation and radiation characteristics are carried out; the optimization of matching relationship for the acoustic impedance between two adjacent interfaces in SPS-MRF is investigated, and the topology optimization is performed for the MRF position in the SPS-MRF; the self-adaptive hybrid active-passive control algorithm for the radiated sound power of SPS-MRF is designed. The expected motivations of this project aim to reveal the noise reduction mechanism of SPS-MRF, and provide theoretical guidance and decision assistance for the acoustic performance optimization and control of SPS-MRF.

本项目针对具有高刚度质量比的轻质夹层结构易传递和辐射噪声，聚焦其被动降噪低频效果不佳、主动降噪控制系统复杂度高、可靠性低的问题，以芯层材料为声阻抗和阻尼皆可控的磁流变液的智能夹层板结构为研究对象，采用理论分析、数值仿真和试验测试的研究手段，重点开展其声学特性与控制的基础科学研究。具体内容包括：基于试验获取的磁流变液流变本构模型，建立磁流变液夹层板结构的传声损失模型，以及有限元与边界元耦合模型，开展磁流变液夹层板的声传播与声辐射特性研究；优化磁流变液夹层板相邻界面声阻抗的匹配关系，以及磁流变液在夹层板中的填充布局；设计磁流变液夹层板结构辐射声功率的自适应主、被动混合控制算法。研究成果将揭示磁流变液夹层板结构的隔声降噪机理，挖掘其降噪潜力，并为智能夹层板结构声学性能的优化与控制提供理论基础与决策支持。

为解决轻质夹层板结构的噪声传播和辐射问题，拓宽其隔声降噪频带，本课题采用理论分析、数值仿真和试验测试相结合的研究手段，开展了磁流变液及以磁流变液为芯层材料的夹层板结构的声学性能研究。基于试验测试研究了磁场强度大小和作用方向对磁流变液单元体隔声性能的影响规律，研究表明磁场作用方向显著影响磁流变液的隔声性能，在声传播方向上的磁场可以明显改变磁流变液单元体的隔声性能，不同磁场强度作用下磁流变液单元体的最佳隔声量出现在不同频带内；基于波阻抗分析法建立了磁流变液夹层板的传声损失数学模型，编写了磁流变液夹层板的传声损失计算程序，研究了励磁电流、磁流变液夹芯层厚度、夹层板的面层厚度和材料对夹层板传声损失的影响规律；为探究夹层板中磁流变液柱对磁流变液夹层板声学性能的影响，建立了不同结构形式的磁流变液夹层板声学有限元模型，研究了磁场强度、不同磁流变液柱高度以及不同的磁流变液柱布置对夹层板辐射声压级的影响规律；搭建了磁流变液夹层板的传声损失测试系统硬件平台，基于LABVIEW设计了测试系统的软件程序，并利用所搭建的声学测试系统对磁流变液夹层板的传声损失进行了试验研究；针对夹层板结构设计准则之间相互矛盾的问题，基于夹层板的双目标优化模型，采用改进型非支配排序遗传算法NSGA-II，从夹层板的芯层材料、几何约束和力学约束等角度，对轻质夹层板的轻量化与隔声性能最大化问题进行了双目标优化研究。本课题的研究结论揭示了磁流变液夹层板结构的隔声降噪机理，为智能夹层板结构声学性能的优化与控制提供了理论基础与决策支持。