通过压电模态传感技术实现双层板的结构声有源控制

Double-plate structures are widely used in noise control applications when good sound insulation characteristics have to be achieved. However, the acoustic performance of those double-plate structures deteriorates rapidly at low frequencies around the mass-air-mass resonances, where it can become even worse than that of a single plate. It is evident that a solution that can improve the sound transmission loss through double-plate structures at low frequency range is needed. The aim of this project is twofold. First, it is the aim to establish a mathematical physics model which describes the structural vibration distribution and far-field sound radiation for double-plate structures based on radiation mode approach. Furthermore, a full structural-acoustic coupling model will be developed to analyse the vibration characteristics and predict sound transmission loss. Second, it is the aim to develop a radiation mode sensor strategy for active control acoustic radiation from double-plate structures using piezoelectric smart materials (such as PVDF (Polyvinylidene fluoride) films) by using modal filtering technology. The main idea of the modal filtering is to decompose a large number of discrete velocity distributions into a small number of high quality error signals for the control system. Then a theoretical active structural acoustic control model will be established to increase the sound transmission loss of double plate structures in low-frequency range. The control actuator parameters (such as types, numbers and locations) effect on control performance will be discussed in detail. Final, proposed model will be experimentally verified on real double-plate structures in the laboratory. The radiation mode theory and the application of piezoelectric smart materials are basic research approaches throughout this project. It should be noticed that active control of structural noise by using piezoelectric smart material is current research frontier for the design of active structural acoustic control systems.

双层板结构具有良好隔声性能，但在低频时,特别是在板－空腔－板共振频率附近，其隔声性能会急遽下降。因此研究如何提高双层板结构在低频时的隔声性能有较大的实际应用意义。本课题旨在通过声辐射模态建立双层板结构表面振动分布与远场声辐射的数学物理关系。深入研究双层板结构振动传递及其声辐射物理机制，试图建立一个完整的振动－声耦合模型来预测双层板结构的振动与隔声性能。并通过模态滤波（modal filtering）技术，把振动结构表面大量的离散速度分解为几个高质量的误差信号，在此基础上通过压电智能材料设计声辐射模态传感器。进一步建立结构声有源控制系统的理论模型，以提高双层板的低频隔声性能。探讨作动器作用形式、数目及位置对控制性能的影响，并进行实验验证。声辐射模态与压电智能材料的设计应用作为基本的研究方法贯穿本课题。通过压电智能材料实现结构噪声的有源控制，这正是目前国际范围内研究结构声有源控制系统的前沿。

双层板结构具有良好隔声性能，但在低频时,特别是在板－空腔－板共振频率附近，其隔声性能会急遽下降。因此研究如何提高双层板结构在低频时的隔声性能有较大的实际应用意义。项目以此为背景，建立了一个比较完整的振动－声耦合模型来预测双层板结构的振动与隔声性能。并通过压电智能材料把振动结构表面大量的离散速度分解为几个高质量的误差信号，提出通过压电-声辐射模态概念结合压电阵列设计压电-声辐射模态传感器。进一步设计结构声有源控制系统提高双层板在中低频时的隔声性能。开展研究包括：. （1）建立了比较完整的双层板振动声耦合理论模型，该模型可用于包含不同激励源（如混响声场、压电陶瓷、惯性作动器、空腔中的扬声器）的双层板传声损失预测。并进一步对双层结构的振动稳定性等问题进行了深入分析。. （2）提出了适用于压电PVDF薄膜的压电-声辐射模态理论，该方法的主要优点在于：（a）通过少数前几阶压电-声辐射模态即可得到结构辐射声功率；（b）可以直接利用压电-声辐射模态形状作为压电PVDF阵列测量其幅值所需的加权系数。同时对压电PVDF阵列的故障诊断问题也进行了研究。. （3）通过不同控制策略对双层板结构声有源控制技术进行深入分析，研究表明：只要抵消第一阶压电-声辐射模态幅值，则低频时双层板的声功率就能大幅降低，从而提高双层板结构的传声损失。同时分析通过被动和半主动控制方法控制双层板结构的声辐射。. （4）通过压电PVDF阵列组成压电-声辐射模态传感器，布置在辐射板表面，对双层板进行结构声有源控制实验研究。实验结果表明：当通过压电陶瓷作动器作为控制源时，双层板的前2阶板-空腔-板共振频率附近的声辐射分别下降10.9dB和17.5dB，有效提高了双层板低频隔声性能。. 通过上述研究工作，为双层板的结构声有源控制提供了一种有效的分析设计手段，所得研究结果有助于通过压电智能材料设计更加有效的结构声有源控制系统，具有重要理论和实际意义。