基于分层理论的层合板结构声辐射及其低噪声设计分析

Low-frequency noise of vibration structure has been the inevitable aspect of structural low noise design of the aerospace, marine and other areas. In this program, based on the layered finite element models, the acoustic radiation properties and low noise design analysis of the composite laminated plates will be under study. Because of the complexity of kinetics analysis of the actual laminated composite plate, the combination of the layered theory with finite element will be used to process the vibration of laminated composite plates. Acoustic radiation modes,with the characteristic of orthogonality and low frequency, are introduced to the process of the sound radiation and low noise design and analysis of laminated composite plates. Low level acoustic radiation mode amplitude is essential to low noise design of laminated composite plate. In order to facilitate the low noise design analysis of actual structure, the low frequency acoustic radiation modes are supposed to be developed. To obtain the amplitude inforamtion of the low frequency acoustic radiation modes in compliacted boundary conditions, the finite point measurement, which is based on orthogonal radiation modes, and piezoelectric sensor array measurement,which is based on curve fitting, are proposed. On this basis, the low noise parameters of the laminated coposite plates wii be optimized and analyzed with experiments.. The result of this research can provide new ways of thinking and new methods of reducing vibration and noise of laminated composite plates, which is of theoretical significance and practical application.

低频噪声一直是航空航天、船舶等领域结构低噪声设计不可避免的环节。本项目基于分层有限元模型研究复合材料层合板结构的声辐射特性及低噪声设计分析。由于实际复合材料层合板动力学研究的复杂性，本项目拟通过采用分层理论结合有限元，处理复合材料层合板结构的振动环节。鉴于声辐射模态存在正交性和低频特点，将其引入到复合材料层合板结构声辐射环节和低噪声设计与分析过程。低阶声辐射模态幅值对于复合材料层合板结构低噪声设计至关重要。为了便于实际结构低噪声设计分析，提出了对中低频率下的声辐射模态的改进。对于复杂边界条件下复合材料层合结构低阶声辐射模态幅值信息的获取，提出基于声辐射模态正交性的有限点测量法和基于曲线拟合的压电阵列式传感器测量法。在此基础上，对复合材料层合板低噪声的结构参数进行优化设计。并通过试验方法进行分析。.项目研究成果可为复合材料层合板结构的减振降噪提供新思路和新方法，既有理论意义又有实际应用。

层合板结构作为一种航空航天等领域的结构件，必然面临振动与声问题。研究层合板结构声辐射及其低噪声设计分析非常有必要。. 本项目针对层合板的振动特性进行了分析。采用分层理论结合有限元方法分析板结构固有频率和振型以及影响因素。验证了该方法的有效性和计算精度性。得出了层合板纤维铺设角度和铺设方式对固有频率影响最大。推导了热环境下层合板结构热振动特性。利用模拟退火算法针对层合板以固有频率为目标函数、铺层角度和温度为双设计变量进行了优化计算。. 其次，理论和试验上分析了层合板的声辐射特性。针对层合板结构受迫振动，理论上求解得到声辐射模态幅值和声辐射功率。讨论了影响声辐射特性的结构参数。得到一系列重要结论：纤维铺设角度、铺设方式对层合板声振特性有较大程度影响。在相同条件下，45度铺设时辐射声功率最小。. 首次从理论和试验两方面获取了层合板声辐射模态幅值。设计了PVDF阵列式传感器获取层合板结构声辐射模态幅值。其次，通过测量有限点的速度，利用最小二乘法获取了声辐射模态幅值近似值，基于遗传算法对有限测量点进行优化，实现了控制声辐射最小化。试验方面通过设计阵列式PVDF传感器测量了层合板结构声辐射模态幅值及声功率。分析了PVDF压电薄膜粘贴数目、位置、位置优化等对测量结果及加权系数的影响。对比了加速度传感器测量结果，说明了PVDF传感器的优势。. 在层合板结构低噪声优化设计方面，首先基于声辐射模态理论求解了层合板声辐射功率和声功率关于铺设角度和铺层厚度的灵敏度。其次，以固有频率和辐射声功率为优化目标，利用多种优化方法对层合板结构进行优化设计，得到结构最优铺设角度和铺设方式。结果表明，通过对铺层顺序优化可有效的改善层合板的声振特性。. 最后讨论了层合板结构的稳定性，分析了结构参数和边界条件对临界载荷的影响。同时对层合板的频率和稳定性进行了双目标优化。. 本项目研究结果可为层合板结构减振降噪及稳定性研究提供最优铺设角度和铺设方式。其次，可为复合材料结构声特性分析提供有效的测量手段。