轻质点阵夹芯结构的声学性能研究

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轻质夹芯结构一般由高刚度、高强度的薄面板和中间轻质且较厚的芯子构成,因其具有低密度、高刚度、高强度等特性,被广泛地应用在航空航天、交通运输、建筑、军事等领域。点阵夹芯结构作为一种新型的轻质夹芯结构,与传统的蜂窝、泡沫、波纹板等轻质夹芯结构相比,具有更高的比刚度与比强度。另外,点阵结构由于其内部区域的贯通性,在多功能应用方面具有巨大的潜力,因此越来越受到人们的关注。目前,对点阵结构的研究主要集中在制备、静力学以及振动、冲击等少数动力学领域,有关声学振动方面的研究较少。本文围绕这一问题,研究了点阵夹芯结构在声波激励下的隔声与吸声性能,建立了相应的理论模型,通过数值计算、有限元仿真和实验等方法对点阵结构的声学性能进行了分析与讨论。主要研究内容如下:首先,研究了各向同性材料金字塔点阵结构的隔声性能。基于经典薄板理论和空间谐波展开法,建立了该结构的声振理论模型。分别通过实验与有限元仿真验证了理论模型的正确性。通过数值计算,分析了入射声波角度、材料弹性模量以及结构尺寸等参数对结构隔声性能的影响,重点讨论了这些参数与几种共振模式的相关性。通过参数分析,阐明了芯杆在隔声问题中发挥的作用。其次,研究了复合材料金字塔点阵结构的隔声性能。采用一阶剪切变形理论及傅里叶变换法,建立了该结构在声激励下的声振理论模型,模型中考虑了拉弯耦合效应。分别通过实验和仿真模拟验证了理论模型的正确性。分析了激励声波和结构材料、尺寸相关参数对结构隔声性能的影响,重点讨论了材料各向异性对传声损失的影响。通过计算对称与反对称层合板点阵结构的隔声性能,总结了纤维铺设模式以及拉弯耦合特性对结构隔声性能的影响。为了进一步提升点阵结构的隔声性能,同时有效地利用结构的内部空间,提出了填充多孔材料至点阵结构内部的设计方案。基于空间谐波展开法及Biot多孔材料理论,建立了含多孔材料的双层金字塔点阵夹芯结构的理论模型。结构中多孔材料填充方式可以分为以下三种:完全填充、单侧填充以及中心填充。分别通过仿真和文献对比,验证了三种填充模式下理论模型的正确性。分析了不同模型的优缺点以及芯杆和多孔材料在隔声方面的作用机理。基于以上三种基础模型,设计并分析了两种新型双层多孔材料填充模式。通过数值计算,分析了多孔材料中流、固相关参数对结构隔声性能的影响;结合工程应用背景,分析了外部流场对结构隔声性能的影响。讨论了点阵结构材料和尺寸等参数对隔声性能的影响。提出了一种综合性能评价指标,并给出了两种降低芯杆的负作用、提升多孔材料隔声作用的设计方案。最后,研究了微孔面心立方结构的吸声性能。点阵结构因为高刚度等特性通常具有优异的隔声性能,但在吸声方面表现较差。为了弥补这一不足,将双层金字塔点阵结构与微孔吸声结构结合,封闭芯子内的贯通空间,设计出含有串并联吸声器的微孔面心立方结构。采用传递矩阵法及声-电类比理论,建立了该结构的吸声理论模型。通过实验与有限元仿真,验证了理论模型的正确性。利用仿真,证明了该结构具有出色的力学性能。通过数值计算,分析讨论了串并联结构中各个子系统的作用,以及结构和微孔的尺寸参数对吸声性能的影响,发现了面心立方结构在吸声方面具有优异的可设计性。基于以上分析,提出了两种提升结构在低频范围内吸声性能的设计方案。在此基础上,通过模拟退火算法,优化了微孔尺寸、壁板厚度以及孔隙率,使结构在中低频范围内获得良好的吸声性能。
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