基于壓電薄膜的非規(guī)則封閉空間噪聲主動控制的理論及實驗研究.pdf

1、噪聲主動控制是近幾十年來研究的熱點，其中一個重要的研究分支是封閉空間的噪聲主動控制，其應(yīng)用對象包括汽車駕駛室、飛機機艙和生活起居的房間。針對這些對象，學(xué)者們抽象出了各種形狀的封閉空間模型，其中主要有長方體模型、圓柱體模型、梯形體模型。前兩種模型采用純解析解的方式建模，梯形體模型則采用數(shù)值解和解析解結(jié)合的方式建模，而現(xiàn)實生活中結(jié)構(gòu)和聲腔存在解析解的情況并不多見。依賴解析解的建模方法雖然簡單，但是不利于分析現(xiàn)實生活中封閉空間內(nèi)的噪聲主動控制

2、問題。因此，本文致力于非規(guī)則封閉空間噪聲主動控制的理論、數(shù)值建模及實驗研究。 論文以具有雙面彈性板的梯形體封閉空間為研究對象，在點力激勵下振動的彈性板設(shè)置為噪聲源，在彎矩激勵下振動的彈性板設(shè)置為控制聲源，通過結(jié)構(gòu)振動實現(xiàn)封閉空間內(nèi)的主動消聲。 PVDF壓電薄膜是一種新型的電致伸縮智能材料，相對于脆性的壓電陶瓷，它具有很好的柔韌性和耐沖擊能力，能夠大面積貼附于任意形狀的曲面上?？紤]到上述優(yōu)點，論文選擇PVDF壓電薄膜為作動

3、器以探索其在主動消聲方面的控制能力。 論文的研究工作主要分為五個部分：非規(guī)則封閉空間結(jié)構(gòu)-聲耦合系統(tǒng)的理論建模、理論模型的數(shù)值化、PVDF壓電薄膜作動器的理論建模及數(shù)值計算、非規(guī)則封閉空間噪聲主動控制的規(guī)律研究以及理論和數(shù)值模型的實驗驗證。 首先，論文采用格林函數(shù)法分別對外力激勵下結(jié)構(gòu)的振速響應(yīng)和聲腔的聲壓響應(yīng)進行描述，然后合成為非規(guī)則封閉空間的結(jié)構(gòu)-聲耦合方程。在此基礎(chǔ)上，論文采用格林積分定理證明了一個結(jié)論：簡支和固支

4、邊界條件下彈性板的振速響應(yīng)可以采用論文導(dǎo)出的方程統(tǒng)一描述。然后，論文借助于彈性板和聲腔的有限階主振型將理論模型離散化，從而建立了數(shù)值仿真的計算體系。在數(shù)值計算中，發(fā)現(xiàn)數(shù)值仿真結(jié)果和解析結(jié)果的不一致現(xiàn)象，經(jīng)理論證明：這種現(xiàn)象不會影響最終振速響應(yīng)和聲壓響應(yīng)的合成。上述結(jié)論是數(shù)值模型的理論基礎(chǔ)。 為了給數(shù)值仿真提供原始數(shù)據(jù)，論文建立了彈性板和非規(guī)則聲腔的有限元模型，采用有限元軟件ANSYS算出上述模型的各階固有頻率和振型。并且開發(fā)了M

5、ATLAB和ANSYS之間的接口程序，它可以將ANSYS算得的板模態(tài)振型和聲模態(tài)振型轉(zhuǎn)化為MATLAB的數(shù)據(jù)格式，為后續(xù)的數(shù)值計算做準(zhǔn)備。 論文以前人的長方體封閉空間模型為檢驗標(biāo)準(zhǔn)，通過仿真計算得到該模型在點力激勵下的聲壓響應(yīng)，和前人理論以及實驗結(jié)果的吻合證明該仿真計算是正確的，該仿真算法在實驗中再次得到檢驗。 論文以應(yīng)變線性分布為假設(shè)前提，首次推導(dǎo)出PVDF應(yīng)變分布斜率的計算公式，它是計算壓電薄膜和薄板之間作用力的關(guān)鍵

6、物理量。該公式也是壓電陶瓷應(yīng)變分布斜率計算公式的一般形式，用它計算壓電陶瓷和鋼板之間的作用力，能夠準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)前人的計算結(jié)果；用它計算壓電薄膜和鋁板之間的作用力，得到了靜態(tài)彎矩隨薄膜厚度的變化曲線。在此基礎(chǔ)上，論文進一步分析了非規(guī)則封閉空間在PVDF壓電薄膜單獨激勵下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和聲壓響應(yīng)。 論文將點力和PVDF的集中彎矩分別作用于梯形體封閉空間的兩個彈性板上，建立了非規(guī)則封閉空間結(jié)構(gòu)-聲耦合的理論模型，并分析了該模型的消聲機理。在此