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原文传递泡沫和蜂窝夹芯板的传声特性研究

论文题名：	泡沫和蜂窝夹芯板的传声特性研究
关键词：	高速列车;泡沫夹芯板;蜂窝夹芯板;粘弹性芯层;传声特性
摘要：	如何在不增加重量的情况下，显著提高车体的隔声性能是安静型高速列车研制过程中面临的一个重要问题。泡沫和蜂窝夹芯板等轻质结构具有“高静低动”的力学性能，广泛应用于航空航天、高速列车、汽车、舰船等运输装备中。但是，这一类轻质结构的隔声性能通常很差。因此，研究泡沫和蜂窝夹芯板的隔声规律具有重要学术和工程应用价值。以高速列车车体的振动噪声控制为应用背景，对扩散声场激励下泡沫和蜂窝夹芯板的隔声性能进行了系统的研究。研究中基于梁表观弯曲刚度预测，提出一种夹芯板隔声量的高效计算方法，以此为基础，揭示了兼具优异静力学性能和宽频高隔声性能夹芯板的参数影响规律，给出了一种基于表观弯曲刚度的设计准则和实现办法，解决了复杂夹芯板声学设计中缺乏关键参数依据的问题。此外，还提出了一种确定粘弹性芯层复剪切模量的方法。本文的主要研究内容及创新点如下：　　（1）提出了一种基于梁表观弯曲刚度预测的夹芯板隔声量的计算方法。即通过有限元对夹芯梁的固有频率的分析，计算出相应夹芯板的表观弯曲刚度。利用随频率变化的表观弯曲刚度，再结合模态展开法计算夹芯板在扩散声场激励下的隔声量。与现有的商业软件直接计算夹芯板隔声量的FEM相比，该方法具有物理概念清晰，且计算精度高、计算速度更快的优点。夹芯板可以是多层，面板的厚度和材料可以不同，边界条件也可以不同。重点研究了芯层剪切模量对隔声量和吻合区域的影响。给出了计权隔声量和剪切模量之间的关系，为设计具有优良声学性能的夹芯板提供了必要的理论指导。　　（2）提出了临界表观弯曲刚度的概念和计算方法。即定义使夹芯板隔声量达到质量定律时的表观弯曲刚度为临界表观弯曲刚度，以此作为高隔声性能夹芯板的设计准则。基于获得的临界表观弯曲刚度，可以直接指导设计具有“高静低动”特性的复杂夹芯板结构，从而实现在具有足够承载刚度的同时，具有宽带高隔声性能。另外，提出了在芯层中间引入低比模量的粘弹性层的思路，理论与实验结果表明，引入的穿孔橡胶层显著地降低了夹芯板的动态弯曲刚度，同时保持了较高的静态弯曲刚度，在较宽的频率范围内能够达到同质量均质板的质量定律。　　（3）解析计算了穿孔蜂窝结构芯层的夹芯板的动态弯曲刚度和隔声量，并基于有限元方法分析了这些结构的静态弯曲刚度和抗压刚度。研究了蜂窝形状、穿孔的形状、数量以及壁厚对夹芯板的振动声学和力学性能的影响。此外，基于空间谐波展开和模态展开法两种理论，提出了一种预测单向加筋夹芯板隔声量的计算方法，分析了芯层剪切模量、加筋夹芯板的损耗因子和加筋间距等关键参数对加筋夹芯板隔声量的影响。该研究为预测加筋夹芯板隔声量提供了一种可行的计算思路。　　（4）利用遗传算法对自由-自由边界条件下约束粘弹性材料层的梁传递函数的解析解与实测结果进行拟合，对粘弹性芯层材料随频率变化的复剪切模量进行确定。通过改变夹芯梁的长度，可以实现在广泛的频率范围内表征粘弹性材料的动态参数。最后，将表征的粘弹性层的复剪切模量导入有限元模型，计算夹芯梁的复固有频率。计算与测量的对比结果表明，实部的误差在2.33％以内，虚部的误差在3.31%以内。该研究为通过引入粘弹性材料改善夹芯板的声学振动特性的研究提供了必要的技术支持。
作者：	康鲁迪
专业：	机械工程
导师：	刘碧龙
授予学位：	博士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2022