压电复合结构主动吸声理论与方法研究

摘要

被动吸声是指利用材料的声阻抗特性及声学共振等将声能转化成热能而耗损来达到吸声降噪的目的。主动吸声是指从噪声传播途径和受声体上进行控制，它的控制目标是使得吸声材料、结构表面的声阻抗与前方媒质相匹配，声波在其中传播就如同没有分界面一样，从而使得入射声波的反射系数很小或接近于零。它们在不同频率的吸声上有着各自的优缺点，本文在通过分析国内外主动吸声、水下被动吸声研究现状的基础上，提出将压电材料与被动吸声材料、结构结合起来进行主被动复合吸声的方法。建立了压电复合吸声结构的声阻抗预测模型、吸声特性预测模型和有限元模型，对压电复合结构的吸声机理进行了深入系统的研究。论文的主要工作如下：
　　 研究了压电陶瓷、压电复合材料被动吸声时吸声系数和主动吸声时表面声阻抗的理论计算方法。分析了压电材料的被动吸声情况，讨论了压电复合材料中压电陶瓷和橡胶各自对声波衰减所做的贡献，验证了压电材料作为水下主动吸声材料的可能性，为进一步的研究奠定了基础。
　　 压电复合结构进行主动吸声时的解析方法研究。采用传递矩阵法对均匀橡胶层-单压电层、均匀橡胶层-双压电层和非均匀橡胶层-单压电层复合结构的不同橡胶材料属性、物理参数和边界条件下的控制电压幅值和相位进行了理论计算，证明了将压电材料与被动吸声材料、结构结合起来可以有效的拓宽吸声频带。研究结果表明控制电压幅值与无控制电压下的吸声系数关系比较密切，当无控制电压下的吸声系数较高时相应的控制电压幅值也较低。
　　 压电复合结构进行主动吸声时的数值方法研究。考虑了空腔对声波的谐振吸收、水与吸声结构的声固耦合等解析法中未考虑的问题，建立了压电复合吸声结构的多物理场耦合有限元模型，采用有限元软件ANSYS分析了无限水域中压电复合吸声结构对声波的反射特性，计算得到了施加控制电压前后压电复合结构前方的声压云图。
　　 根据压电复合吸声结构的自身特点，采用最优控制理论中的线性二次型最优控制算法和使得声反射声压为零的控制原则建立控制策略，设计了压电复合吸声结构的主动控制系统。该系统利用检测得到的入射和反射声压，通过最优控制策略控制施加在压电材料上的电压，使得压电复合结构表面声阻抗与前方媒质的特性阻抗相匹配，从而达到主动吸声的目的。通过分析控制后压电复合结构表面的声学特性，可以发现控制系统的效果非常明显。
　　 在理论研究的基础上，搭建了压电复合吸声结构的声学特性测试系统。实验结果表明，通过施加合适的控制电压，可以有效的降低压电复合结构在低频段的声反射系数，弥补被动吸声的不足。实验结果与理论计算结果基本吻合。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪 论

2 压电材料的声学特性研究

3 压电复合吸声结构声学性能的研究

4 压电复合吸声结构的多场耦合有限元分析

5 压电复合吸声结构主动控制系统的设计

6 压电复合吸声结构的实验研究

7 全文总结与展望

致 谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录