基于压电薄膜的非规则封闭空间噪声主动控制的理论及实验研究

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噪声主动控制是近几十年来研究的热点,其中一个重要的研究分支是封闭空间的噪声主动控制,其应用对象包括汽车驾驶室、飞机机舱和生活起居的房间。针对这些对象,学者们抽象出了各种形状的封闭空间模型,其中主要有长方体模型、圆柱体模型、梯形体模型。前两种模型采用纯解析解的方式建模,梯形体模型则采用数值解和解析解结合的方式建模,而现实生活中结构和声腔存在解析解的情况并不多见。依赖解析解的建模方法虽然简单,但是不利于分析现实生活中封闭空间内的噪声主动控制问题。因此,本文致力于非规则封闭空间噪声主动控制的理论、数值建模及实验研究。 论文以具有双面弹性板的梯形体封闭空间为研究对象,在点力激励下振动的弹性板设置为噪声源,在弯矩激励下振动的弹性板设置为控制声源,通过结构振动实现封闭空间内的主动消声。 PVDF压电薄膜是一种新型的电致伸缩智能材料,相对于脆性的压电陶瓷,它具有很好的柔韧性和耐冲击能力,能够大面积贴附于任意形状的曲面上。考虑到上述优点,论文选择PVDF压电薄膜为作动器以探索其在主动消声方面的控制能力。 论文的研究工作主要分为五个部分:非规则封闭空间结构-声耦合系统的理论建模、理论模型的数值化、PVDF压电薄膜作动器的理论建模及数值计算、非规则封闭空间噪声主动控制的规律研究以及理论和数值模型的实验验证。 首先,论文采用格林函数法分别对外力激励下结构的振速响应和声腔的声压响应进行描述,然后合成为非规则封闭空间的结构-声耦合方程。在此基础上,论文采用格林积分定理证明了一个结论:简支和固支边界条件下弹性板的振速响应可以采用论文导出的方程统一描述。然后,论文借助于弹性板和声腔的有限阶主振型将理论模型离散化,从而建立了数值仿真的计算体系。在数值计算中,发现数值仿真结果和解析结果的不一致现象,经理论证明:这种现象不会影响最终振速响应和声压响应的合成。上述结论是数值模型的理论基础。 为了给数值仿真提供原始数据,论文建立了弹性板和非规则声腔的有限元模型,采用有限元软件ANSYS算出上述模型的各阶固有频率和振型。并且开发了MATLAB和ANSYS之间的接口程序,它可以将ANSYS算得的板模态振型和声模态振型转化为MATLAB的数据格式,为后续的数值计算做准备。 论文以前人的长方体封闭空间模型为检验标准,通过仿真计算得到该模型在点力激励下的声压响应,和前人理论以及实验结果的吻合证明该仿真计算是正确的,该仿真算法在实验中再次得到检验。 论文以应变线性分布为假设前提,首次推导出PVDF应变分布斜率的计算公式,它是计算压电薄膜和薄板之间作用力的关键物理量。该公式也是压电陶瓷应变分布斜率计算公式的一般形式,用它计算压电陶瓷和钢板之间的作用力,能够准确复现前人的计算结果;用它计算压电薄膜和铝板之间的作用力,得到了静态弯矩随薄膜厚度的变化曲线。在此基础上,论文进一步分析了非规则封闭空间在PVDF压电薄膜单独激励下的结构响应和声压响应。 论文将点力和PVDF的集中弯矩分别作用于梯形体封闭空间的两个弹性板上,建立了非规则封闭空间结构-声耦合的理论模型,并分析了该模型的消声机理。在此基础上,论文以声压平方作为控制目标函数,获得如下结论:将初级激励源和控制激励源到传声器的传递函数相除,则容易得到控制激励源的最优复控制电压。 论文最后进行了非规则封闭空间主动消声的实验,主要分为声压响应实验、相位调整实验和单频控制实验。声压响应实验获得的结果与论文数值模型的计算结果基本吻合,相位调整实验和单频控制实验反映的消声规律和理论分析的结果一致。
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