『鐘鼓樓』⑨混合TMM-SEA方法预测通过机械耦合飞机双墙结构的传声损失。

导读：本文介绍了一种混合TMM（传递矩阵法）/SEA（统计能量分析）方法的详细实验验证，该方法可预测通过机械耦合飞机双墙的声音传输。使用代表大频带上复合飞机机身横截面的轻型结构，研究了模型的准确性。所研究的结构由代表主要结构的厚复合夹芯板组成，衬有隔音层（玻璃棉），并通过隔振器在结构上连接至代表内部装饰板的薄复合夹芯板。考虑了三种类型的隔振器：柔性，刚性以及硬质的机械连接。结果表明，传递矩阵模型能够预测由不同结构耦合引起的整体传递的变化。建模的局限性主要归因于振动隔离器动态刚度测量的不确定性，该不确定性直接传播到耦合损耗因子，进而传播到传输损耗。

Highlights：轻型双墙复合结构在现代飞机设计中已得到了越来越多的考虑与应用；提出混合TMM-SEA方法进行飞机机身轻型结构在中高频范围内传声损失的详细实验验证，这种方法非常适合发展为高级设计阶段的工具。

引言：由于轻型双墙复合结构具有良好的刚度与重量比，因此在现代飞机设计中已得到了越来越多的考虑。这种结构由装饰性复合板组成，该装饰性复合板附在具有周期性间隔的弹性底座的外壳复合板上，并填充有空气和吸收性材料。但是，典型的飞机侧壁板没有提供合适的隔音或良好的减振特性，并且它们在降低声音传输方面的效率最低。在理解此类结构的行为和建模方面，尚未达成共识。存在不同的方法来解释通过双墙系统的声音传输的建模。一些方法的总结可以在参考文献中找到。在中高频中，对时间的高要求和计算资源的结合使常规的确定性分析方法既不经济也不具有吸引力。

传递矩阵法（TMM）提供了一种替代形式，可以表示复杂结构在很宽的频率范围内的声振行为。这是一种通用方法，它基于平面波在无限横向尺寸的平面多层结构中的传播，该结构由将速度和应力联系起来的传递矩阵表示。该方法是高频方法，因为它忽略了横向边界条件的影响，因此也忽略了系统的模态行为。本文提出了一些扩展措施以考虑结构的有限尺寸效应，以增强低频预测。相关文献已详细介绍了使用TMM对单个夹心复合板的传输损耗进行建模的方法。本文同时研究了TMM的其他扩展，以预测具有机械连接的双墙（DWL）结构的传输损耗。Vigran使用从Sharp提出的半经验模型得出的技术，将结构传递方法集成到重型DWL结构的传递矩阵方法中。首先，他的方法假设链接是无限刚性的。然后，通过引入具有与频率相关的平移刚度的弹簧来扩展模型以考虑弹性元件。

Guigou-Carter和Villot使用混合模型来计算带有双头螺栓的轻质双墙的隔音，其中每个传输路径用不同的表达式描述。对于空气路径，他们将叶片建模为无限的板块，并通过波动法求解。然而，对于结构路径，取决于频率范围（分别为中频和高频），通过线连接或点连接来考虑连接它们的钢钉，并通过统计能量分析进行求解。

Legault和Atalla使用连杆的四极建模方法研究了机械连杆对飞机结构典型双面板传动的影响，该模型将连杆的实验轴向动态刚度整合在一起。

最近，Atalla对双墙系统的声音传播进行了详细的数值研究，该系统由两块扁平的薄复合板组成，该复合板由一个部分填充泡沫并带有6个线性弹性弹簧的空腔隔开。他使用一种解耦方法，假设总传输在两个相加且独立的传输路径（空气和结构传播）中解耦，其中用于空气路径的经典TMM与用于结构路径的混合统计能量分析（SEA）方法相结合。发现由于连接的插入和激励特性的影响，TMM很好地捕获了TL的减小。

在上述论文中，作者介绍并比较了典型轻型DWL结构的各种分析和数值方法。尽管有丰富的文献对具有机械连接的轻型DWL系统的声音传输建模进行了研究，但很少有已发表的关于它们的实验验证的研究，尤其是关于结构连接对声振传输影响的研究。

本文的目的是提出一种混合TMM-SEA方法的详细实验验证，该方法可预测代表飞机机身在中高频范围内的轻型结构的声音传输，作为适合高级设计阶段的工具。该方法由全局平均参数定义，并通过其阻尼和耦合损耗因子（CLF）表示结构。还讨论了确定面板属性作为TMM-SEA模型输入的实验和理论方法。在扩散声场激励下，在100 Hz至10 kHz的较大频率范围内进行分析。所研究的结构由代表主要结构的厚复合夹芯板组成，衬有隔音层（玻璃棉），并通过隔振器在结构上连接至代表内部装饰板的薄复合夹芯板。考虑了三种类型的隔振器：柔性，刚性以及硬质的机械连接。研究了结构连接对所研究飞机机身结构传输损耗的影响。

本文分为四个部分。参考文献中提供的模型的简要概述；隔振器的动态刚度、CLF和通过隔振器连接的两个板的TL的测量方法的描述；专门讨论了动态刚度的测量结果，以及理论和实验CLF和传输损耗之间的比较。

理论：在本节中，我们介绍一种使用混合TMM-SEA方法的简单方法，以预测通过包括隔振器的双墙系统的声音传输损耗。介绍了SEA试验方法，该方法用于测量由包括隔振器的双层结构的结构传播路径传输的功率。在SEA中，复杂的声振系统表示为可以接收、存储、耗散和传输能量的耦合子系统的组合。因此，通过研究装饰板和蒙皮板之间的能量流关系，可以获得耦合损耗因子（CLF）。

试验说明：本节描述了测试结构的混合TMM-SEA参数的测量。它们由耦合损耗因子（CLF）和传输损耗组成。该分析是在从100 Hz到10 kHz的大频带中进行的。在第4节中给出了测量参数与所提供模型之间的比较。本文分析了复合飞机机身的双墙面板。它由代蒙皮面板的厚复合夹芯板组成，衬有隔音层（玻璃棉），并通过8个隔振器在结构上连接到代表内部装饰板的薄复合夹芯衬板（图1）。

考虑了三种类型的隔振器：柔性，刚性以及硬质的机械连接。

研究了结构连接对所研究飞机机身结构传输损耗的影响。面板放置在混响源室和半消声接收室之间。1.5英寸的空腔将两个面板分开。它充满了连接（但未粘合）在源面板上的航空级玻璃纤维。其性质在表1中给出。

两个面板的表面积均等于1.5平方米。厚平板和薄平板的特性在表2中给出。

使用四极方法获得通过飞机隔振器连接的两个板之间的结构耦合损耗因子（CLF）。

本节介绍了用于隔振器动态测量的测试设置过程以及其动态刚度的识别。确定隔振器动态刚度的方法有多种标准化方法。下图展示了所使用的试验台的照片。

通过研究的隔振器连接的双墙板如上图。它由两个子系统组成，即弯曲振动的板1和2，可自由悬挂在半消声室内并通过8个隔振器连接。TL测试是在半消声混响传输损耗套件中进行的，测量遵循ISO 15186-1。面板被固定在混响室和半消声室之间的框架中。面板和框架之间的接缝使用硅和铝胶带密封。使用六个扬声器在混响室中产生白噪声，并使用旋转麦克风捕获平均声音功率。在半消声侧，使用强度探针在两个1/4英寸麦克风之间使用6 mm垫片测量声音强度。

结论：本文研究了混合TMM（传递矩阵法）/ SEA（统计能量分析）模型预测通过机械耦合飞机双墙传播的声音的准确性。它基于一种解耦方法，其中，空气路径的TMM与结构路径的类似SEA的方法相结合。各种实验方法被用来评估该模型的准确性。这项工作评估了隔振器的简单四极建模的鲁棒性，这主要取决于正确确定典型飞机隔振器的实验动态刚度的重要性。将混合TMM-SEA结果与四种双墙配置的测量结果进行比较。总体而言，在预测结果和实验结果之间可以观察到可接受的一致性。发现简单的混合方法很好地捕获了由于使用预测的CLF和测量的CLF插入连接而导致的TL减少。可以清楚地观察到，与刚性和硬质耦合配置相比，柔性隔振器的存在会削弱结构传播路径。

然而，当FTMM模型整合了预测的CLF时，发现TL的预测虽然可以接受，但对于刚度和硬质配置而言并不令人满意。这可以追溯到理论CLF对刚度外推值误差的敏感性，该灵敏度直接传播到理论CLF。另一方面，在基于混合TMM-SEA的方法中使用直接测量的CLF可以为所有测试配置带来良好的相关性。发现使用预测的CLF的混合FTMM-SEA可以很好地捕获由于连接的插入和激励性质的影响而导致的TL的降低。

本文摘自普信全球合作方希尔布鲁克大学声学研究所（GAUS）团队庞巴迪宇航合作项目的相关研究报告。以上图文，未经授权，请勿转载。