工程裝備在運行的過程中會產(chǎn)生不同程度的振動噪聲，劇烈的振動不僅會造成工程結構的失效，更重要的是其產(chǎn)生的噪聲會影響人們的日常生活，因此減振降噪在實際工程領域具有重要意義。由于外部激勵以及結構系統(tǒng)自身的復雜性，噪聲在不同頻率范圍內(nèi)具有不同的表現(xiàn)形式。噪聲頻譜在低頻范圍內(nèi)分布比較明晰，在高頻范圍內(nèi)則呈現(xiàn)出均勻化的趨勢，而在中頻區(qū)間恰恰表現(xiàn)出了二者混合的特點。另一方面，對于低頻和高頻噪聲的分析工作，已有較為成熟的有限元法、邊界元法和統(tǒng)計能量分析方法作為數(shù)值分析的基礎，然而針對中頻范圍的噪聲分析及優(yōu)化還需要深入研究。
統(tǒng)計模態(tài)能量分布分析(SmEdA)是最近提出的基于子系統(tǒng)間模態(tài)能量傳遞平衡的分析方法，采用確定性與統(tǒng)計性相結合的分析技術，可以方便地預測傳統(tǒng)方法難以企及的中頻范圍，即中頻耦合系統(tǒng)的聲振響應。另一方面，振動噪聲與工程系統(tǒng)的結構和材料的尺寸、形狀以及拓撲分布有著密切的關系，綜合考慮這些影響因素對設計出具有低噪聲性能的聲振系統(tǒng)就顯得尤為重要。本書重點針對中頻聲振耦合系統(tǒng)開展了一系列優(yōu)化降噪工作。基于最近提出的統(tǒng)計模態(tài)能量分布分析，建立了尺寸優(yōu)化、局部聲場空間優(yōu)化、結構阻尼材料和聲場吸聲材料布局優(yōu)化的數(shù)值模型，并且引入新的靈敏度分析方法和拓撲優(yōu)化求解技術，數(shù)值計算實例顯示該方法在降低中頻聲振耦合系統(tǒng)的內(nèi)聲腔響應方面效果顯著。本書包括7章，各章內(nèi)容大致安排如下。
第1章詳細梳理了聲振耦合系統(tǒng)在低頻和高頻范圍內(nèi)的主流分析方法。具體闡述相關方法的基本原理、適用條件以及每種方法在中頻區(qū)段聲振響應預測的局限性，進一步介紹能夠適用于中頻區(qū)間的新型分析手段統(tǒng)計模態(tài)能量分布分析的基本理論，詳述該方法在處理中頻聲振問題的效率及精度優(yōu)勢。第1章還介紹了聲振耦合系統(tǒng)優(yōu)化研究的發(fā)展概述。
第2章主要介紹統(tǒng)計模態(tài)能量分布分析(SmEdA)的基本理論，給出基于SmEdA的中頻聲振耦合系統(tǒng)的尺寸優(yōu)化設計流程。首先從單自由度耦合振子的振動理論入手，給出模態(tài)能量之間的平衡關系，建立耦合子系統(tǒng)的模態(tài)能量平衡方程。接著定義中頻聲振耦合系統(tǒng)的尺寸優(yōu)化模型，采用傳統(tǒng)的半解析靈敏度分析方法，結合移動漸進線求解方法，初步完成中頻聲振耦合系統(tǒng)的尺寸優(yōu)化設計，通過了數(shù)值計算實例的驗證。
第3章引入復數(shù)變量法，提出了改進的半解析靈敏度分析方法，分析了中頻聲振耦合系統(tǒng)聲腔子系統(tǒng)總能量關于尺寸設計變量的靈敏度，將對應的計算結果與傳統(tǒng)的半解析法以及全局差分法進行對比，充分說明復數(shù)變量法具有更高的精度及穩(wěn)定性。
第4章研究了局部聲場空間降噪的優(yōu)化模型和求解方法。首先采用后處理的手段將聲腔中感興趣的局部聲場區(qū)域的能量提取出來，以固定區(qū)域的總能量作為噪聲降低的對象，并且采用復數(shù)變量法推導局部響應關于結構尺寸變量的靈敏度公式。通過數(shù)值例題充分論證了局部聲場能量優(yōu)化的可行性。
第5章進行中頻聲振耦合系統(tǒng)中黏彈性阻尼材料的布局優(yōu)化研究。應用拓撲優(yōu)化的方法對振動結構表面的黏彈性阻尼層進行布局優(yōu)化，并且在材料的體積比與設計變量之間引入體積守恒的Heaviside函數(shù)，可以有效地幫助設計變量收斂至0-1邊界。最后將提出的黏彈性阻尼材料優(yōu)化方法應用到汽車內(nèi)聲腔的降噪優(yōu)化中。
第6章開展聲振耦合系統(tǒng)多孔吸聲材料的布局優(yōu)化研究。采用簡單高效的Delany-Bazley模型來模擬多孔吸聲域的等效材料特性參數(shù)隨頻率的變化關系，通過模態(tài)應變動能方法推導出表征模態(tài)能量間阻尼特性的模態(tài)阻尼損耗因子，使得整體優(yōu)化模型為實數(shù)體系，為采用復數(shù)變量法推導靈敏度提供方便。靈敏度的數(shù)值驗證部分表明復數(shù)變量方法可以得出精準的靈敏度信息，并且可以達到比傳統(tǒng)方法更加穩(wěn)定的結果。最后將多孔吸聲材料中頻優(yōu)化程序應用于火車部分車體的降噪研究。
第7章將統(tǒng)計模態(tài)能量分布分析理論拓展至逐頻點模態(tài)能量分析，并進行復雜氣動載荷激勵下的尺寸優(yōu)化設計。SmEdA的模態(tài)能量平衡方程是基于研究頻帶建立的，而現(xiàn)實工程中對于每個頻點下的聲振響應預測也存在客觀需求。首先給出形成逐頻點模態(tài)能量平衡理論的公式推導過程，利用該方法可以集成隨頻率相關激勵載荷的優(yōu)勢，依托Corcos經(jīng)驗理論框架下的湍流邊界層（TBL）數(shù)值模型，實現(xiàn)模態(tài)注入能量的計算；利用邊界層空間離散點的相關性并結合Efimtsov經(jīng)驗公式近似求出湍流邊界層載荷的功率譜密度，最終形成湍流邊界層載荷激勵下的中高頻聲振耦合系統(tǒng)尺寸優(yōu)化程序。將該優(yōu)化方法應用到高速列車司機室，降低中頻聲振響應，取得了良好效果。
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