基于混合模型的中頻振動聲學(xué)分析.pdf

1、本文的研究工作由國家自然基金項目“薄壁結(jié)構(gòu)－聲耦合問題的中頻計算方法研究”（項目編號:10872075）資助。本文采用基于波動的方法以及混合法，對三維結(jié)構(gòu)聲耦合問題、無限域中的聲輻射以及組合結(jié)構(gòu)振動聲學(xué)問題進(jìn)行了理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，并對組合結(jié)構(gòu)振動分析進(jìn)行了相關(guān)試驗研究。系統(tǒng)地建立了復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動分析以及耦合結(jié)構(gòu)聲學(xué)問題的低中頻分析模型，并對中頻分析相關(guān)理論進(jìn)行了探討。研究內(nèi)容包括如下幾個方面：基于波動法的多域結(jié)構(gòu)聲耦合模型和無限域內(nèi)結(jié)構(gòu)

2、聲耦合模型，基于混合法的聲、結(jié)構(gòu)聲耦合模型和組合結(jié)構(gòu)模型，以及組合結(jié)構(gòu)振動試驗研究。分析考慮了實際工程需求，可為實際薄壁結(jié)構(gòu)振動分析以及結(jié)構(gòu)聲學(xué)分析提供可靠實用的計算方法。
　　 提出了中頻和混合模型的完整定義，討論了中頻分析方法的要求、中頻動力學(xué)獨特行為以及中頻振動聲預(yù)報中出現(xiàn)的不確定性，為中頻振動聲預(yù)報提供了理論基礎(chǔ)和研究思路。
　　 推導(dǎo)了基于波動的方法在復(fù)雜結(jié)構(gòu)聲耦合中的通用建模步驟，提出了一組新的基于阻抗的連續(xù)

3、性條件，新的連續(xù)性條件引入人工阻尼到數(shù)值模型中，增強(qiáng)了數(shù)值算法的穩(wěn)定性，阻抗耦合因子采用特征聲阻抗，得到了較好的效果。并將該方法應(yīng)用到聲腔問題以及薄板和聲腔耦合的問題中。結(jié)果表明該方法具有自由度少、收斂性快等特點，為中頻段的振動聲學(xué)分析提供了有效方法。
　　 采用類似有限元處理無限域的方法，利用人工截斷曲面將求解域分割成有界域和無界域，有界域再分割成凸形子域，在截斷曲面內(nèi)外分別定義可以表示聲壓場的波函數(shù)，提出了圓形截面下的波函數(shù)

4、。利用波函數(shù)的特點，給出障板的隱式處理方法。通過連續(xù)性邊界條件在人工截面上將內(nèi)外子域聯(lián)系起來，構(gòu)造出可以求解的系統(tǒng)模型。最后將該方法應(yīng)用到了聲傳輸、聲輻射和聲散射等無限域結(jié)構(gòu)聲學(xué)問題中。算例驗證了該方法的高計算效率。
　　 討論了混合模型在結(jié)構(gòu)聲耦合分析中的應(yīng)用。基于波動的方法的不足之處是高計算效率只針對中度復(fù)雜的幾何模型。為了利用兩者的優(yōu)勢：有限元法的廣泛應(yīng)用和基于波動的方法的高收斂特性，提出了混合預(yù)報法?；驹硎菍⒂邢拊?/p>

5、型中較大且?guī)缀魏唵蔚牟糠植捎没诓▌拥姆椒ù?。得到的耦合模型仍具有較少的自由度，耦合方式為直接耦合。給出了混合法的建模程序。并針對聲腔以及薄板和聲腔的耦合問題進(jìn)行了數(shù)值算例。利用有限元法的細(xì)分，可以得到更高精度的結(jié)果或者在相同計算資源下獲得更高的計算頻率范圍。利用有限元法的模態(tài)疊加，可以進(jìn)一步減少計算量，提高計算效率。
　　 討論了混合模型在組合結(jié)構(gòu)振動分析中的應(yīng)用。通過連續(xù)性條件將兩種非一致性近似場耦合起來，耦合方法為直接耦

6、合，連續(xù)性條件直接作為子域的邊界條件。針對實際工程中常出現(xiàn)的框架－面板結(jié)構(gòu)建立了混合分析模型，對剛性比較大的框架結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的有限元分析而對薄板這類彈性結(jié)構(gòu)采用基于波動的方法分析，如果采用純有限元分析，則大量的計算資源都消耗在對薄板的建模上。算例分析表明：由于框架所需單元數(shù)目比較少，那么有限元部分對混合模型精度的影響也比較小，混合模型的精度主要由基于波動的方法來控制；收斂性和頻響函數(shù)預(yù)報分析顯示了混合模型比有限元法具有更高的計算效率，使

7、得混合法可以用于中頻振動分析。
　　 進(jìn)行了組合結(jié)構(gòu)振動試驗研究。設(shè)計了薄板、折彎板、組合結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ汀２捎没旌戏▽Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并與試驗進(jìn)行了對比，證實了本文計算模型的有效性。并對振動分析中出現(xiàn)的不確定性也作了探討。
　　 本文針對實際工程中常用的薄壁結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)的振動聲學(xué)問題進(jìn)行了研究，提出了基于波動法和基于混合模型的理論分析方法，并對結(jié)構(gòu)振動分析進(jìn)行了試驗驗證。經(jīng)過進(jìn)一步的完善和發(fā)展，可望形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動聲學(xué)系