消声管道声学性能计算的二维等几何有限元方法及应用

将等几何有限元方法应用于消声管道的声学性能计算,使用二维等几何有限元方法求解管道截面的声学特征值,考虑了存在穿孔边界和吸声材料边界的情况,进而使用特征值计算消声管道的传递损失。对包覆式消声管道进行传递损失的计算,结果与二维有限元方法吻合较好.对圆形截面的特征值计算结果表明,在计算量相同的情况下,等几何有限元方法取得了比传统有限元方法更好的计算精度.在不同结构参数条件下对消声管道的声学性能进行计算,结果与三维数值方法吻合良好。方法能够在宽频范围内较好地预测消声管道的传递损失。      

插管结构对膨胀腔消声器声学性能的影响

将数值模态匹配法(NMM)拓展应用于计算和分析外插管膨胀腔消声器的声学性能,推导了相应的理论公式并编写了计算程序。使用二维有限元法提取横向波数和本征向量,应用模态匹配法计算消声器的传递损失。使用数值模态匹配法和三维有限元法(FEM)研究了插管长度和进出口位置对带有外插进出口管椭圆形非同轴膨胀腔消声器声学性能的影响,两种方法计算结果吻合良好,从而验证了本文数值模态匹配法的正确性。研究结果表明,设置特定的插管长度和进出口位置可以消除消声器的通过频率,进而改善消声器中低频的消声性能。      

分布式通风消声板特性研究*

在隔声板结构中,分布式内嵌大量小型消声单元,在入射声波被消声单元有效衰减的同时,气流可均匀通过整个板结构,形成一种分布式消声板结构。利用平面波理论和修正传递矩阵法,建立消声板简化模型,并预测模型传递损失。加工消声板样件,实验室内测试并验证其声学及通风性能。对比隔声测试结果与预测结果,验证修正传递矩阵法针对该结构的准确性,同时验证消声板结构的实际效果。结果显示,该分布式消声板结构具有良好的声学效果,修正传递矩阵法可应用于该结构的声学性能预测以及结构设计。     

利用大型通用程序求解声学问题

本文介绍了利用有限元通用程序求解声学问题的声学——固体力学比拟法。该方法允许使用固体单元来模拟声介质。结合二维声空腔的模态分析和排气消声单元的传递损失计算说明了该方法的应用。给出了边界条件的处理方法及声粒子速度的计算公式。     

直通穿孔管消声器声学特性预测的数值模态匹配法

将数值模态匹配法应用于计算横截面为任意形状的直通穿孔管抗性消声器的声学特性。应用二维有限元法计算横截面的本征值和本征向量,应用模态匹配技术求解模态幅值系数,进而得到所需的声学量。对于圆形和椭圆形直通穿孔管消声器的传递损失,数值模态匹配法计算结果与三维有限元计算结果和相应的实验测量结果吻合良好,表明数值模态匹配法能够精确计算直通穿孔管消声器的声学特性。计算结果表明,穿孔管的偏移影响消声器在中高频段的消声特性,同轴结构消声器的消声性能好于非同轴结构。      

锥形颈部赫姆霍兹共振器声学性能预测

锥形颈部赫姆霍兹共振器具有更好的低频消声能力,而其声学性能尚无准确解析预测方法。为了研究其声学性能,在声学长度修正的基础上,利用一维解析方法建立了用于计算传递损失的一维修正模型。运用分割法计算锥形管内部声传播的声学长度修正,并给出了声学修正长度计算公式。采用得到的锥形管声学修正长度和一维修正模型,计算出的锥形颈部赫姆霍兹共振器频率与有限元及实验测试结果偏差在2 Hz以内,明显优于不修正的计算结果。表明锥形管声学长度修正法提高了一维解析方法的精度,从而可以快捷准确的预测锥形颈部赫姆霍兹共振器的消声性能。      

阻抗复合消声器声学性能有限元预测方法及分析

为计算和分析具有复杂结构的阻抗复合式消声器的宽频消声性能,建立了一种高效声学有限元方法,给出了不同边界条件下的边界积分处理细节,得到有限元全局系数矩阵表达式,设计出计算程序框架以实现这些算法,其求解规模和计算速度与商业软件相比有优势。为计算阻抗复合式消声器的传递损失,通过阻抗管测量和数据拟合得到了吸声材料声学特性的经验公式。计算和测量了两通穿孔阻抗复合式消声器的传递损失,二者良好的吻合验证了声学有限元方法和计算程序的正确性。研究表明,插管长度影响消声器在中高频段的消声特性,右侧隔板上穿孔会消除共振峰,中高频消声性能随着出口管穿孔率的增加而提升。      

环状气囊水消声器声学性能的预测与分析

水消声器作为一种有效的噪声控制装置被广泛应用于水管路系统,本文分别使用模态匹配法和有限元法对环状气囊水消声器的声学性能进行仿真计算,分析气囊水消声器声学特性的原理,并研究气囊水消声器不同媒介间的特性声阻抗大小关系对消声性能的影响规律。计算结果表明：由于阻抗失配关系,在气囊水消声器中气体对声波的传递起主要反射作用。随着橡胶的特性阻抗增大,橡胶会对从水中传递过来的声波起到一定的阻碍作用。当气体体积被压缩时,气体对声波的反射衰减效果会逐渐减弱,从而使得气囊水消声器的传递损失曲线整体幅值下降,消声性能减弱。     

膨胀腔消声器声学仿真的一维修正方法

传统一维方法计算消声器声学性能随频率增加误差加大,本文应用管道末端修正系数改善一维方法的计算结果.应用二维轴对称解析方法计算管道末端修正系数,研究结构因素和频率对修正系数的影响规律,研究表明修正系数随截面半径比增加而降低,随频率增加而增加,超过截止频率后修正系数无效.根据计算结果给出修正系数拟合公式并修正传统一维方法,应用一维修正方法计算膨胀腔消声器的传递损失并和实验结果、三维有限元结果进行比较,证明一维修正方法结果精度有明显提高.     

穿孔板的声学厚度修正

使用有限元法计算穿孔板的声学厚度修正系数,研究穿孔率、穿孔板厚度、孔径和穿孔排列形式对声学厚度的影响,获得了穿孔率低于40%的穿孔板的声学厚度修正系数.计算结果表明:穿孔板厚度、孔径和排列形式对声学厚度的影响不大;穿孔率对声学厚度影响很大.基于数值计算结果给出了声学厚度修正系数的近似表达式,利用由该表达式形成的穿孔声阻抗公式计算了穿孔管消声器的传递损失,计算结果与实验结果吻合良好,从而验证了应用该表达式预测穿孔管消声器消声性能的准确性.     

阵列式阻性消声器传递损失计算模型

针对气流通道彼此独立且截面尺寸较小的直管式阻性消声器,Belov基于声波导管理论推导了其消声量计算公式,但该公式不适用于气流通道彼此连通且截面尺寸较大的阵列式阻性消声器。为此,提出了一种阵列式消声器消声量计算方法。将阵列式消声器划分为周期性排列的消声单元,每个消声单元包含1个吸声柱。分别参照扩张式消声器和直管阻性消声器计算消声单元的抗性部分(进出口气流通道截面突变处)和阻性部分消声量的理论值TL₁和TL₂。在此基础上,采用有限元法仿真得到消声器消声量仿真值TL_s,基于阻性部分消声量仿真值和理论值的比值(TL_s-TL₁)/TL₂,拟合确定各倍频带阻性消声量修正函数N_f,即修正后的消声量理论值计算模型为TL′_t=TL₁+TL₂·Nf。作为算例,建立了多孔吸声材料流阻率为11425 Pa·s/m²时适用于不同结构尺寸的阵列式消声器消声量计算模型。实测结果...     

磁流体方腔槽道流整体线性稳定性数值方法研究

将Chebyshev谱配置法和基于非均匀网格的高阶FD-q差分格式运用于磁流体方腔槽道流整体线性稳定性研究,比较两类数值方法的优缺点.Chebyshev谱配置法收敛快且精度高,但需要构造非常庞大的满矩阵,存储量和计算开销巨大;高阶FD-q差分格式采用了基于Kosloff-Tal-Ezer变换的Chebyshev谱配置点作为离散网格,在保持较高网格收敛精度的同时,差分格式可以采用稀疏矩阵进行存储,显著降低了存储量和计算开销.相比传统的谱配置法,基于非均匀网格的高阶FD-q差分格式计算效率得到显著的提升,将高阶FD-q差分格式运用于非正则模线性最优瞬态增长的计算,计算效果良好.     

基于等几何分析方法求解任意截面波导本征问题

基于等几何分析方法具有自由度花费少、高精度、高阶连续性等特点,通过加权余量法对椭圆波导本征问题的亥姆霍兹方程等几何离散得出等几何分析方程.解决了传统数值方法的求解域与几何模型的非一致性问题,实现了将问题的分析计算构架于精确几何模型基础之上.分析任意截面波导的本征问题,对不同偏心率的椭圆波导以及三角形和五边形波导的截止波数的求解结果显示等几何分析方法求解波导本征问题的高效及高精度特性.与传统方法相比,此方法以较少的自由度消耗便会达到较高的求解精度,并且数值解的收敛率较快.     

高频腔本征值问题的三维数值模拟

 运用有限积分法软件MAFIA和有限元软件ANSYS对两类高频腔的本征值问题进行数值模拟，将模拟结果与部分实验数据进行验证，得到了比较一致的结果，其平均计算精度在5%以内，证实了两种电磁软件都可用于高频腔本征值问题的数值模拟，在计算精度上为满足工程设计需要做了一些研究。另外将两种模拟软件在计算时间上作了对比。     

有耗介质层上多导体传输线的电磁耦合时域分析方法

目前,针对空间电磁场作用有耗介质层上传输线的电磁耦合,仍缺乏有效的数值分析方法.因此,本文提出一种高效的时域混合算法,很好地解决了有耗介质层上传输线电磁耦合建模难的问题.首先,对经典传输线方程进行改进,推导了适用于有耗介质层上多导体传输线电磁耦合分析的修正传输线方程.然后,结合时域有限差分方法和相应插值技术,求解修正传输线方程,获得多导线及其端接负载上的电压和电流响应,并实现空间电磁场辐射与多导线瞬态响应的同步计算.最后,通过相应计算实例的数值模拟,与CST软件的仿真结果进行对比,验证了时域混合算法的正确性和高效性.     

A straightforward method for wall impedance eduction in a flow duct

The development of the advanced liner technology for aeroengine noise control necessitates the impedance measurement method under realistic flow conditions. Currently, the methods for this need are mainly based on the inverse impedance eduction principle, confronting with the problems of initial guess, high computation cost, and low convergence. In view of this, a new strategy is developed that straightforwardly educes the impedance from the sound pressure information measured on the duct wall opposing to the test acoustic liner embedded in a flow duct. Here, the key insight is that the modal nature of the duct acoustic field renders a summed-exponential representation of the measured sound pressure; thus, the characterizing axial wave number can be readily extracted by means of Prony's method, and further the unknown impedance is calculated from the eigenvalue and dispersion relations based on the classical mode-decomposition analysis. This straightforward method is simple in its basic principle but remarkably has the advantages of ultimately overcoming the drawbacks inherent to the inverse methods, incorporating the realistic multimode nonprogressive wave effects, high computational efficiency, possibly reducing the measurement points, and even avoiding the necessity of the duct exit impedance that bothers perhaps all the existing waveguide methods.     

The computation of dispersion relations for axisymmetric waveguides using the Scaled Boundary Finite Element Method

This paper addresses the computation of dispersion curves and mode shapes of elastic guided waves in axisymmetric waveguides. The approach is based on a Scaled Boundary Finite Element formulation, that has previously been presented for plate structures and general three-dimensional waveguides with complex cross-section. The formulation leads to a Hamiltonian eigenvalue problem for the computation of wavenumbers and displacement amplitudes, that can be solved very efficiently. In the axisymmetric representation, only the radial direction in a cylindrical coordinate system has to be discretized, while the circumferential direction as well as the direction of propagation are described analytically. It is demonstrated, how the computational costs can drastically be reduced by employing spectral elements of extremely high order. Additionally, an alternative formulation is presented, that leads to real coefficient matrices. It is discussed, how these two approaches affect the computational efficiency, depending on the elasticity matrix. In the case of solid cylinders, the singularity of the governing equations that occurs in the center of the cross-section is avoided by changing the quadrature scheme. Numerical examples show the applicability of the approach to homogeneous as well as layered structures with isotropic or anisotropic material behavior.     

等价分布源方法新发展

本文以广义Lighthill方程和广义Green函数为基础给出任意截面管道声传播计算模型,同时应用等价分布源方法建立了包含声衬影响的声传播模型,该方法避开了复杂的管道特征值计算,并在此基础上以积分变换发展了等价分布源方法,免去了声源及观察点匹配时产生的奇异性,使该方法大大简化,易于工程实际计算.此外,本文还给出了特殊截面管的算例.     

Design variable tolerance effects on the natural frequency variance of constrained multi-body systems in dynamic equilibrium

The design variable tolerance effects on the natural frequency variance of constrained multi-body systems in dynamic equilibrium are investigated in this study. Monte-Carlo simulation is often employed for such investigations, but it is known to have serious drawbacks. Excessive amount of computation time needs to be consumed since a large number of evaluations are usually required for the method. Furthermore, the solution accuracy cannot be always guaranteed in spite of the excessive amount of computation time. In order to overcome such drawbacks, a method employing eigenvalue sensitivity information is proposed to obtain the variance of natural frequency in this study. In order to verify the accuracy and the efficiency of the method, some numerical examples of multi-body systems in dynamic equilibrium are solved and the results are compared to those obtained by an analytical method and Monte-Carlo simulation.