进一步改进边界元方法以克服振动声辐射计算中解的非唯一性

章利用基于三次B样条插值的边界元方法，对振动体外部声辐射问题进行了研究，对CHIEF法及其改进方法作了进一步的改进，提出在加权余量意义下，通过把内部Helmholtz积分方程与其对内点坐标取导后的方程式作线性叠加，在域外构作的一个小体积块上进行积分以形成补充方程，经与表面Helmholtz积分方程相结合，来求解任意频率下的声辐射问题，并以脉动球和摆动球作为算例，说明本提出的方法能够有效地克服在特殊频率处解的非唯一性问题。     

开口/封闭薄壳体声辐射和散射的统一边界积分方程解法

推导了在二维和三维空间下开口和封闭薄壳体在任意阻抗边界条件下声辐射和散射的统一边界积分方程.相对于以前的求解方法,该方程求解声辐射和散射问题具有相同的影响矩阵,能够同时求解薄壳体气动和振动噪声的辐射和散射现象,以及分析壳体声阻抗对声波传播的影响.推导的方程可以应用于叶轮机械、管道等噪声和消声器消声性能的预测等方面.在此方程基础上,可以进一步考虑运动边界和运动介质对声辐射和散射的影响. 关键词： 薄壳体 声阻抗 积分方程 边界元方法     

边界积分方程法求解目标的声散射T矩阵

提出了计算任意表面形状刚性边界目标散射的基于边界积分方程的T矩阵方法(TMM-BIE).利用Helmholtz积分方程法(HIEM)计算目标表面声场,替代扩展边界法(EBCM)计算中对目标表面声场的近似处理,解决了扩展边界法不能计算任意形状目标的散射T矩阵问题.文中计算了刚性边界的球目标、有限长圆柱目标以及非对称的三维散射体-猫眼(cat's-eye)模型的散射指向性和T矩阵.通过与解析解和HIEM结果比较,证明该方法的有效性.     

有限面元式Helmholtz积分方程法求解慢波导环形换能器的辐射声场

慢波导环形换能器是由慢波导和自由淹没式环形换能器组合而成的一种水声换能器。这种换能器利用慢波导对声场的调节作用,有效地改善了换能器的方向性。但是,这种换能器的辐射声场不能直接利用Helmholtz积分法进行解析求解。为此,本文利用有限面元式Helmholtz积分方程算法对其进行了数值求解。文中给出了慢波导环形换能器方向性的数值计算结果和实际测量结果,两者基本上是一致的。     

利用声辐射模态重构任意目标的散射声场

水下目标散射声场的重构可以作为水下目标散射特性的研究基础。本文主要利用声辐射模态对水下目标进行散射声场重构研究。首先,在借助声传递矩阵给出的任意结构声辐射模态的流体域求解方法基础上,通过理论证明了目标的散射声压与声辐射模态具有函数关系。其次,借助声场分布模态的概念,同时考虑到声场分布模态病态及声压测量易受噪声污染,提出基于声辐射模态的正则化散射声场重构算法。仿真结果表明,波数越低,重构所需声辐射模态阶数越少,在较高波数时仅需总模态数的大约20%即可对声场进行重构。与基于边界元的声场重构算法相比,计算量减小了至少80%,且克服了赫姆霍兹积分方程最小二乘法仅对球壳结构的重构效果较好而不适用于长条形结构重构的缺陷。     

求解随机振动结构声辐射的统计边界元方法

机器的机械振动在音频范围内大多是具有明显随机性的随机过程，普通边界元方法不能计算这类具有随机边界条件的结构声辐射问题。本文提出将边界元方法和统计方法相结合的统计边界元方法，导出了求解随机振动物体所辐射噪声声场的计算公式。通过求解随机声场算例的计算，表明本文所提出的方法是正确的。     

自由场结构体声辐射研究

结构体振动与其辐射的噪声之间存在着一种定量关系．本文从自由场结构体声辐射的理论公式──自由场Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ积分方程入手，然后采用边界元法（ＢＥＭ）离散积分方程，通过任意形状结构体表面弹性振动的速度场，来计算其向外辐射的声场，从而达到有效地预测其声场特性的目的．     

声辐射计算的改进体积源边界点法

对体积源边界点法做了较大的改进,提出了在加权余量意义下,通过在边界结点法线方向(背离分析域)构作的四面体上对Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程的基本解进行积分,来对偶地表达系统方程中的系数矩阵,从而求解结构振动声辐射问题。对大量算例和模拟车床主轴箱辐射声场的改进体积源边界点法分析表明:改进的方法在计算速度较原体积源边界点法提高了１０余倍的情况下,在计算精度、计算稳定性、对振动体任意表面几何形状的适应性以及克服解的非唯一性等方面,表现出了良好的性态。     

小尺度阻尼边界封闭空间声传递函数的有限元素法计算

如何求解阻尼边界封闭空间中声源点到接收点的低频声传递函数已成为目前小尺度封闭空间可听化技术研究的关键技术，能处理任意形状及复杂边界条件的有限元素法可作为求解该问题的适合方法，以室内声声有源Helmholtz方程及其相应边界方程为基础，本文推导出了用于小尺度阻尼边界封闭空间声传递函数的有限元素求解方法，并编制了相应的计算机程序，在算例中，首先通过与模态叠加法计算结果进行比较，验证了该方法的正确性。最后计算了某型车体内腔中任意两点间声传递函数。     

基于声粒子分布积分的无网格声场计算方法

小尺度封闭空间内部声场的数值计算是声学设计、噪声控制等领域的关键技术。由于波动声学及几何声学方法计算频率上的限制,中频段声场计算问题一直是个难点。本文以声学无网格法为基础,提出了一种基于声粒子分布积分的无网格声场数值计算方法。文中利用声线跟踪理论计算声场中的声粒子分布,并以某个时间点上的声粒子作为蒙特卡罗法中的积分点,将其应用于无网格法中,从而获得声场中的节点声压。利用该方法对一个矩形封闭空间的中低频声场进行了计算,并与模态叠加法、商用声场计算软件、经典无网格法的结果进行了对比,证明基于声粒子分布积分的无网格声场数值计算方法在中低频段相较于传统基于网格的方法具有更高的精度。     

积分方程法与求解谐振频率的声散射

表面Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ积分公式可以有效地求解物体的辐射声场和散射声场，但并不是在任何频率下都能得到满意的结果。当波数等于或接近目标内部问题的特征值时，将产生非唯一解，严重影响求解的准确性。本文根据混合Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ积分公式，用最小平方正交法有效地求解谐振频率的声散射。文中以圆柱和椭圆柱的声散射为例进行了计算，并讨论了目标内附加计算点的选取问题。     

声辐射问题中的模态分析:I理论

针对复杂振动表面的声辐射问题,提出一种模态分析方法。在振动表面上所有法向振速分布构成一个Hilbert空间;并在此Hilbert空间中,定义了一个包含声辐射性质并且是线性自伴正的算子。通过这个算子,确定了在Hilbert空间中的一组基函数,作为辐射模态,描述了振动表面的辐射模式。基于辐射模态,应用Helmholtz单层势构造了一组声场基函数,作为声场分布模态,描述了辐射声场的分布模式。声辐射行为可用辐射模态和声场分布模态展开表示。一种模态分析的方法引进声辐射问题的研究之中。     

三维Helmholtz方程外问题的自然积分方程及其数值解

用文[2,3]提出的自然边界归化方法来处理三维Helmholtz方程的外边值问题。在简要介绍如何用球谐展开的方法得到Helmholtz问题在外球域上的自然积分方程后,给出求解该自然积分方程的一种数值方法及相应的数值算例。     

基于积分方法的二维平行剪切层声远场预测

本文采用二维Ffowcs Williams＆Hawkings(FW-H)方程对平行剪切层远声场辐射特性进行了研究。近流场时间精确数据通过计算气动声学(Computational Aeroacoustics,CAA)技术数值模拟获得,声远场信息则通过FW-H方程对近流场内的可穿透积分面进行积分获得。该方法首先采用具有解析解的涡/尾缘干涉问题进行了校核,进一步采用CAA/FW-H匹配技术对二维平行剪切层声辐射问题进行了预测,计算结果表明,积分解与计算域内的CAA数值解吻合较好。     

新的对角形式快速多极边界元法求解声学Helmholtz方程

传统外部声学Helmholtz边界积分方程无法在个人计算机上求解大规模工程问题. 为了有效解决这个问题, 将快速多极方法引入到边界积分方程中, 加速系统矩阵方程组的迭代求解. 由于在边界积分方程中引入基本解的对角形式多极扩展, 新的快速多极边界元法的计算效率与传统边界元相比显著提高, 计算量和存储量减少到O(N)量级(N为问题的自由度数). 包括含有420000个自由度的大型潜艇模型数值算例验证了快速多极边界元法的准确性和高效性, 清楚表明新算法在求解大规模声学问题中的优势, 具有良好的工程应用前景.     

轴对称体声振耦合的边界子波谱与有限元耦合方法

探讨了子波在Helmholtz积分方程及声振耦合中的应用,在建立了求解轴对称Helmholtz积分方程的子波谱方法的基础上,构造了轴对称子波谱与轴对称有限元的耦合方法,该方法可以处理轴对称问题的任意边界条件.进行了声振耦合问题的模态分析.     

矩形单元声场波函数构造及其应用

在波叠加法中,结构外部声场是在离散边界上对Green函数进行积分并叠加得到,但数值积分的计算效率较低。而等效源法虽然提高了计算效率,但其面源简化为点源的过程中存在较大的积分近似误差。针对上述两种方法的缺陷,构造了一种波函数以替代离散单元关于Green函数积分的声场。首先,利用球坐标系下Helmholtz方程的解,推导了替代矩形单元积分的一般形式波函数及效率更高的内推波函数。其次,当离散单元为正方形时,将其近似成圆形域,进一步简化了内推波函数的表达式。最后,将所构造的波函数应用于声场计算。数值结果表明,在计算单个矩形单元外部辐射声场时,构造的波函数不仅保证了计算精度,而且相比于直接积分大幅度提高了计算效率。其中,矩形域一般形式和内推形式的波函数计算效率是直接积分的5～6倍,圆形域内推波函数计算效率达到了直接积分的12～13倍。在简支板声源和立方箱体辐射声源数值算例中,圆形域内推波函数在整个计算频段的声场计算精度均高于等效源法。     

新的对角形式快速多极边界元法求解声学Helmholtz方程

传统外部声学Helmholtz边界积分方程无法在个人计算机上求解大规模工程问题. 为了有效解决这个问题, 将快速多极方法引入到边界积分方程中, 加速系统矩阵方程组的迭代求解. 由于在边界积分方程中引入基本解的对角形式多极扩展, 新的快速多极边界元法的计算效率与传统边界元相比显著提高, 计算量和存储量减少到O(N)量级(N为问题的自由度数). 包括含有420000个自由度的大型潜艇模型数值算例验证了快速多极边界元法的准确性和高效性, 清楚表明新算法在求解大规模声学问题中的优势,     

空间声场全息重建的波叠加方法研究

提出了基于波叠加法的近场声场全息技术，并将其用于任意形状物体的声辐射分析.在声辐射计算问题中，边界元法是通过离散边界面上的声学和位置变量来实现，而波叠加方法则通过叠加辐射体内部若干个简单源产生的声场来完成.因而，基于波叠加法的声全息就不存在边界面上的参数插值和奇异积分等问题，而这些问题是基于边界元法的声全息所固有的.与基于边界元法的声全息相比较，基于波叠加法的声全息在原理上更易于理解，在计算机上更容易实现.实验结果表明：该种全息技术在重建声场时，具有令人满意的重建精度. 关键词： 声全息 逆问题 波叠加方法 正则化方法     

水下近水面锥柱组合壳声固耦合效应的半解析求解方法

针对水下近水面锥柱组合壳声固耦合多借助于数值方法求解的现状,本文提出一种半解析方法从机理上分析此类问题。首先基于能量泛函和Sanders壳体理论、虚拟弹簧法以及力与力矩平衡条件建立锥柱组合壳的结构模型;然后采用Legendre谱元法和二维傅里叶变换得到含自由液面的水下声场模型;最后由非线性迭代法和高斯积分求解耦合系统声振控制方程。通过与参考文献和数值方法结果的对比,验证了本文方法的收敛性、正确性和可靠性。研究结果表明,结构参数、浸没深度和激励频率与远场辐射声压密切相关。本文工作可推广到水下含内部结构的复杂旋转组合壳在不同结构边界及声边界下的声固耦合问题。