结构声辐射的振动模态分析和声辐射模态分析研究

基于辐射声功率的二次型表达式,采用有限元法、Rayleigh积分和边界元法对结构声辐射进行了振动模态分析和声辐射模态分析研究。振动模态间的耦合对辐射声功率影响的研究表明: 结构各阶振动模态自身对结构辐射声功率的贡献是增大结构的辐射声功率,而振动模态间的耦合可能会增大结构辐射声功率,也可能会减小结构辐射声功率,或对辐射声功率没有影响。而且,当振动模态间的耦合作用对辐射声功率的影响不大时,采用振动模态控制可取得较好的减振降噪双重控制效果。将混合的Helmholtz积分方程方法用广义逆引入到三维复杂结构声辐射分析的声辐射模态公式中,解决了特征频率下解不唯一问题。还研究了正方形封闭空间结构声辐射模态的辐射效率和形状,并对结构声辐射的振动模态控制和声辐射模态控制进行了讨论。     

一种水平变化波导中声传播问题的耦合模态法

针对介质参数及海底边界水平变化波导中的声传播问题,本文基于多模态导纳法提出一种能量守恒且便于数值稳定求解的耦合模态方法.将声压表示为一组正交完备的本地本征函数之和,对声压满足的Helmholtz方程在本地本征函数上作投影,推导出关于声压模态系数的二阶耦合模态方程组.耦合矩阵直观描述水平变化因素对模态耦合的贡献.为避免直接求解二阶耦合模态方程组可能遇到的数值发散问题,将其重构为两个耦合的一阶演化方程组,引入导纳矩阵并使用Magnus数值积分方法获得稳定的声场解.利用该耦合模态方法数值计算水平变化波导中的声场,并与COMSOL参考解比较,结果表明该耦合模态理论能够精确求解水平变化波导中的点源及分布源传播问题.     

消声器传递损失预测的边界元模态展开混合方法

将边界元法和解析方法结合形成一种混合方法用于计算消声器的传递损失,消声器被划分成若干个子结构,解析方法和边界元方法被分别用于计算规则结构和不规则结构的阻抗矩阵,不同子结构之间通过阻抗矩阵连接起来。为减少计算时间,采用一种基于模态配点法的简化方法。对单级膨胀腔、双级膨胀腔和穿孔管阻性消声器的传递损失进行了计算,混合方法计算结果与解析方法和三维数值方法计算结果吻合良好。分析了混合方法的计算效率并与传统子结构方法进行了比较,混合方法能明显节省计算时间。     

消声器传递损失预测的边界元模态展开混合方法

将边界元法和解析方法结合形成一种混合方法用于计算消声器的传递损失,消声器被划分成若干个子结构,解析方法和边界元方法被分别用于计算规则结构和不规则结构的阻抗矩阵,不同子结构之间通过阻抗矩阵连接起来。为减少计算时间,采用一种基于模态配点法的简化方法。对单级膨胀腔、双级膨胀腔和穿孔管阻性消声器的传递损失进行了计算,混合方法计算结果与解析方法和三维数值方法计算结果吻合良好。分析了混合方法的计算效率并与传统子结构方法进行了比较,混合方法能明显节省计算时间。      

采用高阶近似逆矩阵的块PCG法

本文应用矩阵元素阶、阶矩阵及消去法的影响域等概念,给出了强主元多对角阵高阶近似求逆的一种快速算法。在强主元条件下,该法可应用于非对称阵和非正定阵。本文将该法与块预处理共轭梯度法相结合,应用于椭圆型方程数值解及类似问题的计算。数值结果表明,该法不仅适用范围较广,也具有较高的计算效率。     

三层平板结构声能流计算及传输规律

为了理解多层有源隔声结构的物理机理,同时优化被动隔声结构,需深入分析三层结构中声能量的传输规律。首先对三层板腔结构建模并求解系统的振动响应,然后用数值方法求解平板向封闭空间辐射声的声传输阻抗,并计算各层结构的辐射声功率。最后,通过分析各子系统所占的能量及各层结构四类模态组辐射声功率的变化获得声能量的传输规律。结果表明,按模态类型的不同,能量传输可等效认为存在四个传输通道,各通道的能量传输具有相似的带通特性,其成因在于不同的平板与空腔模态对的耦合强弱不同。      

双层板腔结构声传输及其有源控制研究

利用子系统模态综合方法,结合阻抗-导纳矩阵法,建立了双层板腔结构向自由空间声传输及其在入射板PZT控制、辐射板PZT控制,和腔中次级声源作动等多种控制策略下,系统物理模型的统一的分析模型,导出了系统模态响应及最优次级源强度的统一的阻抗-导纳矩阵表达式。该模型表达式各部分物理意义清晰、明确,便于进行系统耦合理论、有源控制及其机理的分析和数值研究。然后,在此基础上对双层板腔结构声传输有源控制进行了全面深入的数值计算和分析研究,重点探讨了控制方法策略及系统参数对有源控制效果的影响及其对应的控制机理。结果表明:入射板PZT作动辐射声功率最小控制策略是通过入射板、声腔和辐射板三个子系统的模态抑制或重组达到消声的目的,涉及多种复杂控制机理,对入射板、辐射板和声腔模态均有效,但对入射板模态更有效;在低频段声腔(0,0,0)模态在系统耦合响应中起主导作用,因此利用腔中次级声源作动能获得较理想的控制效果,是一种较好的控制策略;由于声腔模态与结构模态间复杂的耦合关系,使得某些频率处腔中声势能一定程度上的降低并不一定导致系统声传输损失的增加,因此,腔中声势能最小控制策略不一定能够获得理想的声传输控制效果。      

复杂结构声辐射模态的计算

结构辐射阻矩阵的特征向量就是其声辐射模态,复杂结构的辐射阻矩阵获取困难阻碍了声辐射模态理论的进一步应用。为此提出一种基于等效源方法的复杂结构辐射阻矩阵计算方法,由此形成了一套完整的计算复杂结构声辐射模态方法。最后通过仿真算例对影响结构辐射阻矩阵计算精度的因素进行了分析,给出了复杂结构辐射阻矩阵构造的一般原则。理论推导和数值仿真算例表明所提出的复杂结构声辐射模态计算方法是有效的。该方法简化了复杂结构声辐射模态的计算,计算效率较高。     

弯曲振动矩形板辐射阻抗的计算

本文推导了四边简支矩形板的辐射阻抗表达式, 利用高斯数值积分方法, 计算了其相对辐射阻抗的数值解. 由不同模态下相对辐射阻抗与频率以及不同长宽比对应的相对辐射阻抗与频率的关系可知, 在中低频段, 模态越低, 辐射阻抗越大, 也就意味着辐射声功率和同振质量越大; 对于一定面积和模态的矩形板, r (r=a/b, 长与宽之比)值越接近1, 即越接近正方形, 辐射阻和辐射抗越大. 本文的方法能对其他复杂边界条件下的、无振动解析解的矩形板的辐射阻抗数值量级大小提供一个参考, 也可由计算弯曲振动的阻抗自然地过渡到活塞振动阻抗的计算.     

分散式速度反馈控制流激薄板声振响应的模态解及特性

采用模态展开法推导了湍流边界层和分散式速度反馈控制共同作用下薄板的响应和声辐射,给出了与分散式速度反馈控制增益系数、单元位置、数量和大小相关的模态阻尼的显示表达式。给定激励和参数的条件下,通过与元素法的计算结果进行对比,验证了模态展开法具有较高的计算效率和准确性。讨论了分散式速度反馈控制单元的布置方式和数量对模态阻尼的影响,以及反馈控制单元的布置方式对薄板动能、辐射声功率和模态平均辐射系数的影响。数值分析结果表明反馈控制单元的数量和布放位置对控制效果影响显著,反馈控制单元沿螺旋线布置能明显拓宽控制频带;两种反馈控制单元布置方式,在动能和辐射声功率控制较好的共振频率处,除第一阶模态外,模态平均声辐射效率随反馈增益的增大明显提高。     

Analytical prediction of break-out noise from a reactive rectangular plenum with four flexible walls

This paper describes an analytical calculation of break-out noise from a rectangular plenum with four flexible walls by incorporating three-dimensional effects along with the acoustical and structural wave coupling phenomena. The breakout noise from rectangular plenums is important and the coupling between acoustic waves within the plenum and structural waves in the flexible plenum walls plays a critical role in prediction of the transverse transmission loss. The first step in breakout noise prediction is to calculate the inside plenum pressure field and the normal flexible plenum wall vibration by using an impedance-mobility approach, which results in a compact matrix formulation. In the impedance-mobility compact matrix (IMCM) approach, it is presumed that the coupled response can be described in terms of finite sets of the uncoupled acoustic subsystem and the structural subsystem. The flexible walls of the plenum are modeled as an unfolded plate to calculate natural frequencies and mode shapes of the uncoupled structural subsystem. The second step is to calculate the radiated sound power from the flexible walls using Kirchhoff-Helmholtz (KH) integral formulation. Analytical results are validated with finite element and boundary element (FEM-BEM) numerical models.     

一种预测扩散声场在非规则形状刚性壁面附近干涉图样的方法

扩散声场会在反射边界附近形成干涉图样,研究方法包括平面波模型、简正模态分析、渐进模态分析等,但仅适用于尺度远大于声波波长的矩形声腔。提出一种预测扩散声场在非规则刚性壁面结构附近形成的干涉图样的数值方法,表明结构附近“受挡”声压的互谱矩阵取决于:(1)假定该结构在自由空间中振动辐射声音时其表面法向振速到表面及场点声压的边界元系数矩阵;(2)假定结构置于自由空间中且表面刚性时,点声源辐射声波入射到结构表面上产生的散射声场的边界元系数矩阵;(3)扩散声场均方声压。仿真表明,该途径预测的干涉图样与理论值完全吻合。该预测方法还可用于混响环境下声源附近直达声压均方值的空间分布估计,为混响环境下设备的声源定位提供帮助。      

The contribution of a lateral wave in simulating low-frequency sound fields in an irregular waveguide with a liquid bottom

A further development of a previously proposed approach to calculating the sound field in an arbitrarily irregular ocean is presented. The approach is based on solving the first-order causal mode equations, which are equivalent to the boundary-value problem for acoustic wave equations in terms of the cross-section method. For the mode functions depending on the horizontal coordinate, additional terms are introduced in the cross-section equations to allow for the multilayer structure of the medium. A numerical solution to the causal equations is sought using the fundamental matrix equation. For the modes of the discrete spectrum and two fixed low frequencies, calculations are performed for an irregular two-layer waveguide model with fluid sediments, which is close to the actual conditions of low-frequency sound propagation in the coastal zone of the oceanic shelf. The calculated propagation loss curves are used as an example for comparison with results that can be obtained for the given waveguide model with the use of adiabatic and one-way propagation approximations.     

弯管对末端带弹性障板充液管路辐射声能量的影响

基于声固耦合有限元方法建立了末端带弹性障板的充液管路数值模型,重点分析了不同激励下弯管对管口辐射声能量的影响.结果表明:弯管引入的高阶周向模式耦合使结构振动和流体声传播都发生明显改变,以致系统辐射声能量及主要能量贡献源也发生转移,并随激励方式和频率而不同.对本文管路模型,平面波激励下弯管系统在低频的结构辐射声能量明显增...     

部分浸没圆柱壳声固耦合计算的半解析法研究

部分浸没圆柱壳-流场耦合系统的声振分析是一种典型的半空间域内声固耦合问题,其振动及声学计算目前主要依赖于数值方法求解,但无论从检验数值法还是从机理上揭示其声固耦合特性,解析或半解析方法的发展都是不可或缺的.本文提出了一种半解析方法,先将声场坐标系建立在自由液面上,采用正弦三角级数来满足自由液面上的声压释放边界条件;接着基于二维Flügge薄壳理论建立了以圆柱圆心为坐标原点的壳-液耦合系统的控制方程;然后再利用Galerkin法处理声固耦合界面的速度连续条件,推导得到声压幅值与壳体位移幅值之间的关系矩阵并求解该耦合系统的振动和水下声辐射.与有限元软件Comsol进行了耦合系统自由、受迫振动和水下辐射噪声计算结的对比分析,表明本文方法准确可靠.本文的研究为解析求解弹性结构与声场部分耦合的声振问题提供了新的思路.     

Time-domain impedance formulation for transmission line matrix modelling of outdoor sound propagation

Outdoor sound propagation modelling has attracted considerable attention in the past and has lead to many analytical and numerical models. More recently, the increase of computational power has led to consider time-domain methods that enable to consider transient phenomena. Among these models, the transmission line matrix (TLM) method has been proposed, but the sound absorption at boundaries appears to be a somewhat underdeveloped aspect of this approach. In this paper, a specific implementation of impedance boundary condition is proposed. The method is based on the approximation of the impedance as a sum of linear systems, which allows the formulation of an equivalent impedance model in the time-domain. The proposed implementation is applied for two common impedance models of porous material. Numerical simulations have been carried out in the case of sound propagation over a flat ground with and without an impedance discontinuity, and for several values of specific airflow resistivity. TLM numerical predictions expressed in terms of excess attenuation relative to free field show a good agreement with analytical solutions.     

一种水平变化可穿透波导中声传播问题的耦合简正波方法

通过利用标准简正波程序KRAKEN计算本地简正波解及耦合矩阵, 进一步发展了求解水平变化波导中声场的全局矩阵耦合简正波方法(Luo et al., "A numerically stable coupled-mode formulation for acoustic propagation in range-dependent waveguides," Sci. China-Phys. Mech. Astron. 55, 572 (2012)), 使得该方法可以处理具有可穿透海底及随深度变化声速剖面等实际问题, 并提供声场的完全双向解. 本文还给出了双层波导中耦合矩阵的解析表达式, 并利用其验证了本方法中耦合矩阵数值算法的精度. 最后, 利用改善后的全局矩阵耦合简正波模型(DGMCM)计算了美国声学学会(ASA)提出的可穿透楔形波导标准问题, 将所得数值解与参考解比较, 结果表明DGMCM方法可以精确处理水平变化波导中声传播实际问题. 关键词： 耦合简正波理论 全局矩阵方法 可穿透楔形波导     

New critical matrix models and generalized universality

We study a class of one-matrix models with an action containing nonpolynomial terms. By tuning the coupling constants in the action to criticality we obtain that the eigenvalue density vanishes as an arbitrary real power at the origin, thus defining a new class of multicritical matrix models. The corresponding microscopic scaling law is given and possible applications to the chiral phase transition in QCD are discussed. For generic coupling constants off-criticality we prove that all microscopic correlation functions at the origin of the spectrum remain in the known Bessel universality class. An arbitrary number of Dirac mass terms can be included and the corresponding massive universality is maintained as well. We also investigate the critical behavior at the edge of the spectrum: there, in contrast to the behavior at the origin, we find the same critical exponents as derived from matrix models with a polynomial action.