铁路客车室内噪声预测与控制技术研究

为探索铁路客车室内低频噪声预测分析与控制的可行办法,提高车室内噪声品质,本文基于有限元和边界元结合的方法给出了铁路客车结构-声场耦合系统振动分析模型的建模方法;通过对比分析结构振动模态、车室内空腔声学模态以及结构-声场耦合系统模态的相关性,澄清车室内噪声形成机理;对客车结构-声场耦合系统在0 Hz～200Hz频率范围内进行谐响应分析之后,确定了室内噪声观测平面及测试点在不同频率下的声压级,通过对客车车身面板声学贡献度的分析,确定主要噪声源和对内部声场影响较大的面板,为降低噪声而试图对客车结构进行修改提供了理论依据.     

基于拓扑优化的声学结构材料分布设计

本文针对结构的声学设计问题进行研究,通过优化两种不同的材料在结构设计域内的拓扑分 布来最小化谐振结构所产生的声场中指定参考面/参考域内的声压。在研究中假定结构为线弹性小变 形结构,材料阻尼为Rayleigh阻尼,声学介质为无粘、可压缩、小扰动流体。对结构响应采用有限 元格式进行计算,对声场采用基于Helmholtz积分的边界元格式进行计算,由于声场在无穷远自由边 界的无反射条件在边界积分中能自动得到满足,该格式特别适合于具有开放边界的声场计算。建立 了结构有限元-声场边界元格式的耦合系统拓扑优化模型,导出了耦合系统敏感度分析的一般格式及 伴随格式。数值算例验证了所提出的结构-声学耦合系统优化方法的有效性和可靠性,并揭示了基于 声学准则的拓扑优化结果的有关特性 关键词边界积分,结构声学耦合系统,拓扑优化,敏感度分析,伴随方法     

功能梯度圆柱壳-内声场耦合系统振声预测

针对功能梯度(FGM)圆柱壳与其内声场的振声特性分析需求，采用特征正交-里兹法研究圆柱壳厚度、材料梯度指数、边界支撑刚度、阻抗边界和简谐力位置等因素对振声系统的影响。圆柱壳的位移及内部声压变量通过特征正交多项式与周向傅里叶谐波函数构建，并以声压做功的方式考虑结构与声场之间耦合条件，进而结合里兹法得到耦合系统的振声模态和稳态响应。研究表明，由该模型所得到的数值解与文献及有限元结果具有较好的一致性。对参数的研究发现，壳体厚度、梯度指数、边界刚度、阻抗边界和激励位置等对振声系统的耦合特性均有较为明显影响，这为该类结构的低噪声设计及其内部声场优化提供了有益的参考。     

声学黑洞结构应用中的力学问题

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应是利用薄壁结构几何参数或者材料特性参数的梯度变化,使波在结构中的传播速度逐渐减小,理想情况下波速减小至零从而不发生反射的现象.实现声学黑洞效应的主要方法是将薄板结构的厚度按照一定规律裁剪,利用声学黑洞可以将结构中传播的波动能量聚集在特定的位置.声学黑洞对波的聚集具有宽频高效、实现方法简单灵活等特点,在薄壁结构的减振降噪、能量回收等应用中具有明显的优势.本文介绍声学黑洞效应的基本原理、相关力学问题的研究进展和有待进一步探究的问题,包括声学黑洞结构的建模与分析方法、实验研究方法及进展、声学黑洞结构中波的传播与操控,以及声学黑洞在工程应用中的相关问题.     

带制退器的膛口射流噪声数值模拟与实验研究

为了研究膛口装置对膛口噪声气动特性的影响，对带膛口制退器的某小口径武器的膛口射流噪声进行了数值模拟和实验研究。采用计算流体力学CFD (computational fluid dynamics)-计算气动声学CAA (computational aeroacoustics)耦合算法对膛口噪声进行数值模拟，即对膛口流场进行瞬态CFD模拟，获取流场数据，然后利用所得到的结果采用声学方程模拟声源信息求解声场。基于数值模拟结果，分析了膛口流场变化及噪声的指向性分布，并与实验结果进行了对比。研究表明:膛口制退器的安装改变了膛口流场结构，影响了膛口射流噪声的指向性分布。计算结果与实验结果的误差小于9%，验证了该计算方法的可行性。研究结果可为膛口射流噪声的预测及膛口制退器的设计提供一定的参考。     

基于自适应交叉近似边界元法的快速声学灵敏度分析

基于自适应交叉近似边界元法构造一组快速声学灵敏度分析方法,其中,声学灵敏度分析分别采用直接微分法和伴随变量法;而自适应交叉近似算法被用以克服常规边界元法的高计算量和高存储量的固有缺点。自适应交叉近似算法在迭代求解之前对边界元系数矩阵进行压缩存储,可以在降低存储量的同时提高求解效率。在声学灵敏度分析中,通过直接使用求解未知边界状态值时保存的压缩系数矩阵,可以进一步提高求解效率。数值算例验证了所构造的方法的计算精度和求解效率,以及在大规模声场问题的最优化分析中的应用潜力。     

高速列车车体长度对气动噪声影响的数值研究

高速列车具有细长形状, 数值评估气动噪声往往需要巨大的计算量.目前对高速列车气动噪声的数值模拟大多基于对简化短编组列车的评估,而实际列车通常具有较长的8$\sim$16节编组.如何基于现有条件合理评价真实长度列车的气动噪声,是一个急需探讨的问题. 本文应用非线性声学求解器(NLAS)和FW--H声学比拟法的混合算法, 先求解噪声积分面上的声场脉动,再进行远场积分, 引入多噪声面积分技术,通过对三种不同长度(3节、4节、6节)列车模型的气动性能和噪声数值模拟,分析了车体长度对列车气动噪声的影响. 结果表明,同一列车模型的各节车厢具有相似的沿线噪声分布,其噪声曲线在量值上十分接近,只是主峰位置会随着车厢空间位置的不同而相应地发生偏移;不同长度编组列车对应部位之间的远场噪声特性具有较强的关联性,它们的远场噪声具有接近的总声压级和噪声频谱.通过利用短编组计算数据进行分解、平移和叠加,成功重构了4编组和6编组列车远场噪声特性,与直接计算结果相比误差在可接受范围内.由此发展了基于短编组列车噪声的数值结果,重构长编组列车沿线噪声的近似评估方法.      

广义有限差分法在含阻抗边界空腔声学分析中的应用

声学分析在噪声控制、室内隔音等工程计算中有着重要的作用. 由于现实生活中的声学模型往往伴随着吸声材料, 因此分析含阻抗边界条件的声学问题显得十分必要. 广义有限差分法是一种新型区域型无网格数值离散方法, 该方法基于多元函数泰勒级数展开式和加权最小二乘拟合, 将控制方程中未知参量的各阶偏导数表示为相邻节点函数值的线性组合. 本文首次将广义有限差分法应用于含阻抗边界条件空腔声学问题的分析中, 建立了空腔声场问题的广义有限差分法数值离散格式. 与传统算法相比, 所建立的数值模型具有无需网格剖分和数值积分、计算精度高、适用于大规模声学分析等优点. 通过具有解析解的经典算例, 研究了总节点数目和局部支撑点数目对数值结果的影响, 得到了最大计算频率与节点间距之间关系的经验公式. 此外, 将广义有限差分法应用于无解析解的二维和三维复杂声学模型, 并与COMSOL Multiphysics软件所得的有限元结果进行了比较分析. 数值实验表明, 该算法是一种高效、精确、稳定、收敛的数值模拟方法, 在含阻抗边界空腔声学分析中具有广阔的应用前景.      

一种考虑薄壁散射效应的声学计算模型

采用薄壁边界元/FW-H理论混合方法建立了考虑薄壁声学散射效应的数值计算模型.这种声学计算模型可以预测存在薄壁如风扇机匣、蜗壳等条件下的声波的传播及散射问题.计算模型的建立主要包含噪声源的计算和声源的传播两方面:首先建立FW-H的频域方程,并采用计算流体力学方法计算流场,通过流场数据计算气动噪声源;然后采用薄壁面边界元法计算固壁对声波的散射,并计算声波在固壁散射后的声场分布.数值计算结果和实验结果及经典的叶轮机管道风扇噪声理论进行了对比,结果表明,这种计算模型与理论计算结果及实验结果吻合较好,可以准确的预测机匣壁的散射效应对声源传播的影响.     

基于LBM-LES方法翼型纯音噪声数值研究

基于LBM-LES方法,对中低雷诺数下的NACA0012翼型纯音噪声进行了直接计算,研究了不同迎角和雷诺数对纯音噪声的影响。计算结果表明,翼型的声源主要位于翼型的分离区和后缘处,在不同迎角和雷诺数下的声辐射特征均具有偶极子声场的特点;迎角的增大将引起较大的旋涡尺度和湍流强度,吸力面声源区域前移。声压级频谱分析表明,随着迎角的增大,纯音噪声逐渐消失,噪声谱最终呈现宽频特征;随着雷诺数的增大,后缘压力脉动增大。声压级频谱中,主频频率随着雷诺数的增大而增大,且符合Paterson公式的幂律关系。此外,声压级频谱特性随着雷诺数的增大表现出由离散特性向宽频特性转变的趋势。     

Analytical solution of radiation sound pressure of double cylindrical shells in fluid medium

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＳｏｕｎｄｒａｄｉａｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｄｏｕｂｌｅｓｈｅｌｌｓｗｈｉｃｈａｒｅｔｈｅｍａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｕｂｍａｒｉｎｅｈｕｌｌｓｕｎｄｅｒｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｉｎｆｌｕｉｄｍｅｄｉｕｍｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｓｕｂｍａｒｉｎｅｈｉｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ .Ｆｏｒｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｄｏｕｂｌｅｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃｓｈｅｌｌｓ,ｉｔｈａｓｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｅ…     

A weak formulation for interior acoustic analysis of enclosures with inclined walls and impedance boundary

A weak variational principle based approach is presented in this paper to study the sound field inside the acoustic enclosures with walls in arbitrary inclination and impedance conditions. The whole acoustic domain is firstly divided into several sub-cavities with trapezoidal and rectangular faces, and each sub-cavity is coupled with adjacent ones by matching the required continuity constraints on the interfaces on the basis of a modified variational principle and least-squares weighted residual method. By using this domain partitioning strategy, high-order acoustic modes and responses can be easily achieved. Chebyshev orthogonal polynomials of the first kind are employed as the wholly admissible unknown sound pressure functions for each sub-cavity without meshing process like FEM/BEM does, and then each physical domain is mapped into a square spectral domain. To demonstrate the convergence, accuracy and stability of the approach, the modal and sound response analyses of several configurations of cavities are examined and compared with available analytical solutions, or those obtained by using FEM. Effects of the weighted parameters together with the number of truncated polynomial terms and the divided cavity segments on the accuracy of present solutions are investigated. Key parametric studies concerning the influences of the geometrical properties as well as the impedance boundary of enclosing walls are also performed. It is demonstrated that the present method is a computationally efficient way to achieve interior sound predictions in mid-frequency range with a satisfactory accuracy of solutions.     

瞬态声振耦合问题的边界元分析及实验研究

本文探求任意外形结构在外力作用下的瞬态声场特性,研究声辐射机理,用时域边界元技术讨论外力、结构振动响应和声辐射三者之间的关系,并用实验结果加以验证,为瞬态声振耦合研究提供一种新的数值分析方法。     

冲击声场的时域边界元分析

本文用时域边界元技术从理论上探求机械结构在冲击力作用下的瞬态声辐射规律,预报声场特性,为冲击噪声的研究提供理论分析方法和计算手段。     

大型复杂圆柱壳中高频振动噪声仿真计算方法研究

建立大型复杂圆柱壳中高频振动噪声仿真计算方法,对于解决船舶和飞机等大型复杂结构的辐射噪声预报问题具有重要意义。介绍了完美匹配层流固耦合计算方法,并成功应用于大型复杂双层圆柱壳的水下辐射噪声预报,相对于传统的声学流固耦合有限元和边界元计算方法,使外部流场域模型至少缩小了11/15。探讨了环频率和阻尼对圆柱壳结构振动传递的影响,提出了求解中高频声学问题时大型圆柱壳复杂结构仿真建模处理方法。数值算例表明,发展的PML方法和模型简化方法是合理的,可应用工程问题研究。     

封闭圆柱腔内旋转点声源声压的近场频域解

在圆柱腔壁面为声学硬壁面的假定下，利用圆柱腔体空间内的格林函数导出了圆柱腔内旋转运动点声源空间声压的近场频域解；进而利用该频域解计算分析了旋转简谐单极子点源的声学特性。计算分析表明：由于考虑了壁面的影响，在圆柱腔体内，点声源旋转频率和源频率的变化将改变声压的空间指向性；源频率和旋转频率的增加伴随明显的多普勒效应，同时基频声压沿圆柱腔体轴线的分布从比较平缓变为明显波动；沿半径方向基频声压也波动变化。     

应变能中耦合项对旋转悬臂梁振动频率的影响

大范围运动悬臂梁的动力学建模问题对动力学特性分析及控制系统设计具有极其重要的作用. 当前研究多采用一次近似模型,其忽略了由轴向和横向变形所产生的应变能中的耦合项,然而这些项对动力学特性会产生影响. 通过讨论应变能的选取方式,计入了应变能中的耦合项;利用哈密尔顿原理建立结构的耦合振动模型;再借助瑞利—里兹法,以无大范围运动时的振型函数作为基本解组,得到了结构振动广义特征方程并求解. 通过数值算例对比分析,指出考虑应变能耦合项得到的频率与不考虑应变能耦合项得到的频率存在明显差别.      

Forced acoustical response of a cavity coupled with a semi-infinite space using coupled mode theory

This paper presents a study of the forced acoustical response of an open cavity coupled with a semi-infinite space by using acoustic coupled mode theory, an approach analogous to effective non-Hermitian Hamiltonian method. The reduced differential operator of the open cavities and associated frequency-dependent basis functions are obtained in order to describe the sound field in terms of modal expansion. The properties and physical behavior of this expansion are numerically investigated and explained using computational examples.     

A combined analytical and numerical analysis of the flow-acoustic coupling in a cavity-pipe system

The generation of sound by flow through a closed, cylindrical cavity (expansion chamber) accommodated with a long tailpipe is investigated analytically and numerically. The sound generation is due to self-sustained flow oscillations in the cavity. These oscillations may, in turn, generate standing (resonant) acoustic waves in the tailpipe. The main interest of the paper is in the interaction between these two sound sources. An analytical, approximate solution of the acoustic part of the problem is obtained via the method of matched asymptotic expansions. The sound-generating flow is represented by a discrete vortex method, based on axisymmetric vortex rings. It is demonstrated through numerical examples that inclusion of acoustic feedback from the tailpipe is essential for a good representation of the sound characteristics.     

MECHANICAL AND ACOUSTIC RESPONSE OF AN UNDERWATER STRUCTURE SUBJECTED TO MECHANICAL EXCITATION

In this paper, an underwater structure is modeled as a cylindrical shell with internal bulkheads, and closed by a truncated conical shell, and it consists of metal substrate and sound absorbing coating, whose FGM core is considered. Suppose the inner cavity and outer space of the structure are filled with air and fluid mediums, the mechanical response of the underwater structure is calculated with Galerkin method while the acoustic response is investigated by means of the Helmholtz integral. Some numerical examples are given and the effect of geometrical size and material parameters on mechanical and acoustic response is discussed.