用有限元/边界元方法进行结构声辐射的模态分析

采用有限元方法和边界元方法建立了轻流体介质中复杂结构振动声辐射的模态分析模型,可计算结构的模态辐射效率、场点声压、结构辐射声功率和辐射效率等声场特性参数.文中以板和加筋板结构的振动声辐射为例进行了模态分析,并与用远场 Rayleigh积分计算所得结果进行了比较.研究了激励力作用位置对板结构声辐射的影响和加筋板与板的模态辐射效率特点,并指出板加筋后会改变板的模态辐射效率规律.     

求解轴旋转空穴三维声辐射问题的复数矢径虚拟边界谱方法

基于虚拟边界积分法(或波叠加法),利用轴旋转空穴的儿何特性,将积分核函数和未知源强密度函数沿周向和子午线方向用Fourier级数展开,导出了轴旋转空穴辐射声压的谱表达式,进而采用复数矢径虚拟边界技术,建立了一种求解轴旋转空穴三维声辐射问题的新方法,可称之为复数矢径虚拟边界谱方法。该方法不仅不存在处理奇异积分问题,而且可在全波数域内有效克服解的非唯一性问题。通过与解析解的计算结果比较以及数值试验的验证表明,本文方法具有较高的计算精度和效率,且适用于较高频率范围的计算。     

用基于声类比的边界元计算管道风扇的管道声传播和辐射

本文介绍了用基于声类比的边界元计算管道风扇声场的新方法,将已被成功地应用于物体对外声场的散射计算方法推广应用到管道风扇的管内声传播和管口声辐射问题。数值结果表明了模型和方法的正确性及其可以作为管道声处理降噪敏果预测的工具。     

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。     

通过声辐射模态研究结构声辐射的有源控制

以简支平板为例,通过声辐射模态建立了弹性结构声辐射的有源主动控制策略。并分析了声辐射模态的数学和物理意义。研究发现在中、低频时,声辐射模态对应的辐射效率随着模态阶数的增加而迅速降低。在此基础上,本文提出了一种新的控制策略,即抵消前k阶声辐射模态的伴随系数,使得前k阶声辐射模态的声功率为零。本文以点力作动器作为控制力源进行了数值计算研究。     

基于声辐射模态的有源结构声传入及其辐射控制

从辐射模态的概念和角度研究利用结构误差传感方法对弹性封闭空间结构声辐射进行传感和有源控制。首先分析了辐射模态的数学和物理意义并揭示了辐射模态与声腔模态之间的内在耦合关系。通过声辐射模态建立了弹性封闭空间结构声辐射传感和有源控制模型,并提出了通过传感器阵列测量结构表面有限点的振速分布和设计特定的辐射模态空间滤波器来获得控制所需的误差信号。在此基础上对封闭空间结构声辐射有源控制和误差传感策略进行了深入的理论和数值仿真分析,重点讨论了传感器的数量和布放对辐射模态传感及其有源控制效果的影响。结果表明:辐射模态与声腔模态的耦合具有严格的选择性,各阶辐射模态的形状和与相耦合的主导声模态在耦合面上的形状非常相似;利用结构传感技术传感封闭空间的辐射模态时测点不足或空间采样不足将可能产生较严重的模态泄漏问题,使得不希望的结构模态泄露进所测的辐射模态当中来。在低频范围内,一般只需传感并最小化前三阶有效辐射模态声势能,在更低频和空间声模态频率附近,只需最小化前一阶最有效辐射模态声势能,便能和总声势能最小化策略控制效果基本一样。     

基于Burton-Miller方程的轴对称结构声学边界元方法

提出了一种求取轴对称结构任意边界条件下声辐射特性的边界元方法。采用Burton和Miller改进型公式将高阶奇异项转化为弱奇异项之和,保证声辐射参数的唯一性,且计算简单精确。将结构表面声压与振速按照旋转轴角度进行Fourier级数展开,利用级数的正交性建立各项待定系数的求解公式;然后转化格林函数的法向偏导为切向偏导,方便直接计算各项积分,并将面积分公式表示为沿结构边界的线积分和沿旋转角度的积分;进一步采用二次等参单元离散结构边界线,建立声压与振速的关系矩阵,从而确定结构声辐射参数。以脉动球源和横向振动球源为例计算,与解析解和传统边界元法结果作对比,说明该方法的有效精确性。     

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。     

任意边界板结构的声辐射模态误差传感器的设计

获取声辐射模态伴随系数是基于声辐射模态理论进行主动结构声控制(ASAC)的重要环节。以往PVDF分布式传感器的设计难点是振速展开受边界条件的限制,其设计过程往往是针对特定边界条件展开的。本文在声辐射模态理论和两维分布式传感器的压电方程的基础上,将板表面振速分布用Legendre多项式展开,给出了两维板结构的PVDF传感器形状与边界条件无关的设计方法。这样设计得到的传感器能应用于任意边界条件和任意振速分布的两维板结构,且实时性好,拓宽了其应用范围。本文还分别以固定边界条件板及在该板中任取一小区域两种情况为例,证明了该设计方法的可行性。     

边界元法计算已知振速封闭面的声辐射

采用边界元法求解封闭面在无限域声媒质中的辐射声场具有内存小、计算精度高、速度快等优点。但需处理被积函数在边界面上的奇异积分及表面Helmholtz方程在特征频率下无唯一解的问题。本文提出把内部Helmholtz方程与它关于内点坐标取导后的式子构成补充方程式,经与表面Helmholtz方程相结合,可求解任意频率下的声辐射问题;而在奇点附近区域,则提出用极坐标变换消除积分的奇异性。文中以轴对称形封闭面为例,计算了具有已知表面振速分布下的辐射声场。     

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.     

某些位势问题的边界元方法

研究某些可归结为位势问题的边界元方法，先求边界元出发方程，经离散化后给出为数值模拟的计算机软件。计算结果符合物理规律并令人满意。     

小波元方法在声子晶体周期结构中的应用

将双正交小波系统和谱元法的思想结合得到一般有界区域中的双正交小波元,将小波元的边界适应性推广到一阶微分的情形,通过匹配得到严格满足边界条件的小波基函数;基于小波元发展一种一维声子晶体能带计算方法.该方法利用声子晶体本身的结构特点,兼顾小波在数值分析中的优势和边界条件的满足,与周期小波法相比,具有更高的计算精度和计算效率.     

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。     

Navier-Stokes方程的有限元边界元耦合方法

主要研究了三维外部区域上具有Dirichlet边界条件的非定常Navier-Stokes方程的有限元边界元耦合方法,并分析了这一数值解的收敛速度.     

求解复杂边界的直接力浸入边界-格子Boltzmann耦合方法

本文对直接力浸入边界-格子Boltzmann耦合方法中两种常用LB方程中引入外力项的方法(EBF和GZS模型)以及基于压力的He-Luo模型与基于密度的LBGK模型两种LB方程的方法分别进行了对比分析.结果表明对于不可压流动,GZS模型精度比EBF模型高,而He-Luo模型精度与比标准LBGK模型高.采用多重力法可有效减小直接力IB方法会出现的边界无滑移条件误差,发现数值边界相对物理边界产生外扩现象,通过边界内缩方法可以使得数值边界与物理边界重合,实现边界的真正无滑移条件.     

求解声辐射问题的微分求积法与微分求积单元法

基于无限域中的Helmholtz波动方程,将微分求积法与微分求积单元法应用于二维及三维声辐射问题的求解,对最外层节点施加不同阶数的人工边界条件,区域内使用均匀及非均匀的节点分布方式,分析了节点分布方式及人工边界条件对计算结果的影响,比较了两种数值方法的计算精度。研究结果表明:微分求积法与微分求积单元法,前者精度更高,而后者耗时更少,在频率较低时,具备较高的效费比。人工边界条件对计算结果的影响主要体现在低频段,而节点分布方式的影响主要体现在高频段。非均匀的节点分布方式在不同频段都具备更好的计算精度。     

浅海波导中目标散射的边界元方法

提出了一种计算三维散射体在声速剖面随深度变化、距离无关浅海波导中散射声场的数值方法波导边界元方法。当散射体不十分靠近波导界面因而边界多次散射可以忽略时,在边界元计算中可以用自由场格林函数近似波导格林函数。应用镜像法和球波函数加法定理推导了理想波导中球体散射声场的解析解,用来验证波导边界元方法的计算精度,证明该数值方法是准确的。对浅海波导中水下潜器散射声场数值模拟的结果表明,浅海波导海面、海底界面反射、声速剖面等对目标散射声场的幅值和方向性都有很大的影响。     

结构振动模态声辐射理论及试验研究

从结构振动声辐射的一般规律、自由声场的声功率辐射理论和结构振动模态原理入手,对结构振动模态的声辐射与外加激励、模态参数之间的关系进行了理论推导和研究,得到,当激振点不变,振动模态辐射的平均声压级的变化量与激振力级的变化量之比为1;若激振力不变,任意两点处激振振动模态辐射的平均声压级的变化量与相应点振型元素级的变化量之比为1.对以上结果试验验证表明:理论值与实测值基本相符.