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声学材料耦合声场模拟研究

2017/1/17    来源:互联网    作者:赵树磊  任伟伟      
关键字:有限元  阻尼材料  声振耦合  
本文根据阻尼声学材料声管测试环境的物理模型,采用对常压下阻尼声学材料以及声性能测试环境声管进行了模拟建模,建立了声振耦合的有限元模型,可以有效指导阻尼声学材料声学设计和性能预测。

    目前,国内外在阻尼声学材料设计方法研究方面,主要通过解析法和模拟计算法,但是,对于阻尼声学材料设计无法用解析解的形式予以精确求解,模拟计算法就成为解决这类工程问题的主要方法,利用数值分析技术来研究材料参数、声腔结构与声学性能之间的关系。本文采用LMS.Virtual lab-acoustic声学仿真软件,可以运用有限元方法和边界元方法进行声学建模和声振建模,可以计算流体介质中和流体-结构耦合作用下的声波行为,可计算声压、声强及声功率等,在软件中可以完成从几何建模到有限元前处理,从有限元前处理到振动,从振动到声学,从声学到优化的多功能数值仿真计算。LMS.Virtual lab-acoustic也可用于各类阻尼声学材料及制品的材料参数设计和声学性能预测,可提升结构设计水平和效率,对材料配方设计和制品结构设计都具有重要的指导意义。

    本文采用LMS.Virtual.lab-acoustic对典型阻尼声学材料以及典型声性能测试环境—声管进行了模拟建模,参照的声管测试系统框图如图1所示,探讨了Virtual lab-acoustics在阻尼声学材料设计中的应用。

图1 声管测试模型示意图

图1 声管测试模型示意

1 阻尼声学材料建模的基本步骤

    采用Virtual lab-acoustic建模之前,需要考虑三方面的问题。首先要考虑的是所模拟的声场是内声场还是外声场,内声场通常是指在一个封闭的流体空间,周围被固体所包围,振动向封闭的流体空间中辐射声音,例如封闭的汽车内的空气就构成一个内声场;外声场是指一个封闭的结构外侧的流体空间,这个空间是从结构外表面到无限远处,是一个无限大的空间,例如汽车表面以外的声场就是一个外声场。第二是根据声场来判断是采用声学有限元还是声学边界元,声学有限元通常用于计算封闭空间的声场,声学边界元内外声场都可以计算。根据声管测试系统原理,本文所模拟的声场为一内声场,采用声学有限元的方法来模拟。在确定了声场后,第三是要判断所模拟声学问题是耦合还是非耦合,这里的耦合主要指的是声振耦合,在大多数情况下,声场和结构之间的耦合关系可以忽略,例如汽车发动机,发动机和空气之间的耦合作用就很小,并不影响声场的计算精度,但在一些情况下,必须考虑耦合关系,否则计算出的结果将不准确。阻尼声学材料在声管环境中的模拟需要考虑声场(水—外部声场,空气—内部声场)和声学结构之间的相互作用,由于声学结构的刚度比较小,结构与声场的相互作用比较大,因此是一个耦合问题。最终,我们确定对阻尼声学材料声管模拟采用耦合声学有限元法来模拟。具体的建模步骤如图2所示。

图2 建模步骤

图2 建模步骤

2 有限元网格

    针对所要模拟的声管测试环境和声学结构在有限元软件MSC-PATRAN中分别划分有限元网格,声管直径为56mm、5m长。将有限元网格导入到Virtual lab-Acoustic中,如图3~5所示。要注意的是,初次导入的网格,需要定义网格的类型。网格类型通常有结构(structural)网格、声学(acoustical)网格、场点(field point)网格。这里我们定义尖劈中的空腔和声管中的水环境网格为声学网格,定义尖劈和声管网格为结构网格。定义的场点网格如图4所示。场点声压设置自由度为S。场点网格不影响计算,只是用于查看计算结果,场点网格上的每个点相当于一个声压传感器(水听器),场点定义在哪里,就是计算哪里的声场结果。边界条件的定义需要在包络网格——acoustic envelope上进行,包络网格为面网格,首先在水环境网格表面生成包络网格,通过包络网格与结构网格耦合起来,在包络网格上定义振动边界条件和吸声属性,生成的包络网格如图4所示。

图3 声学结构和声管网格

图3 声学结构和声管网格

责任编辑:马倩
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