硕士论文-基于VA One的声结构优化系统的二次开发.pdf

大连理工大学 硕士学位论文 基于va one的声结构优化系统的二次开发 姓名：苏朝勇 申请学位级别：硕士 专业：计算力学 指导教师：赵国忠 20090601 大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展，人类实践活动的范围大大扩展，从陆到海从地到天，面临各 种各样的新环境，结构声振现象对人类活动造成极大影响。目前人们对声振要求主要体 现在三个方面：首先，声振对人的心理和生理有害，影响正常的生活、工作和身体健康； 其次，声振问题在军事对抗、科学探测等发现识别方面需求旺盛；第三，声振可加速结 构、仪器疲劳损伤，导致其运行可靠性降低，使用寿命缩短。研究声振问题目的就是趋 利避害，服务于民生和国防建设。 目前计算机数值方法模拟仿真成为了科学研究的重要手段。v ao n e 是个融合多种 数值方法的全频域声振仿真软件。本文在该声振软件平台下，对某航天结构进行声振分 析，对比了统计能量法和有限元方法的优缺点，展示了多数值方法联合应用解决结构振 动声场的意义。 在声结构分析基础上，对v ao n e 进行二次开发，增加了声结构优化设计的功能。 该二次开发采用m a t l a b 语言，并借助了m a t l a b 软件包，搭建了一个可扩展的软件开 发框架，考虑了将来的v ao n e 软件的功能扩展。声振计算和优化程序的开发涉及面广， 为方便各个功能模块的合成和数据交换，采用独立数据格式，提供了一种松耦合的方式， 便于专业人员专注于自己的功能模块和不同功能模块人员之间的互相协作，相互配合。 最后通过飞行器和汽车模型的隔声层优化算例展示了程序的有效性和运行正确性。 程序的不足是没有实现有限元和边界元的优化功能，这是由于当前的v ao n e 软件只能 正确提供统计能量法的接口。这将在未来的开发中增补。 本论文的研究工作是国家自然科学基金( 1 0 7 7 2 0 3 8 ，1 0 7 2 8 2 0 5 ) 的资助内容。 关键词：优化；程序设计；v ao n e 软件；m a t l a b 软件；声振 基丁二v ao n e 的声结构优化系统的二次开发 s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fs t r u c t u r a lv i b r a t i o n a c o u s t i co p t i m i z a t i o n b a s e do nv ao n e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，h u m a np r a c t i c ee x t e n d sw i d e l ya n d l a r g e l yf r o ml a n dt os e aa n dg r o u n dt os k y ，s u f f e r i n gav a r i e t yo fn e we n v i r o n m e n t s t h e p h e n o m e n ao ft h es t r u c t u r eo fv i b r a t i o nn o i s eh a v eab i gi n f l u e n c eo nh u m a na c t i v i t i e sa n d t h e r ea r eg r e a td e m a n d si nt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t st op e o p l ea tp r e s e n t f i r s t l y ，v i b r a t i o n n o i s ea r eh a r m f u lt om e n t a la n d p h y s i c a ls t a t e sa n dh a v ea na d v e r s ee f f e c to nt h en o r m a l l i f e w o r ka n dh e a l t h s e c o n d l y ，t h e r ea r eas t r o n gd e m a n do ft h es o l u t i o n so fv i b r a t i o n a c o u s t i c p r o b l e m so fd e t e c t i o na n di d e n t i f i c a t i o ni nm i l i t a r yc o n f r o n t a t i o na n ds c i e n t i f i ce x p l o r a t i o n t h i r d l y ，v i b r a t i o nn o i s ec a ns p e e du pt h ep r o g r e s so fs t r u c t u r e s a n de q u i p m e n t s f a t i g u ea n d d a m a g ea n df a i l u r e ，r e s u l t i n gi nr e d u c e dw o r kr e l i a b i l i t ya n ds h o r t e n i n gt h e i rs e r v i c el i f e t h e p u r p o s eo fs t u d yo ns o u n da n dv i b r a t i o ni st og oa f t e rp r o f i t sa n da v o i dd i s a d v a n t a g e s ，t o s e r v et h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d a tp r e s e n t ，c o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sb e c o m i n ga ni m p o r t a n tm e a n so fs c i e n t i f i c r e s e a r c h v ao n ei saf u l l - f r e q u e n c y d o m a i nv i b r a t i o n a c o u s t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r et h a t i n t e g r a t e sav a r i e t yo fn u m e r i c a lm e t h o d s i nt h i sp a p e r , a l le x a m p l eo fv i b r a t i o n a c o u s t i c a n a l y s i so fa l la i r c r a f ti sg i v e nu n d e rv ao n ep l a t f o r ma n dt h ea d v a n t a g e so fi n t e g r a t i o n a p p l i c a t i o no fs e v e r a ln u m e r i c a lm e t h o d si ss h o w nb yc o m p a r i n gt h em e r i t so fn u m e r i c a l m e t h o d s 幽o n e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n ti sd o n eb a s e do na n a l y s i sf u n c t i o n sa n de n r i c h e s 踢 o n ew i t ho p t i m i z a t i o nf u n c t i o n i tb u i l d sa ne x t e n s i b l ef r a m e w o r kf o rs o f t w a r ed e v e l o p m e n t b ym e a n so fml a n g u a g ea n du s i n gt h em a l r i a bs o f t w a r ep a c k a g e ，c o n s i d e r i n gi t s e x t e n s i b i l i t yi nt h ef u t u r e t h ed e v e l o p m e n to fv i b r a t i o n a c o u s t i cs i m u l a t i o nc o v e r saw i d e s c o p eo ff i e l d sa n di ti sd i f f i c u l t yf o ra ni n d i v i d u a lt om a s t e ra l lt h ea s p e c t so fd e v e l o p m e n t a ni n d e p e n d e n td a t af o r m a ti nu s eb r i n g su pal o o s e l yc o u p l e dm e t h o dt h a ti sc o n v e n i e n tf o r p r o f e s s i o n a l st of o c u so nt h e i ri n d i v i d u a la r e a sa n dt oc o o p e r a t ew i t he a c ho t h e r st ow o r k b e t w e e ns p e c i a l i z e df i e l d s a tl a s t , a no p t i m i z a t i o ne x a m p l ed i s p l a y st h ec o r r e c tr u n n i n ga n dt h ee f f e c t i v e n e s so f p r o g r a m m i n g t h eo p t i m i z a t i o ne x a m p l eo fs o u n di n s u l a t i n gl a y e ro fa na i r c r a f td i s p l a y st h a t t h ef i v e l a y e rs t r u c t u r ec a ng e tab e t t e rr e s u l tt h a nt h et h r e e 1 a y e ro n ea n ds h o w st h e v a l i d i t y a n dt h en e c e s s i t yo fo p t i m i z a t i o n t h ed e f i c i e n c yo fp r o g r a m m i n gi st h a ti th a sn o ti n c l u d e d i i 大连理工大学硕士学位论文 t h eo p t i m i z a t i o n 佗a t u r e so ft h ef i n i t ee l e m e mm e t h o da n dt h eb o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ， b e c a u s eo ft h el i m i to fs o f t w a r ev e r s i o n ，w h i c hw i l lb eo v e r c o m ei nt h ef u t u r ed e v e l o p m e n t t h ep r o j e c to ft h er e s e a r c hp r e s e n t e di nt h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i n a ( 1 0 7 7 2 0 3 8 ，1 0 7 2 8 2 0 5 ) k e yw o r d s ：o p t i m i z a t i o n ；p r o g r a m m i n g ；v ao n e ；m a t a b ；s o u n da n dv i b r a t i o n - i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文胍盈叫城血蕴继邋躯纽弛艮 作者签名：算剖尚一吼珥年孚月丛舀 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：蔓i 选：华互蹬兰查翻么豳毛红血三么彰发 作者签名：弛鱼一妻l 一一。i 期：4 年与7 月三l 日 导师签名： 主连l 叠基日期：4 年之月釜日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 声一结构系统的概述 噪声污染已经成为当今世界性的问题，同空气污染、水污染并称为世界三大公害。 噪声不仅对人体本身危害很大，影响人的生活质量和工作效率，而且加速建筑结构、机 械构件的老化，影响精密仪表及设备的精度和工作寿命。特别是在航空、航天、铁路、 工业和民用建筑等领域表现得尤为突出j 。例如当前汽车噪声已经成为城市的主要声源 污染，噪声指标已经成为衡量汽车产品的一项重要的质量标准1 2 】，直接影响它的市场竞 争力。在飞机飞行中由发动机振动、空气动力、螺旋桨或者这些共同作用会产生低频噪 声，它不仅影响机内乘员的舒适和工作效率，而且还会影响飞机内部仪器设备的正常工 作，对飞机本身结构产生声致疲劳和损伤，影响飞机的飞行寿命和安全。此外还有在生 产车间由于车床的振动而引起的噪声，航天结构在发射阶段的噪声振动问题，影响反侦 测安全性能的水下潜艇噪声辐射p j 等。因此，噪声涉及各工业国防部门和人们的日常生 活，是一个普遍而重要的问题。噪声的治理对人体健康、国民经济发展、人民生活质量 提高都具有重大意义【制。 噪声的治理在史前时代就已存在，从古遗址中装饰织物，到罗马帝国时代的毯子和 干草，无不反映出古人的经验与智慧。直到十五世纪以后，声现象才开始了理论性研究 与设计工作，代表人物【5 】有亥姆霍兹、贝尔、韦伯等人，而瑞利发表了经典著作声的 理论。n - - 十世纪，哈佛大学教授赛宾提出室内声学设计研究吸声系数概念，并给出 了这方面的简单关系式。这些声学要求多出现在建筑声环境要求方面，而到了近现代， 由于科技的发展，产业的升级，噪声防治已经扩展到了众多部门。噪声的研究范围也从 可听范围，扩展到了所有我们不需要或者对我们存在干扰的空气振动现象。声音的本质 就是空气振动，因而噪声与我们的所处环境中各种结构振动关系密切，并且相互作用。 所以，现代研究降噪及音效优化一般也要考虑的结构作用，即声一结构系统分析，以期 达到最理想的要求。 在目前噪声治理的研究工作主要偏重于被动控制方面，降低噪声源、控制传播途径 等【6 】。前者如减少发动力输出功率，降低轮船航行速度，后者如在房间内使用隔声板和 吸声装置，或者是特殊防护窗，这些都属于经典方法，也是在实际采用比较多的有效方 法。在现代分析中，出现以声一结构系统所组成的声场为研究对象的主动控制方法，通 过在系统内增加一定频谱的声源或振动源，主动对声场作用，降低噪声水平。 基于v ao n e 的声结构优化系统的二次开发 1 2 声一结构系统的数值模拟 声学经典理论的奠定已有很长的历史，但在定量分析方面，直到近现代计算机技术 出现后才算真正的发展了起来。 在实际的声学设计过程中，往往要经过多次的“吸声设计试验测试修改设 计”的过程，这既要耗费大量的人力、物力和财力，又使设计周期增加，降低了产品参 与市场竞争的能力。在计算机出现以前，声学家、建筑家大多是依靠无数年的经验加上 点可怜的计算来完成自己的设计，而且工程失败的案例相当的多，它们中幸运的也需要 在以后不断摸索修改改进。计算机技术出现以后，数值模拟的方法来进行声场的有限元 分析和灵敏度计算，可在设计阶段对声学特性进行预测，从而实现动态择优声学设计。 用数值模拟的方法进行声一结构系统设计不仅节约了开发费用，更是缩短了开发周期， 加快了产品的升级速度，赢得占领市场的先机。目前常用的数值方法大致分为三种：有 限元方法( f e m ) 、边界元方法( b e m ) 和统计能量分析方法( s e a ) 。而其它的数值方法大多 是在这三种方法基础上的演变和改进。 有限元法是求解微分方程的重要数值工具，通用性很强，适于各种形状的结构和声 腔，因而在工程中得到广泛应用。1 9 6 6 年g l a d w e l l 和z i m m e r m a n n i7 j 建立了一种关于声 一结构理论的能量公式，有限元应用于解决声一结构耦合问题从此得到推广。早期在声 学领域应用有限元法的有c r a g g s 、l e a l v e r 和j e n n e q u i n 、以及s h u k u 和i s h i h a r a ，主要提 供了一种分析汽车乘坐室内声场的实际方法。c r a g g s l 8 用有限元模型来确定汽车乘坐室 的声场响应；s h u k u 和i s h i h a r a 通过应用汽车乘坐室的比例模型1 9 】，计算并通过实验验 证了计算结果；n e f s k e 和h o w e l l 提供了一种实验的有限元方法来减少汽车内部噪纠1 0 1 。 而我国在8 0 年代开始将有限元法应用于工程声学中。近十年来，国内用有限元法分析 声一结构耦合【l l j 问题的文章逐渐增多，主要集中在对车辆腔室声学特性的研究。目前还 需要进一步发展各种新的有限元模型，探索其数学理论基础，编制通用的计算程序，研 究它在非线性声学的应用。 边界元法【1 2 】是在经典积分方程和有限元基础上发展起来的解微分方程的数值方法， 和有限元法相比有其优越性：划分单元模型的工作量小、求解方程数少、处理无界区域 问题更方便。边界元法的缺点主要有两个：一是理论复杂，尚有一些问题待以解决。二 是需要已知弹性边界的振动响应，如果先忽略内部声压对结构的作用，用理论方法( 如 有限元法) 计算出边界的振动响应，则求解精度受到影响；如果依赖于实验测量，必须 要有研究对象实体或模型的存在，则不能被应用于结构的理论预研阶段。近几年，国外 大连理工大学硕士学位论文 学者喜欢用有限元法对耦合系统的结构进行分析，用边界元法对耦合系统的外声场特性 进行分析。 统计能量分析方法i l3 j 是6 0 年代初发展起来的一种系统随机振动分析方法，目前这 种分析方法已经在声振作用下的航空、航天结构振动功率流【1 4 】特性、结构响应分析、机 械噪声控制等方面得到了广泛使用。s e a 方法是一种工程化方法，与工程项目进度同步， 特别适用于工程项目的早中期阶段。s e a 方法适用于分析含有高频、高模态密度的复杂 系统的耦合动力学问题，它使用统计平均概念，以能量为描述振动的基本量，根据振动 波和模态间的内在联系基于保守弱耦合、比例功率流、互易原理等假定建立声、结构振 动了系统间的耦合功率流平衡方程。 1 3 声一结构系统的全频域分析及优化 由于科学技术的发展，人类实践活动范围的扩大，遇到的问题更加复杂，同时人们 要求生活环境更优雅，精密仪器也要求工作环境影响误差更小。对噪声结构振动的研究 范围更加扩大，尤其是频域范围大了很多，问题从线性发展到了非线性，从确定性研究 到了随机振动研究。比如，飞机和汽车噪声的产生与控制的核心是流固耦合振动问题， 分析的对象为声一结构耦合系统。 限于当前世界的计算机性能和所面临问题日益庞大的规模，还没有一种比较合适的 算法可以处理全频域的声一结构问题【1 5 1 。目前对声一结构系统全频域研究比较常用的方 法就是混合耦合技术结合有限元、边界元和统计能量分析方法，利用各算法的本身优势 互补。比较有代表性的软件就是e s i 公司的v a o n e 软件，本文将在后面详细谈到它， 并对各算法本身进行评价。 另一方面，人们发现了很多新型的材料和结构可以改善结构振动和声场分布，也即 我们所称的吸声材料和阻尼材料，由于这些材料和结构的造价很高，怎样正确使用这些 材料发挥最大效果，有效的利用组合或分布各类材料达到经济实惠成为了工程界所关心 的问题。科学工作者提出了声一结构系统优化设计的概念，它不再是单纯的声场优化， 而是在结构、产品设计的阶段就利用各种隔声、阻尼结构同时考虑各种结构的本身声学 特性来使最终所设计的建筑、器械、设备产品合乎总体设计要求并且较为经济合理。 结构优化设计起源很久，自19 6 0 年后已经得到广泛的应用。从发展趋势上看，可 以采用优化的思想，调整结构的尺寸、形状甚至是拓扑形式来改善结构的振动【l6 】性态( 比 如固有频率、动位移等) 或声场的特征参数( 比如声功率、声压、噪声频率等) ，也可以在 其中使用专用的声学材料进行拓朴、尺寸优化等。如文献【1 7 】根据复模态理论和灵敏度分 析方法，对驾驶室声结构耦合系统进行灵敏度分析，计算了吸声材料对驾驶室内噪声 基于v ao n e 的声结构优化系统的二次开发 响应的灵敏度。计算结果表明，驾驶室顶棚上的吸声材料对驾驶室内驾驶员耳旁噪声的 灵敏度最大。 从国内外的声一结构耦合系统分析优化设计的研究进展看，仍有大量的问题没有得 到彻底解决，更缺乏集声、结构分析及优化设计于一体的通用性软件系统。 1 4 课题的目的及本文的主要研究内容 课题的目的是基于v a 饼忸软件平台研究声一结构耦合系统的响应，并在分析的基 础进行声一结构系统的优化设计。本文工作要解决的问题： ( 1 ) 在v ao n e 软件平台下，进行声一结构耦合系统的建模分析，实践声振系统 的工程化分析方法。 ( 2 ) 声一结构耦合系统部分优化功能的程序实现。在v ao n e 软件下进行声一结 构耦合系统优化功能的二次开发，补充v ao n e 声一结构耦合系统的优化设计功能。 本文第一章绪论简要介绍声一结构发展状况，以及在计算机辅助设计、分析方面的 概况。第二章介绍声一结构系统的基础理论知识和一些常用专业概念术语作简要介绍， 对常见声学结构和材料分类作了介绍，作为后文专业理论知识的铺垫。 第三章介绍了目前在声一结构分析设计中常用的数值计算理论，并对比了这些计算 理论的适用范围和优缺点，随后介绍了在v ao n e 软件中各种计算理论的代表组件和耦 合模型。 第四章展示了两个算例，对同一个飞行器模型进行仿真。仿真过程根据各算法的适 用范围和优点，由整体到局部，由粗略到详细逐步深化。这也是v ao n e 软件设计的核 心理念：从统计能量分析法单独仿真到它与有限元或边界元的耦合共同仿真，最后是有 限元边界元的局部仿真或者耦合仿真。 第五章在v ao n e 软件的基础上，做了v ao n e 优化功能的二次开发，弥补了该软 件没有优化功能的不足。文中给出了程序的开发框架和运行流程，同时给出了部分中间 数据文件的格式。由于v ao n e 开发版本的限制，该数据格式文件尚有待在后续开发中 完善。该章最后给出了两个优化功能的算例，表明程序的正确性与优化的有效性。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 声振动理论基础及声结构 为更好地研究声一结构系统，必须掌握声学、结构振动的理论基础，也需要了解各 种吸声、隔声材料的工作原理和大体性能。本章简述声学理论、吸声材料、隔声材料等 相关基础知识，方便后文研究。 2 1振动理论 质点在平衡位置附近的往复运动称为机械振动。按系统振动的规律可分为简谐振 动、周期振动、瞬态振动和随机振动。简谐运动最简单，可用正弦曲线表示。而随机振 动不能简单函数表达其运动规律，只能采用统计的方法进行研究表达。按系统所受激励 形式，振动可分类为自由振动、受迫振动和自激振动。振动对时间的展开具有波的形式， 振动在空间的迁移或者运动称为波的传导。 振动研究主要有三方面【6 1 ，第一方面是响应分析，即在已知系统参数及外界激励条 件下求系统的响应，由此进一步分析结构的强度、刚度和能量水平。第二方面是系统设 计和系统辩别，即已知系统的激励和响应求系统参数。第三方面是环境预测，即在已知 系统响应和系统参数的条件下，确定系统的激励或系统周围的环境。 a 振动的特征物理量 1 振动周期丁 完成一次全振动所用的时间r f = l 2 振动频率厂 单位时间内完成的全振动次数 3 角频率缈= 2 1 r 厂 单位时间内振动完成的相位角 4 波速1 ， 单位时间内波传播的距离 5 波长允 一个周期内波前进的距离或者空间上一个完整波形的长度 ，” 6 波数k = 竿 九 单位长度上的相位数或者2 万长度上的波形数 b 简谐振动 基于v ao n e 的声结构优化系统的二次开发 简谐振动是最简单的振动型式，复杂振动通常可以看做是简谐振动的叠加，所以研 究简谐振动是研究其它复杂振动的基础。其振动方型1 8 1 如下： 5 + 0 3 2 x ：0 简谐振动方程的叠加可以得到复杂振动的运动方程，同相同向的波幅相互增强，同 相反向的波幅相互消减。简谐波图象如下图( 2 - 1 ) - 2 2 声学基础 图( 2 1 ) 简谐振动波图像 2 2 1 声波的传播与声学的基本假定 声波，是一种在弹性介质中传播的振动波。本文我们研究的是所有在以空气为介质 的声波，其中包括人们所能听到的频率大约在从2 0 - - 2 0 0 0 0 h z 的范围内的声波。 我们要研究的声场的物理量有空气压强、质点振速、密度增量和温度增量。而声场 变量是叠加在空气宏观平衡状态参数上的脉动量，即 p ( x ，y ，z ，t ) = p ( x ，y ，z ，t ) - e o u ( x ，y ，z ，t ) = u ( x ，y ，z ，o - u o p ( x ，y ，z ，t ) = o ( x ，y ，z ，) 一p o ，p , o o 丁7 ( x ，y ，z ，t ) = t ( x ，y ，z ，t ) - t o 为研究声场，我们假定【1 9 1 ： a 空气为理想流体，无黏性并且声波传播无损耗； b 空气均匀连续，无声扰动时媒质宏观静止且为无源声场； c 声波传播是绝热过程，压强与温度无关，仅是密度的函数； d 声波为媒质中的小振幅压力波，声学参量均为一阶小量，远小于平衡状态参数。 大连理工大学硕士学位论文 声波是一种机械振动波，因此其波速与传导的介质有关。声速反映了媒介的可压缩 特性，可压缩性较大则声速较小；同时声速与媒介温度密切相关，温度愈高则声速愈大。 下面是空气中声速公式表达： 广 岛= ，妥，即与声压及密度变化率相关； y “尸 从声波的产生传播可知，我们可以有声源、路径、受者三个方面来实施噪声控制。 显然最有效的方法是对声源本身控制，大多情况下这也是最经济、最直接的措施，不幸 的是人们通常因为技术原因，仅从声源的处理措施不能合乎实际需求。控制传播路径是 另一个重要环节，通过限制和改变声波的传播路径，可使受者所接解的声波能量急剧减 少或衰减，甚至无感知。因为路径多种多样，控制方法也层出不穷，所以路径控制方面 研究方法手段众多。当前两种方法都受限时，人们通常只能对受体防护，或者减少工作 时间。 2 2 2 声学的常用度量 a 声压，指声波在气体中传播时引起的扰动。它是个标量，也是个即时值，可正可 负。而通常仪器测量的声压都是一段时间内的平均值，我们称为有效声压，即声压的均 方根： 一 见= 亭fp 2 ( f ) 破，其中t 是声波周期； b 声强，表示声能流的强弱和方向，是个矢量，存在大小和方向，定义为单位时间 内通过垂直于声传播方向单位面积上的声能量。显然，声强与声压或质点振速成正比， 其定义式为： ，( f ) = p ( f ) 甜( f ) 平面波的声强为一定值，而球面波声强大小与离开声源的距离有关。 c 声能密度，指单位体积的声能，包括媒质质点的动能和势能。声源在单位时间内 辐射出的总能量称为声功率。 由于上面这些度量单位，数值变化量程非常大，因此根据人耳对声波的响应规律， 定义了几个方便使用的比值类型度量，单位为分贝，即 d 声压级 基于v ao n e 的卢结构优化系统的二次开发 纠o s 2 蛐t g 基准声压p o = 2 0 x l o 。p a e 声强级 厶掣 基准声强厶= 1 0 。1 2 w l m 2 声功率级 w = l o l g 基准声功率w o = 1 0 2 形 2 2 3 材料的声特性参数 a 特性阻抗 材料声阻抗率，通常指声场中某位置声压与该处质点振动速度的比值互= p u 。而 材料特性阻抗是材料本身的一种性质，数值大小为风，不随声压及振动速度变化，就 好像电阻、电压、电流的关系一样。 b 吸声系数 吸声材料或结构的吸声性能用吸声系数表示，吸声系数高表示吸声性能好。吸声系 数a 是声波入射到材料或结构表面被吸收的声能乜和总的入射声能巨的比值，即 口= e e , ，它的大小和声波的入射角有关。如果声波的入射是无规的，常用混响室法 测量材料的吸声系数；如果声波是垂直入射的，则用驻波管法测量。对同一种吸声材料 或结构，用这两种方法所测得的吸声系数不同。通常混响室法所测得的吸声系数比驻波 管法高。此外，吸声系数的大小还受声波频率的影响。 2 3 声波的基本方程 a 连续方程 由质量守恒定律，对气体微团列式，可得方程： 大连理工大学硕士学位论文 鲁+ 咿v o 写成张量式：户+ p o v , 。= 0 b 动量方程 声振现象是一种理想流体的运动，符合牛顿第二定律，可推导： 印一岛昙y 写为张量式：p ，= 一岛嘭 c 气体状态方程 根据假定，声波传导过程时间较快，不考虑热交换，视为绝热过程，可得： p = 露p 其中：土，三个物理量分别为当地声波速度、流体体积模量和扰动前密度。 p o 2 4 吸声与隔声 2 4 1 吸声与隔声的基本概念 吸声与隔声是完全不同的两个声学概念【2 0 】。吸声是指声波传播到某一边界面时，一 部分声能被边界面反射( 或散射) ，一部分声能被边界面吸收( 这里不考虑在媒质中传 播时被媒质的吸收) ，这包括声波在边界材料内转化为热能被消耗掉或是转化为振动能 沿边界构造传递转移，或是直接透射到边界另一面空间。对于入射声波来说，除了反射 到原来空间的反射( 散射) 声能外，其余能量都被看作被边界面吸收。在一定面积上被吸 收的声能与入射声能之比称为该边界面的吸声系数。 例如室内声波从开着的窗户传到室外，则开窗面积可近似地认为百分之百地“吸收一 了室内传来的声波，吸声系数为1 。当然，我们所要考虑的吸声材料，主要不是靠开口 面积的吸声，而要靠材料本身的声学特性来吸收声波。 对于两个空间中间的界面隔层来说，当声波从一室入射到界面上时，声波激发隔层 的振动，以振动向另一面空间辐射声波，此为透射声波。通过一定面积的透射声波能量 与入射声波能量之比称透射系数。对于开启的窗户，透射系数可近似为l ( 吸声系数也 为1 ) ，其隔声效果为0 ，即隔声量为0 d b 。对于又重又厚的砖墙或厚钢板，单位面积 质量大，声波入射时只能激发起此隔层的微小振动，使对另一空间辐射的声波能量( 透 射声能) 很小，所以隔声量大，隔声效果好。但对于原来空间而言，绝大部分能量被反 射，所以吸声系数很小。 基于v a o n e 的声结构优化系统的二次开发 对于单一材料( 不是专门设计的复合材料) 来说，吸声能力与隔声效果往往是不能 兼顾的。如上述砖墙或钢板可以作为好的隔声材料，但吸声效果极差；反过来，如果拿 吸声性能好的材料( 如玻璃棉) 做隔声材料，即使声波透过该材料时声能被吸收9 9 ( 这是 很难达到的) ，只有l 的声能传播到另一空间，则此材料的隔声量也只有2 0 d b ，并非 好的隔声材料。 242 暇声材料和吸声结构 吸声材料指吸声系数比较大的建材或装材，而吸声结构指具有较高吸声能力的结 构，但结构本身的材料吸声作用不起主要作用，吸声的机理多为共振吸声原理。这些常 用于控制室内的混响时间和消除回声，降低室内的噪声，也用作消声器中的衬垫以降低 管道噪声，即多用于内腔或内场。 以频率为横坐标、吸声系数为纵坐标绘出的曲线称为材料或结构的吸声频率特性曲 线，又称吸声频谱。吸声材料和吸声结构的种类，主要有多孔材料、亥姆霍兹共振器、 穿孔板吸声结构( 包括微穿孔板吸声结构) 、薄板共振吸声结构、柔顺材料等。 a 多孔材料：材料有许多微小间隙和连续 气孔，而且具有适当的通气性能。当声波入射到 多孔材料时，首先引起小孔或间隙的空气运动， 而紧靠孔壁或纤维表面的空气因受孔壁的影响 便不易运动。空气的这种粘滞性会使一部分声能 。 变成热能。小孔中的空气和孔壁同纤维之间的热 。 传导，也会引起热损失。这两个原因使声能衰减。 影响多孔材料吸声性能的主要有如下三个参数： 流阻，它是在稳定的气流状态下，材料两面的 压力差与气流通过该材料的线速度的比值；孔 。 。 隙率，它由穿透材料内部自由空间孔隙的体积与 图伫之) 多孔吸声扳 材料总体积的比值来确定，吸声材料的孔隙率一 般在7 0 以上，多数达9 0 ； 结构因素，它是在理论上处理材料间隙的杂乱捧列而 对毛细管沿厚度方向排列的模型所做的一项修正，一般在2 1 0 之间，也有高达2 0 2 5 的。材料结构的改变将导致这些参数的变化。从而改变材料的吸声特性。 多孔材料过去以棉、麻等有机纤维材料为主，现在大多采用玻璃棉、矿渣棉等无机 松散材料。这些松散材料正逐步成为定型的吸声制品，如矿棉吸声板、玻璃棉板、玻璃 棉毡等。如在这些材料表面上加一层塑料薄膜，则应不影响透声性。由无机颗粒材料制 大连理工大学硕士学位论文 成的多孔砌块，如矿渣吸声砖、陶土吸声砖、珍珠岩制品等，也可用于吸收管道噪声。 此外，有通气性能的聚氨酯泡沫塑料、海绵、木丝板和木纤维板等，也属于多孔材料。 多孔材料的吸声频谱，在材料比较薄( 一般厚度为2 “ - - 3 厘米) 的情况下，低频吸 收较差。随着频率的增高，吸声系数增大，中、高频吸收比较好。材料加厚可增加吸声 系数，低频吸声系数增加更多。吸声系数的增加量与材料的流阻大小有关。多孔材料背 后设置空气层，效果与材料加厚相似。 b 亥姆霍兹共振器：由一个刚性容器和一个连通的颈所组成的结构。当声波进入孔 颈时，由于孔颈的摩擦阻尼，声能变为热能，使声波衰减。当声波频率接近共振器的固 有频率时，共振器孔颈处的空气柱振动特别强烈，声能吸收较大；远离共振频率时，则 较小。亥姆霍兹共振器的吸声频带比较窄，在共振频率时吸收最大。 c 穿孔板吸声结构：在穿孔薄板的背后，设置空气层或多孔材料，并固定在刚性壁 上的一种吸声结构，可看成是由质量和弹簧组成的一个共振系统。当入射声波的频率和 系统的共振频率一致时，穿孔板中的空气就激烈振动、摩擦，加强了吸收效应，形成了 吸收峰，使声能显著衰减。远离共振频率时，则吸收作用较小。如果在穿孔板后放置多 孔材料增加声阻，会使结构的吸收频带加宽。 穿孔板吸声结构是噪声控制和室内音质设计经常采用的一种吸声结构。它的吸声特 性取决于穿孔板的厚度、穿孔孔径和孔距、穿孔板后空腔的深度以及底层材料等。穿孔 率越大，共振频率越高。 微穿孔板吸声结构：中国在1 9 6 4 年首次提出“微穿孔板”的吸声结构，是一种对 穿孔结构的改进，把穿孔的孔径缩小到毫米以下，可以增加孔本身的声阻，而不必外加 多孔材料就能得到满意的吸声系数。为了拓宽吸声结构的有效频段和提高吸声效果，还 可以采用不同穿孔率和孔径的多层结构。中国科学院声学研究所研究了微穿孔板的吸声 系数等，证明这种结构的效果很好。 d 薄板共振吸声结构：是在不透气的薄板背后设置空气层并固定在刚性壁上的一种 吸声结构。当入射声波的频率和该系统的共振频率一致时，就发生共振，由此引起的内 部摩擦将声波吸收。它的吸声频率范围很窄，只能作为吸收共振频率邻近的频带为主的 吸声构造。共振频率五取决于薄板的尺寸、重量、弹性系数和板后空气层的厚度，并且 和框架构造及薄板安装方法有关。常用的薄板材料有胶合板、纤维板、石膏板和水泥板 等。 e 柔顺材料：内部也有许多微小的气孔，但气孔密闭，彼此不相通。当声波入射到 材料表面时，很难透入到材料的内部，而只是使材料作整体的振动。因此它的吸声频谱 基。rv ao n e 的卢结构优化系统的二次开发 特性与多孔性材料有所不同，高频吸声系数很低；中、低频的吸声系数类似共振吸收， 却无显著的共振吸收峰，呈现复杂的起伏状态。 2 4 3 隔声材料、隔声结构及阻尼材料 大凡不透气的固体材料，对于空气中传播的声波都有隔声效果，都可用做隔声材料。 材料隔声效果的好坏最根本的一点是取决 于材料单位面积的质量，即固体面密度。隔 声结构就是指由不透气的固体材料所构成 的功能结构。阻尼材料多为内阻或内摩擦比 较大的材料，用于抑制结构本身的振动，消 耗振动能量。 隔声材料对不同频率隔声性能不同，可 以绘制隔声曲线，以表示材料性能。隔声性 能通常满足质量定律，即在适当的范围内其 他参数不变情况下，频率降低一半，传递损 失要降6 d b ；隔层质量增加。一倍，隔声增加 隔声窗 m ( 2 3 ) 隔声窗构造 6 d b 。例如表面致密的厚重墙壁通常有较好的隔声性能，而面密度较大的轻薄结构容易 产生吻合效应。 a 吻合效应：隔层材料在物理上有一定弹性，当声波入射时便激发振动在隔层 内传播。当声波不是垂直入射，而是与隔层呈一角度。入射时，声波波前依次到达隔 层表面，而先到隔层的声波激发隔层内弯曲振动波沿隔层横向传播，若弯曲波传播速度 与空气中声波渐次到达隔层表面的行进速度一致时，声波便加强弯曲波的振动，这一现 象称吻合效应。这时弯曲波振动的辐度特别大，并向另一面空气中辐射声波的能量也特 别大，从而降低隔声效果。 任意吻合频率与声波入射角0 有关。在大多数房间中的声场都接近于混响声场，到 达隔层的入射角从0 。到9 0 。都有可能，因此吻合频率出现在从掠入射( 0 = 9 0 ) 的正开 始的一个频率范围，也就是说吻合效应使某一频率范围的隔声效果变差。一般这一频率 范围发生在中高频。从质量定律知道，中高频隔声量较大，除了内阻尼很小的金属板外， 因吻合效应使中高频隔声量降低的现象，不会引起很大的麻烦。 b 双层多层隔声结构：质量定律也有一定的适用范围，若要显著地提高隔声能力， 单靠增加隔层的质最，例如增加墙的厚度，显然效果不十分明显，有时甚至是不可能有 大连理工大学硕士学位论文 ；麟鬻l 睃零 i 黧篙：三纛拳滗? 么涉“ 种材料以避免这两层出现相同的1 鼍_ - - ，歹：椤 吻合频率。我们通常可以通过设飞羁氏、 计，使此频率处于所研究频率范围铝啊o _ 1 之外，从而达到降噪目的。 幽( 2 - 4 ) 双层隔声宙 例如，对于轻结构双层隔声，共振额率可能落在可闻频率范围内，这时应在两板间 填塞阻尼材料，以抑制板的振动。一般若用薄钢板做双层隔声结构时，钢扳上都涂好阻 尼层来抑制钢板的振动。 在设计和施工中要特别注意，两层之间不能有剐性连接。破坏了同体一空气一固体 的双层结构，把两层固体隔层由刚性构件相连，使两个隔层的振动连在一起，隔声量便 火为降低。尤其是双层轻结构隔声，相互之间必须相互支撑或连接时，一定要用弹性构 件支撑或悬吊，同时注意需要分割的两个空间之间，不能有缝或孔相通。 基于v ao n e 的声结构优化系统的二次开发 3 声一结构系统的计算方法 3 1基本计算理论介绍 经过最近几十年的发展和选择，现在比较适用于做声一结构系统分析的计算方法主 要有统计能量分析法、有限单元法、边界元方法，以及少量对这些的改进方法。 3 1 1 统计能量分析法 统计能量分析( s e a ) 是6 0 年代初发展起来的一种系统随机振动分析方法，目前 这种分析方法已经在声振作用下的航空、航天结构振动功率流特性、结构响应分析、机 械噪声控制等方面得到了广泛使用。s e a 方法是一种工程化方法，与工程项目进度同步， 特别适用于工程项目的早中期阶段。 统计能量分析方法【1 3 】是应用 统计平均的观点，以能量作为描 述振动的基本量，根据振动波和 模态间的内在联系基于保守弱耦 合、比例功率流、互易原理等假 定建立声、结构振动系统间的耦 合功率流平衡方程，分析复合的、 谐振的复杂结构在外载荷作用下 o t l - 的动力特性、振动响应及声辐射 的模拟和预测。 图( 3 - 1 ) 简单线性s e a 系统 “统计”的意义是指允许有较粗略的系统模型参数，即是说所研究的系统对象是从 随机参数描述的总体抽取出来的，这样就可以较快的提供复杂系统的声振环境预示。 “能量”的意义是用能量描述各种动力学子系统的状态，使用功率流( 单位时间的 能量) 平衡方程描述耦合子系统间的相互作用关系，使用能量作为统计能量分析中独立 的动力学变量就可统一处理固体结构和流体声场间的耦合动力学问题