基于解析解和边界元解的圆柱壳声辐射对比研究

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基于有限元_边界元耦合方法的管道进口声传播及声辐射模型

2π
N(x , r
, θ)eimθdθ
0
(7)
有限元模型的边界条件有 1)在刚壁上
m
n
=0
(8)
2)在对称轴附近 , 为了避免由 r =0 引起的奇异性 , 积分区域去除了一个半径很小的圆柱体 , 且在边界上使用固壁条件 ;
3)在声源平面 , 给定
m = f (r)
(9)
4)声衬表面的阻抗边界条件 , 设 z a 为声衬声阻抗 , 则根据定义
美国航空航天局(NASA)发展的 T BIEM3D 模型[ 1] 可以说是一种有代表性的快速短舱声学计
算方法 .该方法已经在 NASA 开展的“先进亚声运输机”计划中得到应用 .但是 , 对于这种单一基于边界元方法的模型 , 如果要将其拓广到更为实际的非均匀流情况 , 那么将遇到无法回避的难题 . 另一方面 , 在 Eversman 等人基于单一有限元方法的模型[ 2] 中 , 将短舱管口视为点源以利用无限单元构建无反射边界条件 , 这种方法所需计算域极大 , 并且其中的近似方法将会给外场声辐射计算带来不小的误差 .
第 1 期
任志文等 :基于有限元/ 边界元耦合方法的管道进口声传播及声辐射模型
137
众所周知 , 航空发动机消声短舱是大型民用运输机噪声控制的核心技术 .但是 , 如果没有一种有效的基于管道声学理论的噪声传播与辐射预测
模型做指导 , 要设计高性能的消声短舱将面临很大的困难 .单凭实验和经验进行短舱声学设计不仅费用高昂 , 耗时巨大 , 而且也难以取得理想的效果 .为此 , 早在上世纪 70 年代 , 研究人员就提出了半解析/ 半数值的模态匹配法 , 对声波在软壁管道内的衰减进行计算 .近年来 , 各种数值模拟技术迅猛发展 , 在管道声学计算中得到了越来越重要的应用 , 如边界元法、有限元法、谱方法、计算气动声学方法等 ;这些方法正在逐步取代早期的模态匹配法 .但与此同时 , 在工程设计也面临这样的难题 :如何发展一种不失准确性 , 同时计算快捷的短舱声学模拟方法 .只有依靠这样的方法 , 才能对声衬、管道几何、流动条件等多种实际因素进行参数优化 , 以达到远场辐射噪声最低的设计目标 .

基于有限元和边界元的轮胎振动声辐射仿真计算

功率级随频率的变化规律．静载增大，轮胎刚度增大，导致其固有频率增大，对应峰值频率往右移．进一步可以发现静载增大，对高频的影响也要大于低频，主要影响胎侧的振动，使其辐射噪声增大，总声功率级由１６８ｄ３．５Ｂ增大到１３２ｄ．４．８Ｂ
一
３影响因素分析
图９给出了不同充气压力下轮胎噪声辐射声
功率级随频率的变化规律．胎压减小，轮胎刚度减
小，致其固有频率减小，应峰值频率往左移．导对进一步可以发现胎压减小，高频的影响大于低对频，主要影响胎侧的振动，其辐射噪声增大，使总声功率级由１６８ｄ３．５Ｂ增大到１８７ｄ．３．３Ｂ图１０给出了不同垂向静载下轮胎噪声辐射声
ｐｒ．ＡｔｓｔｏｓｄｓｎｄａｄｕｅｏｔｓｅｃｎｕｔｄｅｅｔｍａｎｔｔｒｒｎｅｏｅＡＣｍｏｏａｔｓｅｔｍｅｈｄｗａｅｉｅｎｓｄｔｅｔｈｏｄｃｅｌｃｒｇｔｏｇｅｉｉｅｆｅｃｆｔｒｉｃｎｅ声辐射仿真计算等基
４９８
度增大，导致其固有频率增大，应峰值频率往右对
移．进一步可以发现，侧材料变硬，声辐射影胎对
振动声辐射；压和静载对振动声辐射中的中高频胎
率时轮胎表面各节点的振动分布情况．可以发现，在轮胎接地位置受到径向激励时，轮胎胎面首先振动．随着频率升高，胎面的振动开始传递到胎侧．图７为某轿车轮胎在０２Ｐ胎压．Ｍａ下振动试验结果，Ｊ激振源位于轮胎接地中心．可

有限浸深圆柱壳振动及远场声辐射的解析方法简

有限浸深圆柱壳振动及远场声辐射的解析方法简
有限浸深圆柱壳振动及远场声辐射是近年来政务民生领域中颇受重视的课题。

它利用直接有限元法模拟圆柱壳振动，研究得到的圆柱壳振动的结果被用作近场声辐射计算的初始数据，利用差分法，解决远场声辐射的问题，为政务民生工程的运筹布局、可行性提供有力的支撑。

有限浸深圆柱壳振动及远场声辐射的解析方法主要分两步：第一步，先有限元
分析建立三维边界介质问题，输入圆柱壳空腔结构参数和调查场景空气条件等数据，在空间离散、基于时域有限元方法和球壳空气介质对声学动扩散方程的应用，解决圆柱壳振动的问题，数值模拟得到圆柱壳振动的分布特性。

第二步，依据圆柱壳振动的分布特性，使用差分法解决远场声辐射问题，数值仿真结果用作政务用地可行性分析、政务民生工程布局等决策参考。

有限浸深圆柱壳振动及远场声辐射的解析方法对于政务民生领域有着广泛的应用，它利用有限元分析体系和差分数值计算技术，解决较为复杂的分部圆柱壳振动及其远场声辐射动扩散物理系统，为政务民生工程的规划设计、场地可行性提供有力的支撑。

基于有限元-边界元无砟轨道声辐射特性分析

科学与工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＲＡＩＬＶＶＡＹＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ＶＯ１．１０ＮＯ．１
２０１３年２月
Ｆｅｂ．２０１３
基于有限元一边界元无砟轨道声辐射特性分析
ｒａｉｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｂｅｔｗｅｅｎ８Ｏ０ —－３０００Ｈｚ．ｔｈｅｎｏｉｓｅｍａｉｎｌｙｃｏｍｅｓｆｒｏｍｔｈｅａ — ｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｏｆｓｔｅｅｌｒａｉｌｓ．ａｎｄｂｅｔｗｅｅｎ０—一５００Ｈｚ．ｔｈｅｎｏｉｓｅｍａｉｎｌｙｃｏｍｅｓｒｏｆｍｔｈａｔｏｆｓｌａｂｔｒａｃｋｓ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅ，ａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｏｆｔｒａｃｋｓｙｓｔｅｍａｐｐｅａｒｓｔｏｄｅｃｒｅａｓｅｌｉｎｅａｒｌｙ，ｍｏｒｅｏｖｅｒｔｈｅａｃｏｕｓ — ｔｉｃｏｆｓｔｅｅｌｒａｉｌｓｉＳｍｏｒｅｏｂｖｉｏｕｓｔｈａｎｔｈａｔｏｆｓｌａｂｔｒａｃｋ．ｗｈｉｃｈｉＳａｌｍｏｓｔｍｏｒｅｔｈａｎ１５ｄＢ．ａｎｄｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａ．ｔｉｏｎｏｆｗａｉｓｔｒａｉｌｉｓｍｏｒｅｏｂｖｉｏｕｓｔｈａｎｔｈａｔｏｆｏｔｈｅｒｐａｔｓｒｏｆｓｔｅｅｌｒａｉｌｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒ ’Ｓｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｓｕｈｏｆｔｒａｃｋｓｙｓｔｅｍ’ ＳｎｏｉｓｅｉＳｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈａｔＯｆｏｔｈｅｒｍｏｄｅｌｓｖｅｒｙｗｅｌ１．Ｉｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｎｅｓｓａｎｄｆｅａｓｉｂｉｌ．ｉｔｙｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｕｓｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｄａｍｐｉｎｇｏｆｎｏｉｓｅａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｒａｉｌ —

部分敷设阻尼材料的水下结构声辐射分析

水下结构如潜艇和鱼雷，在水中航行的复杂弹是
成果。Ｌｕａｎｔ ¨ 研究了流体中覆盖有一层粘弹ａｌｇｅ等
性阻尼材料的有限长圆柱壳的声辐射，处理肋骨时在采用了能量法。陈炜等研究了敷设自由阻尼层的环
性体结构，内部动力装置的机械振动传递到壳体，其进而向周围流体介质传播噪声，而形成辐射噪声。降从低水下航行体的辐射噪声不仅可以提高自身的隐蔽
性，且还可以增大自身声呐系统的探测距离。在壳而
（：．＋∑叼）２，７：Ⅳ
ｉ２ ≠
一
能量为基本变量，点研究稳态振动时的平均振动能重量在复杂系统里的传递和分布，研究结构和声场的是
（叼＋∑ｒｉ－ｈⅣ ）
ｉ１ ≠
一
一
叼ｌＮ１２
ｒ１Ｎ１／
Ｅ１
Ⅱｌ
Ⅳ１
叼１２ Ⅳ２
界进行能量交换，如此，每个子系统都能列出一个能对量平衡方程，最终得到一个高阶线性方程组，此方程解
与该动力舱段模型试验结果的对比，验证了数值计算模型的有效性；过分析阻尼敷设比例对圆柱壳声辐通
射的影响，到有效控制水下结构声辐射的一些结论。得
１统计能量分析方法
统计能量分析（Ｅ方法从统计的观点出发，ＳＡ）以

圆柱壳体振动声辐射效率数值计算分析

圆柱壳体振动声辐射效率数值计算分析作者：西北工业大学贺晨盛美萍石焕文摘要：利用有限元、边界元和统计能量分析方法并结合软件对圆柱壳体在流场中受激振动及声辐射效率作了数值计算分析研究。

利用ANSYS 软件计算壳体的模态及其在流场中受点激励时的振动响应。

然后结合SYSNOISE 软件和AUTOSEA 软件分别计算壳体在流场中声辐射效率在低频段和高频段时的频率响应。

从而建立一套圆柱壳体在流场中振动声辐射效率在全频段的数值计算分析方法。

关键词：声学;圆柱壳体;振动;声辐射效率;数值计算声隐身技术在水下目标隐身技术中仍然占据主导地位。

水下目标的声隐身性能主要体现在抗敌主动声纳的探测能力及防敌被动声纳探测能力上,而降低和屏蔽自身的辐射噪声是水下目标主动隐身的有效措施,因此研究结构声辐射对于水下隐身技术具有重大的意义。

航行器的结构噪声来源于内部机械激励板或壳体振动并带动周围流体介质产生声辐射,而圆柱壳体是潜艇、鱼雷及其他各种空中或水下航行器舱段的主要结构形式,因此研究圆柱壳体在有流体介质负荷时的声2振特性具有重要的理论价值和实际意义。

有限元2边界元方法是结构振动声辐射常用的数值分析方法,比较成熟的商用软件包括美国ANSYS 公司开发的有限元软件ANSYS 和比利时LMS公司开发的有限元2边界元软件SYSNOISE 等。

ANSYS 软件含有有限元技术,可以计算任意复杂结构的水下振动与声学问题。

但该软件声场后处理能力弱,无法给出声辐射功率、声辐射效率等声学参量。

SYSNOISE 软件既含有限元技术,又含边界元技术,可计算一般复杂弹性结构的水下耦合振动问题。

其对声场的后置处理功能很强,可计算结构的声辐射功率、激励力的辐射声功率、声辐射效率、声场的质点振速分布及远场指向性等等。

综合这两套软件的特点,将其联合起来使用,可以计算水下圆柱壳体与声场的耦合振动与声辐射问题[1 ] 。

然而在高频区域,有大量的共振模态存在使得对所有振动共振模态的确定性分析是不现实的;同时计算频率越高,网格划分越细,单元数量就越多,而目前计算机的处理能力有限,因此有限元2边界元方法在高频时就不适用。

水下航行体机械系统的声学相似性研究—能量法

尸＝ＩＩＩ。ｐＩ告Ｉ（）ｖ０
点的结构导纳。
（１）
式中。为机械设备的自由速度，它用于描述机械振源的强度；。Ｚ为弹性安装的传输阻抗；ｐ为安装由（）１式容易得到激励功率的相似关系：
收稿日期：２０ —１ —００１２９
人ｆ１２ｒ／＜１￣一厂－＞
：
￣－
（７ ‘）
模型和原型材料相同时，上式简化为（ａ式。由（）可知，座面板和壳板作为均匀板考虑时，３）７式基它们的导纳满足相同的相似关系，而且导纳的相似关系与仅仅考虑基座面板导纳的结果一样。果将如壳板考虑为正交各向同性板或圆柱形壳体，分析文献［】出的它们的导纳表达式，以得到与（）８给可７式
的声学相似性，建立机械设备的激励功率、壳体振动的空间均方值和水下辐射声功率的相似关系。
关键词：下航行体；机械系统；水声学相似性中图分类号：０２．０２．４２６４７５文献标识码：Ａ
１前言
水下航行体机械系统产生的水下噪声，是其实现安静化需要解决的一个最基本的问题。研究和控
维普资讯
第６卷第４期
２００２年８月
文章编号：０７—７９（Ｏ２０一Ｏ９ —０１０２４２０）４０６７
船舶力学
ＪｕａｆＳｉｃａｉｓｏｒｌｏｈｐＭｅｈｎｃｎ

基于统计能量法的环肋圆柱壳中、高频振动与声辐射性能数值分析

ｔａｔｅＳＡｉａｐｉｂｅｔｓｃｒｍ．Ｔｅｐｐｒｏｃｎａｓｎｔｅｖｒｔｎａｄｓｕｄｒｄ— ｈｔｈＥｐｌａｌｏｕｈｐｏｓｃＭｅｓｈａｅｎｅｔｔｉａｏｎｎｉｃｒｅｏｈｂｉｏａ
和卫平陈美霞高菊陈清坤
华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉４０７３０４
摘要：基于统计能量法（Ｅ）力激励下的环肋圆柱壳中、频振动与声辐射性能进行了数值分析，过ＳＡ对高通
与解析法计算结果的对比，明了利用统计能量法进行圆柱壳中、频振动与声辐射研究的可行性。重点分证高
析了双层圆柱壳的振动与声辐射性能，到一些有价值的结论。最后，比分析了在相同激励力下的单、层得对双圆柱壳的声辐射性能，双层圆柱壳的外场辐射声压比单层圆柱壳的小。关键词：环肋圆柱壳；动；辐射；计能量分析振声统中图分类号：６１４Ｕ６．４文献标志码：Ａ文章编号：６３— １５２０）６— ７— ６１７３８（０８０００
ＮｕｍｅｉａｒｃｌＡｎａｙｉｆＭｉｌ－ｉｈＦｒｑｎｙＶｉｒｔｏｎｌｓｓｏｄｄｅｈｇｅｕｅｃｂａｉｎａｄ
ＳｕｄａｉｎｆｏａＲｉ — ｔｆｅｄＣｙｉｒｃｌＳｌｂＥＡｏｎｄＲａｉｔｏｒｍｎｇｓｉｆｎｅｌｎｄｉａｈｅｌｙＳ

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基于解析解和边界元解的圆柱壳声辐射对比
研究
1 引言
人类对声学分析已有着更高的要求，研究可预测各种物体全息声
辐射的有效方法，尤其是在相对复杂的环境中尤为重要。

圆柱壳的声
辐射研究一般采用解析解和边界元方法。

本文将通过针对解析解和边
界元解进行比较，探讨这两种方法对圆柱壳声辐射影响的差异。

2 解析解
解析解是通过解决相关偏微分方程及其边界条件而获得的解析解，既可以用椭圆型函数描述又能进一步做些近似处理，如蒙特卡罗近似等。

例如，当研究圆柱壳时，可以采用Bessel、Legendre和Chebyshev型的椭圆型函数，其波形与相对应的实际波形十分相似；并且可以用到不变集理论进行较详细的分析，以较准确地计算出圆柱壳
的声辐射形状及特征值。

3 边界元解
边界元法是一种利用边界条件来约束声学场方程求解的分析方法。

边界元法利用空间上有限的均匀元素，从而求解出分布于固体物体上
的空间声场。

其主要特点是可以搭建出实际情况下比较真实的声学模型，以及能明显改善利用解析解可能解出的模型的计算错误和不精确性。

边界元解可以很容易地用来研究波扩散的行为。

4 解析解和边界元解的对比
在研究圆柱壳的声辐射问题时，解析解和边界元解两者均可以发
挥其长处。

解析解的优势在于计算时间较短，模型的构建也比较简单。

此外，在定性分析中，其对于各种分析情况都有较好的表达力。

而边
界元法的优势在于可以有效地消除解析解中可能出现的模型不准确的
问题，能更准确地表征声学力下的声辐射。

此外，还可以通过这两种
方法的结合，更加精确准确地模拟圆柱壳的声辐射。

5 结论
在研究圆柱壳的声辐射时，解析解和边界元解两者。

解析解具有
计算快速、精度较高等优势；而边界元解则能够消除解析解可能存在
的误差，可以更加accurately准确地表征圆柱壳的声辐射。

因此，在
研究声辐射时，有必要结合这两种方法，以及全面准确地模拟圆柱壳
的声辐射。