一种瞬态声辐射噪声的预测方法

摘要

本发明通过对声学边界元法基本解时间解析积分，利用主值积分和有限部分积分定义，获得关于时间的分段积分，针对每个时间段上的分段奇异积分，进行奇异主值分离使其正则化，主值积分再进行分段解析消除奇异性。而对于近奇异积分，将波距与源点到积分单元的最短距离结合起来，构建近奇异积分求解方法。本发明有效解决瞬态声学边界元法中的奇异积分，不必借助于拉普拉斯方程基本解。结合波距与源点到积分单元的最短距离的近奇异积分方法，能有效处理瞬态声学边界元法的波动奇异性与近奇异性，提高瞬态声学边界元法的计算精度和收敛性，提升瞬态声辐射噪声预测的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及噪声预测领域，具体地涉及瞬态声辐射噪声的预测。

背景技术

随着我国社会经济的高速发展，城市化进程的加速，城市中环境噪声污染问题日趋严重。城市中环境噪声主要包括两部分：自然界的噪声污染与人类活动造成的噪声污染。人类活动造成的噪声主要包括交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声以及社会生活噪声等。在机械制造的过程中，尤其是在工矿企业生产车间，机械制造及生产加工过程中产生的噪声污染，其危害也是比较巨大的。如下料阶段来自锯床的锯片与材料的摩擦、剪板机剪切板料的碰撞声，冲压机冲裁时产生的振动冲击。噪声污染直接威胁到人体的听觉神经，造成听力损伤甚至耳聋。此外，噪声污染也会造成人体的视觉器官、消化系统、神经系统与内分泌功能损伤。因此，在城市建设和发展中，噪声控制是值得考虑的一项关键问题。而基于瞬态声辐射噪声的预测方法进行声学仿真，可以实现对声场分析和优化，从而为噪声控制提供依据。

在研究声学问题的数值方法中，有限元法和边界元法是两种主要的方法。边界元法具有一些有限元法无法比拟的优势：如具有降维优势，无需对大型体积进行网格划分、便于设置无穷声场边界、适用任何形状声源等，在瞬态声辐射噪声预测中获得了广泛的应用。在声学边界元的范围内，分为两类，即声学频域边界元法和声学时域边界元法。频域边界元法比较适用于稳态声场，对于瞬态声场则需要在时域和频域之间进行转换，引入额外的计算量，并且会受到变换中引入的误差影响，无法保证计算精度。声学时域边界元法避免了声学频域边界元法的缺陷，更适合处理瞬态声辐射噪声问题。

在声学时域边界元法实现过程中，积分的奇异性与近奇异性是与时间和空间结合在一起的，在处理其奇异积分时候，总是通过加减拉普拉斯方程基本解进行积分正则化来实现。而近奇异性的处理往往没有考虑到其基本解时空特性，存在一定的计算误差。

发明内容

本发明实施方式的目的是为了解决上述问题，开发一种瞬态声辐射噪声预测方法，可以实现声场分析和优化，从而为噪声控制提供依据。

为了实现上述目的，

所述计算预测方法包括：

步骤1：根据模型的几何特征参数，建立起瞬态声辐射噪声计算模型，并进行网格离散，合理确定网格的数量，以及相应的单元类型。

步骤2：给定模型边界噪声参数，所述噪声参数为声压何和声通量，并输入相应的物理参数，所述物力参数为模型中声波的传播速度、时间范围、源场强度。

步骤3：针对瞬态声场控制方程建立相应的边界积分方程。

其中u

边界条件为：

其中u为声压，q为声通量，Γ

初始条件为：

u

其中基本解的表达式为：

c(ξ)＝0.5为边界形状参数系数，

步骤4：对边界积分方程(1)进行时间离散，并进行时间解析积分。

步骤4-1：时间划分，时间从0到t分为N

步骤4-2：时间形函数配置，

其中

步骤4-3：时间解析积分分类：

1.

4.

其中t

步骤4-4：分段解析积分(1)

1.

(a)c(t-t

(b)c(t-t

(c)c(t-t

步骤4-5：分段解析积分(2)

2.

(a)c(t-t

(b)c(t-t

(c)c(t-t

步骤4-6：分段解析积分(3)

(a)c(t-t

(b)c(t-t

(c)c(t-t

步骤4-7：分段解析积分(4)

(a)c(t-t

(b)c(t-t

(c)c(t-t

步骤4-8：分段解析积分(5)

(a)c(t-t

(b)c(t-t

(c)c(t-t

步骤4-9：分段解析积分(6)

(a)c(t-t

(b)c(t-t

(c)c(t-t

步骤5：对边界积分方程(1)进行空间离散，离散的边界单元总数为N

步骤5-1：声压、声通量、声源强度、初始声速和声压可用形函数表示

其中u(ξ

步骤5-2：带入公式(34)，可以得到公式(1)的离散表达形式：

在公式(35)中，i＝1...N

步骤5-3:进行空间积分，离散为矩阵形式：

其中

q

步骤5-3-1：在空间积分G

步骤5-3-2：对于近奇异积分，比较波距和源点到积分单元的最短距离的大小，取其最小值，根据最小值和积分子单元的最长距离的比值来进行子单元划分。比值取值为0.25，如果比值大于0.25，则进行子单元划分，反之可以直接进行空间积分。针对划分的积分子单元，可以继续重复以上步骤。

步骤5-4：针对第m时间步，添加边界条件，源场强度，矩阵组装调整，可以得到：

AX＝b (37)

步骤5-5：对公式(37)进行求解，可以得到边界的声压和声通量。

步骤5-6：令c(ξ)＝1，利用求出来的边界未知量，就可以获得域内点的声压和声通量。根据不同位置的声压分布，就可以对工程结构进行形状优化，从而降低声压，减少噪声污染。

本发明的有益效果：通过对声学边界元法基本解时间解析积分，利用主值积分和有限部分积分定义，获得关于时间的分段积分，针对每个时间段上的分段奇异积分，进行奇异主值分离使其正则化，主值积分再进行分段解析达到消除奇异性的目的。而对于近奇异积分，将波距与源点到积分单元的最短距离结合起来，构建近奇异积分求解方法。本发明能有效解决瞬态声学边界元法中的奇异积分，而不必借助于拉普拉斯方程基本解。结合波距与源点到积分单元的最短距离的近奇异积分方法，考虑到了基本解时空特性，能有效处理瞬态声学边界元法的波动奇异性与近奇异性，提高瞬态声学边界元法的计算精度和收敛性，从而提升瞬态声辐射噪声预测的准确性。

附图说明

图1为悬臂梁结构声场计算示意图

图2为本发明获得右面中点的声压结果与参考解对比

图3为瞬态声辐射噪声预测方法的流程图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，以悬臂梁结构声场计算实例，所述悬臂梁宽度a＝2,长度b＝4a。左端面声压为0，右端面加载常量声通量，上下两面声通量为0。

应用步骤1：根据模型的几何特征参数，建立起瞬态声辐射噪声计算模型，a＝2,b＝8,其中四个点坐标分别为(0,0)，(8,0)，(8,2)，(0,2)。进行单元离散如下：上面离散为8个二次单元，其中2个边不连续单元，6个连续二次单元；下面离散为8个二次单元，其中2个边不连续二次单元，6个连续二次单元；左面和右面分别离散为2个不连续二次单元。

应用步骤2：对模型边界噪声参数(声压，声通量)给定如下：

左面给定声压

应用步骤3：根据边界条件和参数建立相应的边界积分方程。

其中u

边界条件为：

其中u为声压，q为声通量。Γ

左面给定声压

初始条件为：

u

其中基本解的表达式为：

c(ξ)＝0.5为边界形状参数系数，

应用步骤4：对边界积分方程(1)进行时间离散，并进行时间解析积分。

应用步骤4-1：时间划分，时间从0到t＝0.639分为N

应用步骤4-2：时间形函数配置，

u(ξ,t

应用步骤4-3：时间解析积分分类：

1.

4.

应用步骤4-4：分段解析积分(1)

1.

(a)c(t-t

(b)c(t-t

(c)c(t-t

应用步骤4-5：分段解析积分(2)

2.

(a)c(t-t

(b)c(t-t

(c)c(t-t

应用步骤4-6：分段解析积分(3)

(a)c(t-t

(b)c(t-t

(c)c(t-t

应用步骤4-7：分段解析积分(4)

(a)c(t-t

(b)c(t-t

(c)c(t-t

应用步骤4-8：分段解析积分(5)

(a)c(t-t

(b)c(t-t

(c)c(t-t

应用步骤4-9：分段解析积分(6)

(a)c(t-t

(b)c(t-t

(c)c(t-t

应用步骤5：对边界积分方程(1)进行空间离散，离散的边界单元总数为N

应用步骤5-1：声压、声通量、声源强度、初始声速和声压可用形函数表示

其中u(ξ

应用步骤5-2：带入公式(34)，可以得到公式(1)的离散表达形式：

在公式(35)中，i＝1...N

应用步骤5-3:进行空间积分，离散为矩阵形式：

其中

q

应用步骤5-3-1：在空间积分G

应用步骤5-3-2：对于近奇异积分，比较波距和源点到积分单元的最短距离的大小，取其最小值，根据最小值和积分子单元的最长距离的比值来进行子单元划分。比值取值为0.25，如果比值大于0.25，则进行子单元划分，反之可以直接进行空间积分。针对划分的积分子单元，可以继续重复以上步骤。

应用步骤5-4：针对第m时间步，添加边界条件，源场强度，矩阵组装调整，可以得到：

AX＝b (37)

应用步骤5-5：对公式(37)进行求解，可以得到边界的声压和声通量。

应用步骤5-6：利用求出来的边界未知量，就可以获得域内点的声压和声通量。根据不同位置的声压分布，就可以对工程结构进行形状优化，从而降低声压，减少噪声污染。

从图2中可以看看，使用本发明的方法得到的声压结果和参考解结果吻合的非常好，精度维持1.5％以内，可以为计算工程结构声压分布提供参考。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。