声波透过均匀介质的现象在生活中比较普遍,对于无限延伸的介质,经典声学教材往往直接假定介质中的波是平面波,在界面处速度与压力连续,从而可以得到透声量。实际情况下,介质往往是有限的,而且存在边界上的限制。对于平面波激励矩形板的辐射声计算,在文献[1]中已有较为详细的分析:平面波激励矩形板时由于边界阻抗突变,板内波在边界处反射,因而在板中形成驻波,驻波振幅具有一定形式的分布,利用模态的正交性,可以得到板在介质中的振动方程,然后使用瑞利公式进行辐射声计算。
在文献[1]中求矩阵元素时出现了带奇点的四重积分。对于这一问题,在文献[2]中采用了变量替换与积分区域变换的办法,将四重积分变为两重积分,变换过程较为复杂,未专门分析奇点积分的求解方法。同样在文献[3]中,也采用了变量替换与积分区域变换方法,亦没有专门分析奇点的处理办法。对于一重积分可以使用LOBATTO法则计算[4],以避免被积函数的奇异性。对于二重带奇点积分一般是以奇点为圆心作一个小圆,来研究当圆半径逼近0时的结果[5-6],这些多用于理论分析。本文采用理论推导,给出了求解奇点积分的具体办法,然后再用数值求解。对于矩阵求解,将在正文中看到,里面出现了两个相加符号,需要巧妙设计形成矩阵再进行求解。
文献[1]中还细致介绍了带周期栅的膜振动及其声场、周期性支撑固定的薄板振动和声散射、带周期性加强肋的薄板振动和声辐射,这些内容由简到繁地涵盖了工程中常见的典型情况。应该说在2001年左右,平面波激励矩形板的辐射声理论研究已经达到一个顶峰。因此近年来,对于平面波激励矩形板的辐射声理论分析的研究并不多见,主要集中在复杂板的隔声问题[7-8]、辐射声特性[10-11]、辐射效率[12-14]、板的优化设计方面[15]。
另外,采用声学有限元、声学边界元也可以研究矩形板的辐射声。Suzuki等[16]将有限元、边界元两种方法耦合,即将声腔用边界元离散,将结构用有限元离散,计算了声波经由弹性单层板向声腔透射的传声损失。Wu等[17]用边界元法(Boundary Element Method, BEM)对薄壳结构内外声场进行了分析,对结构用有限元法(Finite Element Method,FEM)分析,建立复杂结构的内、外声场和结构耦合振动方程,分析了声波通过薄壁壳体的声传输问题。Coyette[18]基于有限元和边界元耦合方法,计算弹性和多孔材料结构的表面阻抗和传声损失。Ding等[19]计算了声源和结构载荷共同激励下弹性薄壁腔体的声振耦合特性。对于复杂情况、单一工况问题有限元或边界元法能够很好地解决,但难以发现机理与影响规律,在设计中还要从模态分析入手,以达到工程要求。
平面波激励矩形板的辐射声是很基础的问题,但由于是一个声固耦合的问题,因此这个几何形式简单的问题并不是看起来那样简单,仍有很多机理有待深入研究与挖掘,在声学领域中具有独特的研究价值。这方面研究的进步,也会给其他研究带来启发,因此有很大的研究意义。
矩形板由于入射波的作用,会引起板振动,于是向两边介质中辐射声波,同时板面也受到两面介质对板面的反作用力,所以这是一个声固耦合的复杂问题。
当板较大时,可以近似用声波穿过无限延伸媒质上的透声理论进行计算。本节首先回顾一下透声理论,然后重点推导平面波激励矩形板的辐射声理论公式。
声波通过中间层的示意图如图1所示,透射波(pt, vt )通过无限大中间层的声压之比[20]tp为
图1 平面波激励矩形板辐射声波的示意图
Fig.1 Schematic diagram of soundwaves from a rectangular plate excited by plane waves
其中:pta为介质Ⅲ中的透射波声压幅值,pia为入射波声压幅值;为媒质Ⅰ、Ⅱ的密度;c1、c2为媒质Ⅰ、Ⅱ中的声速;,ω为角频率。
平面波激励矩形板的辐射声示意图如图 2所示,其中板厚h的值较小,属于薄板。xOz平面位于板的下表面。矩形板x方向长为l1,y方向长为l2。当声波的波向量在沿xOz平面内与Oz轴交角为θ方向入射,则在z<0半空间内除了刚硬板面入射波和无限大刚板反射波之外,还应加上有限板在声波作用下进行振动时再辐射的声波。在z<h半空间只存在再辐射声波,于是在板面上下介质中的声关系如下面第2节中的公式。
图2 平面入射波的传播示意图
Fig.2 Schematic diagram of plane incident wave propagation
入射波声压,为简化推导,令声压幅值pa为1,经过一系列推导可以得到[1]:
其中:µm n 是对应于本征函数的本征值,它们决定于板的边界条件;µ为泊松比;E为杨氏模量;D′为损耗因子;ρ为介质密度。令(x1, y1)为矩形板表面上的点坐标,(x1′, y1′)是面上积分的动点坐标,η为板表面位移幅值。Bmn为有阻尼情况下的振动位移幅值展开项的系数。
式(5)中有两个求和符号,需用下方矩阵形式进行展开:
由于整个过程是采用复数计算的,所以为复数,取其幅值作为平板的辐射声,由于入射波的声压幅值设为1,此结果即为透声量。
计算对象为一薄钢板,长度为 4 m,宽度为4 m,厚度为0.001 m,放置方向如图2所示,其中四边简支,钢板四周为无限大障板。钢的弹性模量216 GPa,密度为7 800 kg·m-3,体纵波声速为 6 100 m·s-1[19],泊松比为 0.28。空气的参数:密度为 1.21 kg·m-3,声速为 344 m·s-1。声波频率为 261.6 Hz(音名 c1),如果频率太高,则计算阶数增加,太小则考虑到近场效应平板面积要增大,这样积分时区间划分个数又增加,因此定为这一频率。
将2.1节中参数代入式(1)中,可以得到透声值为0.0648,这个值为无限大板的透声结果。由于板较大,可以近似作为平面波通过矩形板的辐射声。
2.3.1 奇点处理
图3 奇点计算示意图
Fig.3 Singularity computation diagram
图4 不同ε时解的变化情况
Fig.4 Solution variation with different ε
另外,在编程求积分时,采用矩形以便于计算,这样π变为4,积分最终表达为
其中:SL为边长为L的小正方形。
在具体进行积分时,采用图5的示意图。首先根据(x1, y1)的位置,确定好积分区域。按从上往下的顺序分别考虑且这三种情况,在每种情况下又细分为的情况。对于正方形位于矩形中间的情况,可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个区域,其中L为边长(见图6)。在计算时,分别计算各区域的积分值,然后全部加在一起,其中区域Ⅴ采用方括号中的方法计算。对于处于边线位置,仍然采用同样办法,只不过区域Ⅰ中积分为 0,区域Ⅴ中积分只采用有填充部分的面积。
图5 积分计算示意图
Fig.5 Integral calculation diagram
图6 积分计算区域划分示意图
Fig.6 Partition of integral calculation area
当第Ⅴ部分边长L设为0.0001~0.01(与厚度同量级),对于本文中计算对象为长1 m、宽1 m、厚0.001 m 的板,计算结果与采用 Mathematic的NIntegrate命令计算二维积分十分接近。在本文计算中,选择L≤0.000 5,与MatheMatic 8.0软件求解结精度有4位有效数字一致。其在L=0.000 5时,(式中k=2π ×261.6/344),可见这一部分是很小的。
2.3.2 积分处理
在矩阵求解时多个元素均出现多重积分,分别采用计算重积分的累次积分法。对于积分函数有振荡的情况,一般可用复合辛普森法或复合 COTES方法[22],由于这里要考虑计算精度与计算时间,经比较后每重积分均采用复化柯特斯公式[23],公式为
由于一般数学软件自带公式无法计算四重积分,在分析三重积分时,对于长为1 m、宽为1 m、厚为 0.001 m的板,x1(下面公式中用 x表示)设为0.62,窄边划分区间数为1,其他边为16,进行三重积分计算。用Mathematic软件进行三维验证,命令为NIntegrate[Sin[1Pi*z]*Sin[1Pi*w]*E^(-I(2*Pi*261.6)/344*Sqrt[(z-x)^2+(w-y)^2])/Sqrt[(z-x)^2+(w-y)^2]Sin[3Pi*x]*Sin[3Pi*y],{y,0,1},{z,0,1},{w,0,1}]/x->0.62,结果为0.0397 207+0.035 285 5j。程序计算结果为0.039 610 0+0.035 285 5j,误差不超过1%。
2.3.3 求逆处理
由于各个元素为复数,所以矩阵为复矩阵,复矩阵求逆采用全选主元高斯-约当(Gauss-Jordan)法[23]。
计算阶数中矩阵元素为 284(614 656)个,形成的矩阵为784阶方阵。区间划分个数16,较窄边长为1个。其中D′= 0 .1(值的选择对结果影响不大)。在m=n=28时,这时对应于(28, 28)模态的固有频率为310.151 Hz,略大于计算频率。在距离矩形板 6 m处的平面上布置25×25的计算点,作为辐射声的计算接收点。程序采用 Fortran语言编写,采用双精度,在 Win7操作系统(CPU为 i7-7700)采用 Intel Visual Fortran2013软件计算,结果如图7所示。
图7 辐射声的值计算结果
Fig.7 Numerical calculation results of radiation sound
由图7可以看出,在正方形中间部分的结果是十分接近理论结果的,其中心处的值为0.061 462,比理论结果0.064 8(见2.2节中)少5.2%;在边线处,透声值降低。这说明采用这种办法求奇点与求辐射声是可行的。另外,在试算时,在 15~27阶变化时,对计算结果基本影响不大。这是因为频率较高时,振动模态为角模态[24],即大部分振动区域的振动辐射声会相互抵消,角上的振动对辐射声有较大影响。
值得指出的是,在采用瑞利公式计算活塞声源辐射声时,有远场弗朗霍夫尔(Fraunhofer)区和近场费涅尔(Fresnel)区[25],已经比较复杂。这里有多个振动模态,情况更为复杂。在本文编程计算时发现,当声场位置与平板的距离增大时,中心处与边线处的辐射声结果比较接近,但由于其远场也类似于活塞声源,具有远场特点,其辐射声值有所降低。
本文基于振动模态的计算方法有以下近似,这也是计算的误差来源:薄板厚度忽略不计;理论模型只考虑弯曲波振动辐射声;奇点计算时,在计算公式将推导中的圆区域变为正方形区域,近似认为奇点附近相等;柯特斯法求积分时区间数不够大;计算阶次选取还可以更高些;阻尼的设置对结果有一些影响;计算采用双精度,虽已很精确,但仍存在误差。
平面波垂直激励矩形板的辐射声,貌似十分简单,但若要精确解决却需要很繁难的推导与大计算量的数值计算。
本文细致地推导了平面波激励矩形板的辐射声公式,重点处理了矩阵求解问题、四重带奇点积分,并进行了程序编写,其中四重带奇点积分能够划分成五个区域分别求解来最终获得。针对某一具体算例,求得的结果与无限大板的透射声理论值十分接近。这说明采用模态正交分析是可行的。另外,采用这种办法会准确得到各个位置处的辐射声。这种办法再加以拓展还可以处理曲面辐射声的问题。
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