一种微穿孔板声衬声学性能数值分析方法技术

本发明专利技术涉及声学计算技术领域，具体为一种微穿孔板声衬声学性能数值分析方法。该方法由微穿孔板声衬的周期性特点在微穿孔板‑蜂窝夹层声衬结构中提取代表单元，即微穿孔板声衬单胞模型，在有限元前处理软件HyperMesh中直接建立几何模型，无需进行几何清理等工作；模型简单，减少了建模时间；在全频段振动分析软件VA‑One中利用有限元‑边界元混合算法，计算效率高；通过分析结果有利用对微穿孔板声衬进行设计和优化，有较好的工程应用价值。

A numerical analysis method for acoustic performance of microperforated panel

【技术实现步骤摘要】
一种微穿孔板声衬声学性能数值分析方法
本专利技术涉及声学计算
，具体为一种微穿孔板声衬声学性能数值分析方法。现有技术微穿孔板声衬是一种面板为微穿孔板、内芯为蜂窝结构、背板为金属板的吸隔声结构，作为一种质量轻、强度高、隔声绝热性能良好的吸隔声结构，广泛应用于航空发动机、汽车动力舱、建筑设计及工业设备等领域中，具有广阔的应用前景。随着航空等交通运输业的竞争日益激烈和人们对生活环境保护意识的增加，各国在噪声控制的研究中都投入的大量的人力物力，而微穿孔板声衬作为发动机、建筑结构中的主要隔声结构受到广泛的关注，对其声学性能及结构设计进行研究的意义十分重要。目前对微穿孔板声衬声学性能的分析方法主要有理论分析、实验研究及数值计算三种。在理论研究方面，对研究对象的非线性、气动噪声的耦合效应、外形等进行假设来得到解析解，但是由于声学方程的复杂性，在实际应用中需要进行强简化才能得到解析解，因此在实际研究及设计中，这种方法并不常用。实验研究方法是最真实准确的方法，对微穿孔板声衬结构进行声学性能测试最传统的实验方法是双传声器方法，利用置于微穿孔板表面和背板处的两个同相位的传感器测试微穿孔板声衬两侧的噪声响应即可得到其声学性能，但是在这种方法中试验件的安装精度对测试结果有很大影响。侯峰，燕群等人专利技术了一种用于板型声衬结构声阻抗性能测量的试验装置，解决了试件安装精度影响测试结果的问题，在一定程度上提高了实验的准确度，但在实验研究中，由于试样准备、设备安装及调试等过程繁琐，常常需耗费大量的人力及时间成本。数值计算方法能够描述更加复杂的情况，在微穿孔板声衬的声学性能研究中占有非常重要的地位，王鲲鹏，陶猛等人在声学分析软件VirtualLab中建立了塑料蜂窝层板模型研究了不同蜂窝结构和声学介质对隔声性能的影响，但是建模过程较为繁琐，模型计算时间较长，吴宪，刘基天等人专利技术了一种多层CFRP结构平板的振动声学分析方法，基于有限元方法与统计能量法对高性能纤维增强复合材料的模态及声学性能进行了分析，但在目前的数值分析研究中，对声衬一侧的面板是微穿孔板形式的微穿孔板声衬进行的数值模拟计算研究很少，另外，考虑完整蜂窝结构的数值计算模型常常建模规模较大。VA-One软件是一种全频段振动噪声分析软件，其将统计能量分析、有限元法、边界元法及其混合分析集成于一个易于模拟的环境，同时完成几种方法的耦合，统一可靠地进行全频段范围的分析求解。本专利技术基于有限元软件HyperMesh及噪声分析软件VA-One，根据微穿孔板声衬结构的周期性特点提取出具有代表性的单胞模型，进一步地对其声学性能进行计算，以单胞结构的声学特性来代表整体微穿孔板声衬的声学特性，而不是对整个微穿孔板结构进行建模分析，避免了建模的复杂性，提高了计算效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是：为解决在对微穿孔板声衬的声学性能计算中面临的数值计算模型规模较大，建模复杂繁琐及计算时耗用机时过多的问题，本专利技术提出了一种微穿孔板声衬声学性能数值分析方法。本专利技术提供的技术方案是，一种微穿孔板声衬声学性能数值分析方法，包括如下步骤：步骤1:从待分析的微穿孔板声衬中提取微穿孔板声衬单胞模型。微穿孔板声衬结构主要由微穿孔板、蜂窝夹层及底板组成，结构的长度和宽度方向都远大于厚度方向尺寸。由于微穿孔板和蜂窝夹层结构均为周期性的结构，并且微穿孔板、蜂窝夹层及背板所包围的声腔也均为周期性空间，考虑周期性特性将单个蜂窝夹层连同其上微穿孔板及底板将完整的声衬结构中提取出来，得到仅有正六边形微穿孔板、六个蜂窝夹层壁板及一个正六边形底板的单胞结构，提取的单胞结构中微穿孔板边长、蜂窝夹层中六边形的边长及底板边长均相同且等于完整声衬结构中蜂窝夹层六边形截面的边长，单胞结构中蜂窝夹层高度、微穿孔板及底板厚度分别与完整声衬模型中的蜂窝夹层高度、微穿孔板厚度及底板厚度相同，特别地，单胞模型中蜂窝夹层厚度为完整模型中蜂窝夹层厚度的一半。步骤2：在HyperMesh软件中建立微穿孔板声衬单胞结构的几何模型。启动有限元前处理软件HyperMesh，选择在Nastran模板环境中按照确定的几何参数建立微穿孔板声衬单胞结构的几何模型。步骤3：对微穿孔板声衬单胞结构几何模型各部件定义结构属性。对单胞模型，在HyperMesh中建立三个组件，将单胞结构的微穿孔面板划分到结构属性为Psolid的组件，将蜂窝夹芯及底板划分到两个结构属性为Pshell的组件中，得到具有不同几何及结构特征的三个组件；步骤4：对微穿孔板声衬单胞模型的三个组件进行有限元网格划分。在HyperMesh软件中对组件划分网格，网格类型选用三角形单元。步骤5：导出包含有微穿孔板声衬单胞结构有限元节点及结构属性的*.bdf文件。步骤6：将上述*.bdf文件导入声学分析软件VA-One中。启动VA-One软件，新建文件，将上述的*.bdf文件导入到VA-One软件中。步骤7：建立有限元结构子系统。在VA-One中导入的模型的基础上建立微穿孔板面板、蜂窝夹芯和底板三个有限元结构子系统。步骤8：定义有限元结构子系统的材料属性。步骤9：将独立的有限元结构子系统通过共有节点连接起来。步骤10：定义微穿孔板声衬单胞结构的边界条件。在单胞模型的外部建立4个边界元流体BEMFluid来定义介质存在的区域，在下底面使用“建立无限平面”命令，强制隔绝无限平面上侧响应。步骤11：进行声学子系统与结构子系统的耦合。将定义的4个边界元流体BEMFluid与有限元子系统内的有限元面连接，来完成声学子系统与结构子系统的耦合。步骤12：在用于声场施加的边界元流体BEMFluid上施加声振激励。步骤13：在模型内部及下侧建立数据面并在其上布置虚拟传感器Sensor。步骤14：定义计算频率范围，运行程序进行计算。步骤15：在布置的虚拟传感器上提取响应，导出相应的数据及曲线。步骤16：分析评价微穿孔板声衬声学性能。计算提取到的微穿孔板声衬单胞模型的声振激励与底板下侧传感器上提取到的响应之差，绘制曲线，即可分析微穿孔板声学性能。本专利技术具有如下优点：由微穿孔板声衬的周期性特点在微穿孔板-蜂窝夹层声衬结构中提取代表单元，即微穿孔板声衬单胞模型，在有限元前处理软件HyperMesh中直接建立几何模型，无需进行几何清理等工作；模型简单，减少了建模时间；在全频段振动分析软件VA-One中利用有限元-边界元混合算法，计算效率高；通过分析结果有利用对微穿孔板声衬进行设计和优化，有较好的工程应用价值。附图说明图1为本专利技术方法执行流程图。图2为本专利技术中微穿孔板声衬模型细节图。图3为本专利技术中微穿孔板声衬单胞模型示意图。图中，1为微穿孔板，2为蜂窝夹芯，3为底板。图4位本专利技术中微穿孔板声衬多胞模型示意图。图5为本专利技术中在VA-One软件中的建模示意图。图中，5～8为设置的4个边界元流体。图6为具体实施例中计算的微穿孔板声衬单胞模型在声振激励下的“100-下侧响应”本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微穿孔板声衬声学性能数值分析方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1:从待分析的微穿孔板声衬中提取微穿孔板声衬单胞模型；微穿孔板声衬结构主要由微穿孔板、蜂窝夹层及底板组成，结构的长度和宽度方向都远大于厚度方向尺寸；由于微穿孔板和蜂窝夹层结构均为周期性的结构，并且微穿孔板、蜂窝夹层及背板所包围的声腔也均为周期性空间，考虑周期性特性将单个蜂窝夹层连同其上微穿孔板及底板将完整的声衬结构中提取出来，得到仅有正六边形微穿孔板、六个蜂窝夹层壁板及一个正六边形底板的单胞结构，提取的单胞结构中微穿孔板边长、蜂窝夹层中六边形的边长及底板边长均相同且等于完整声衬结构中蜂窝夹层六边形截面的边长，单胞结构中蜂窝夹层高度、微穿孔板及底板厚度分别与完整声衬模型中的蜂窝夹层高度、微穿孔板厚度及底板厚度相同，特别地，单胞模型中蜂窝夹层厚度为完整模型中蜂窝夹层厚度的一半；/n步骤2：在HyperMesh软件中建立微穿孔板声衬单胞结构的几何模型；启动有限元前处理软件HyperMesh，选择在Nastran模板环境中按照确定的几何参数建立微穿孔板声衬单胞结构的几何模型；/n步骤3：对微穿孔板声衬单胞结构几何模型各部件定义结构属性；对单胞模型，在HyperMesh中建立三个组件，将单胞结构的微穿孔面板划分到结构属性为Psolid的组件，将蜂窝夹芯及底板划分到两个结构属性为Pshell的组件中，得到具有不同几何及结构特征的三个组件；/n步骤4：对微穿孔板声衬单胞模型的三个组件进行有限元网格划分；在HyperMesh软件中对组件划分网格，网格类型选用三角形单元；/n步骤5：导出包含有微穿孔板声衬单胞结构有限元节点及结构属性的*.bdf文件；/n步骤6：将上述*.bdf文件导入声学分析软件VA-One中；启动VA-One软件，新建文件，将上述的*.bdf文件导入到VA-One软件中；/n步骤7：建立有限元结构子系统；在VA-One中导入的模型的基础上建立微穿孔板面板、蜂窝夹芯和底板三个有限元结构子系统；/n步骤8：定义有限元结构子系统的材料属性；/n步骤9：将独立的有限元结构子系统通过共有节点连接起来；/n步骤10：定义微穿孔板声衬单胞结构的边界条件；在单胞模型的外部建立4个边界元流体BEM Fluid来定义介质存在的区域，在下底面使用“建立无限平面”命令，强制隔绝无限平面上侧响应；/n步骤11：进行声学子系统与结构子系统的耦合；将定义的4个边界元流体BEM Fluid与有限元子系统内的有限元面连接，来完成声学子系统与结构子系统的耦合；/n步骤12：在用于声场施加的边界元流体BEM Fluid上施加声振激励；/n步骤13：在模型内部及下侧建立数据面并在其上布置虚拟传感器Sensor；/n步骤14：定义计算频率范围，运行程序进行计算；/n步骤15：在布置的虚拟传感器上提取响应，导出相应的数据及曲线；/n步骤16：分析评价微穿孔板声衬声学性能；计算提取到的微穿孔板声衬单胞模型的声振激励与底板下侧传感器上提取到的响应之差，绘制曲线，即可分析微穿孔板声学性能。/n...

【技术特征摘要】
1.一种微穿孔板声衬声学性能数值分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1:从待分析的微穿孔板声衬中提取微穿孔板声衬单胞模型；微穿孔板声衬结构主要由微穿孔板、蜂窝夹层及底板组成，结构的长度和宽度方向都远大于厚度方向尺寸；由于微穿孔板和蜂窝夹层结构均为周期性的结构，并且微穿孔板、蜂窝夹层及背板所包围的声腔也均为周期性空间，考虑周期性特性将单个蜂窝夹层连同其上微穿孔板及底板将完整的声衬结构中提取出来，得到仅有正六边形微穿孔板、六个蜂窝夹层壁板及一个正六边形底板的单胞结构，提取的单胞结构中微穿孔板边长、蜂窝夹层中六边形的边长及底板边长均相同且等于完整声衬结构中蜂窝夹层六边形截面的边长，单胞结构中蜂窝夹层高度、微穿孔板及底板厚度分别与完整声衬模型中的蜂窝夹层高度、微穿孔板厚度及底板厚度相同，特别地，单胞模型中蜂窝夹层厚度为完整模型中蜂窝夹层厚度的一半；
步骤2：在HyperMesh软件中建立微穿孔板声衬单胞结构的几何模型；启动有限元前处理软件HyperMesh，选择在Nastran模板环境中按照确定的几何参数建立微穿孔板声衬单胞结构的几何模型；
步骤3：对微穿孔板声衬单胞结构几何模型各部件定义结构属性；对单胞模型，在HyperMesh中建立三个组件，将单胞结构的微穿孔面板划分到结构属性为Psolid的组件，将蜂窝夹芯及底板划分到两个结构属性为Pshell的组件中，得到具有不同几何及结构特征的三个组件；
步骤4：对微穿孔板声衬单胞模型的三个组件进行有限元网格划分；在Hype...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐绯，谢富佩，李梦琳，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61