基于弱—强式无网格法的消声器声场特性分析

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无网格方法始于20世纪末,与有限元和边界元等数值方法相比,无网格法有着在计算时不需要借助网格的划分、计算效率高等优势,成为了近年来研究的热点,在流体力学、动力学和固体力学等领域被广泛应用,而目前声学领域的应用尚少。消声器在工程实际问题中被广泛应用于降低噪声污染,其声学性能用于衡量消声器的效果好坏。由于有限元方法等数值方法需要依赖网格的划分,因此论文使用无网格方法计算并分析消声器的声学性能。本文系统地介绍了弱式无网格法和强式无网格法在消声器声学性能计算的求解过程,包括形函数的构造,系统方程的离散和本征方程的推导,应用配点技术求解传递损失。设计了弱式无网格法程序分别求解圆形横截面、不规则四边形横截面和穿孔横截面的本征值;设计了强式无网格法程序研究径向基函数的形参、支持域尺寸和节点数量对求解圆形横截面的本征值的影响。基于强式无网格法和弱式无网格法各自的优势提出一种新型的弱-强式无网格方法,编写强式无网格法程序,弱式无网格法程序,弱-强式无网格法程序,并使用膨胀腔消声器和穿孔管消声器作为算例,对比分析三种无网格法的计算结果,验证了弱-强式无网格法的计算精度和计算效率。弱式无网格法计算消声器的横向模态与有限元法相比,计算精度和计算效率都较高。强式无网格法的计算精度较高,并且不依赖背景网格,计算效率高于弱式法。弱-强式无网格法求解膨胀腔消声器和穿孔管消声器时计算精度和计算效率都较高。在设计膨胀腔消声器时,选择合适的插管长度和膨胀腔长度,可以提高消声器的声学性能;而穿孔管消声器的孔径、穿孔率和吸声材料的影响主要集中在中高频,也需要选择合适的参数以提升消声器的消声效果。
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