无流多孔介质声传播的格点型有限体积法研究

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多孔介质声学材料又名多孔吸声材料,作为一种经济、轻质而又高效的声学材料在工程上应用十分广泛,在进行声学结构设计时其对声场的影响往往不可忽略。如何描述声波在多孔介质声学材料的传播过程,以及跨多孔介质及线性声学材料时物性阶跃面处声波的折射与反射行为,是一个研究难题。针对这个难题,本文分析现有各类方法的局限性与不足之处,基于格点型有限体积法开展了的多孔介质声学数值仿真程序的研究与开发工作。
  传统的多孔介质声学仿真方法主要从频域出发,计算量相对较大且无法针对声脉冲传播问题进行模拟仿真。另外,也有时域方法利用局部反应模型将多孔介质的声学性质映射到边界面处以达到简化计算的目的,但这种处理方式无法解决复杂结构情况。本文推导并简化线性声学与多孔介质声学控制方程到单变量形式以提高计算效率,采用统一形式描述多孔介质声学与线性声学控制方程以降低编程开发代码重复率。在线性声学域:本文基于流体力学基本假设,推导非线性声学控制方程,讨论并引入线性声学假设简化到线性声学控制方程。在多孔介质域:由于多孔介质声学材料模型往往是经过多尺度重正化后的基于频域的唯象或半唯象理论。
  本文对现有多孔介质声学模型分为三大类共七种模型,综合分析并探讨适用于现有数值仿真软件开发平台的理论模型。针对跨多孔介质及线性声学材料的声传播问题:借鉴气动声学相关理论推导实现了多孔介质声学与线性声学物性阶跃面处的边界条件,并给出具体的离散仿真实施方案。笔者基于现有平台资源,使用Fortran95编程开发实现了多孔介质声学时域仿真模块。在确保模块的功能细化与接口通用的同时,将该模块集成于哈尔滨工程大学自主开发的GTEA(General Transport Equation Analysis)通用输运方程分析平台的声学求解器中。
  采用文献中的相关算例对本文开发的仿真模块进行验证,在多孔介质隔声屏障以及多孔介质声子晶体等测试算例中本文仿真结果与其他数值仿真手段的仿真结果均拟合良好,说明本文简化方案以及物性阶跃面处理手段有效且可靠。因此,采用实验-仿真拟合法尝试将本文求解器应用于阻抗复合式消声器的声学性能仿真,发现其部分频段尤其是低频段的仿真结果未达到预期目标,分析后认为本文所采用的简化方案对高孔隙率高流阻多孔介质声学材料的处理不佳,需要进行改进并引入新的方案以提高其可用性。
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