声学材料耦合声场模拟研究

    目前，国内外在阻尼声学材料设计方法研究方面，主要通过解析法和模拟计算法，但是，对于阻尼声学材料设计无法用解析解的形式予以精确求解，模拟计算法就成为解决这类工程问题的主要方法，利用数值分析技术来研究材料参数、声腔结构与声学性能之间的关系。本文采用LMS.Virtual lab-acoustic声学仿真软件，可以运用有限元方法和边界元方法进行声学建模和声振建模，可以计算流体介质中和流体-结构耦合作用下的声波行为，可计算声压、声强及声功率等，在软件中可以完成从几何建模到有限元前处理，从有限元前处理到振动，从振动到声学，从声学到优化的多功能数值仿真计算。LMS.Virtual lab-acoustic也可用于各类阻尼声学材料及制品的材料参数设计和声学性能预测，可提升结构设计水平和效率，对材料配方设计和制品结构设计都具有重要的指导意义。

    本文采用LMS.Virtual.lab-acoustic对典型阻尼声学材料以及典型声性能测试环境—声管进行了模拟建模，参照的声管测试系统框图如图1所示，探讨了Virtual lab-acoustics在阻尼声学材料设计中的应用。

图1 声管测试模型示意图

1 阻尼声学材料建模的基本步骤

    采用Virtual lab-acoustic建模之前，需要考虑三方面的问题。首先要考虑的是所模拟的声场是内声场还是外声场，内声场通常是指在一个封闭的流体空间，周围被固体所包围，振动向封闭的流体空间中辐射声音，例如封闭的汽车内的空气就构成一个内声场；外声场是指一个封闭的结构外侧的流体空间，这个空间是从结构外表面到无限远处，是一个无限大的空间，例如汽车表面以外的声场就是一个外声场。第二是根据声场来判断是采用声学有限元还是声学边界元，声学有限元通常用于计算封闭空间的声场，声学边界元内外声场都可以计算。根据声管测试系统原理，本文所模拟的声场为一内声场，采用声学有限元的方法来模拟。在确定了声场后，第三是要判断所模拟声学问题是耦合还是非耦合，这里的耦合主要指的是声振耦合，在大多数情况下，声场和结构之间的耦合关系可以忽略，例如汽车发动机，发动机和空气之间的耦合作用就很小，并不影响声场的计算精度，但在一些情况下，必须考虑耦合关系，否则计算出的结果将不准确。阻尼声学材料在声管环境中的模拟需要考虑声场（水—外部声场，空气—内部声场）和声学结构之间的相互作用，由于声学结构的刚度比较小，结构与声场的相互作用比较大，因此是一个耦合问题。最终，我们确定对阻尼声学材料声管模拟采用耦合声学有限元法来模拟。具体的建模步骤如图2所示。